一种智能控制无极荧光灯路灯

李维德，张秋玲，刘 洋，陈大华

(1．上海宏源照明电器有限公司;2．复旦大学电光源研究所，上海)

0 引言

随着全球经济和人口的增长，人类对能源的需求大幅增加，许多有识之士已经开始思考如何应对未来可能出现的全球能源危机。电气照明是能耗大户，学术界和工业界都在努力提高照明的效率，节约能源。一方面，诸如陶瓷金卤灯、LED等的节能光源走入人们的视野;另一方面，人们也开始尝试采用新的控制策略。由于上述努力，现有的电气照明能耗比过去有了明显降低，其中一个明显的例子，就是道路照明。

道路照明的目的是为行人和车辆在夜间提供足够的照明，以确保交通安全。目前，道路照明中应用最为广泛的光源是高压钠灯，其光色为黄色，功率在100 W～1 000 W之间。为了节约能源，人们开始尝试在道路照明中采用一些新的光源，如金卤灯、LED、无极荧光灯等。同时，也开始尝试一些新的控制方式，以降低非高峰时段的照明能耗。文中将介绍一种采用环形无极荧光灯的智能控制路灯，无论是光源还是控制策略，该路灯都比传统的高压钠灯有了显著改进，因而可以很好地实现节能。

1 光源及反射器

高压钠灯光效很高，约为120 lm/W，这是因为人眼恰好对钠灯发出的黄光非常敏感。但视觉科学研究发现，如果外界光环境发生变化，人眼对光的感受也会发生变化。图1所示为人眼在明视觉和暗视觉条件下的归一化灵敏度曲线。从图1中可以看出，在暗视觉条件下，人眼对短波长的光更为敏感。即相比黄光，人眼此时对绿色光更为敏感。明视觉灵敏度曲线对应的峰值为683 lm/W，而暗视觉曲线的峰值为1 700 lm/W。因此，如果灯的辐射光与人眼的灵敏度相匹配，则可以较少的能耗实现同样的照明。为描述这一效应，研究人员引入了S/P值的概念。如光源出射光中短波成分较多，则其S/P值就高。表1给出了常见光源的S/P值。从表中不难看出，高压钠灯的S/P值明显低于荧光灯、金卤灯和LED。因此，如果采用高S/P值的光源，就可以较低能耗实现与高压钠灯照明同样的效果。

图1 明视觉和暗视觉条件下人眼的灵敏度曲线，左边为暗视觉对应的曲线，右边为明视觉对应的曲线

表1 不同光源的S/P值

道路照明中，常用金卤灯和LED代替高压钠灯，而荧光灯极少采用。这是因为普通荧光灯的功率密度较低，如需要高功率(比如200 W)，灯的尺寸要相应放大，而过大的尺寸会使荧光灯无法应用。无极荧光灯的出现则改变了这一点。无极荧光灯基于电磁感应原理，其功率密度比传统荧光灯大得多，因此，高功率无极荧光灯的尺寸也可以较小，用来替代钠灯进行道路照明。目前市面上的无极灯有两种结构，一种采用外置磁芯和环形泡壳(也称为低频无极灯);另一种采用内置磁芯和带凹腔的球形泡壳(也称为高频无极灯)。文章主要介绍外置磁芯的无极荧光灯。图2所示为外置磁芯无极荧光灯。此种类型200 W的灯光效约为85 lm/W，显色指数约为75，色温在2 700 K～6 500 K之间，寿命约为30 000 h。

图2 外置磁芯和环形泡壳的无极荧光灯

道路照明要求充足的光线被均匀投射到路面上。光的投射依赖于反射器的设计。与高压钠灯和金卤灯不同，无极荧光灯不是典型的线光源，因此适用于高压钠灯的反射器不适用于无极荧光灯。为了满足道路照明的需要，我们设计了一种配用无极荧光灯的路灯反射器。图3所示为此种反射器的外观，图4所示为样品灯照片及对应的配光曲线。

图3 与无极荧光灯路灯配用的反射器外观

图4 样品灯及配光曲线

2 智能控制系统

以前的道路照明控制多采用固定时间开关灯的方式。这种方式对电能浪费非常厉害，因为午夜以后路上车流量显著减少，但路灯还是在满负荷工作。针对这一弊端，人们提出了新的控制策略:一种是在午夜后关掉部分路灯，另一种是午夜后将路灯全部调暗。前一种方法会在路上形成非常明显的亮暗区域，影响照明效果;后一种方法则会加快灯电极的损耗，从而缩短灯的寿命。由于无极荧光灯没有电极，所以调光不会对灯的寿命有影响，这使后一种控制策略更加可行。

无极荧光灯由电子镇流器驱动，镇流器普遍采用开关电源来产生高频电压和电流。我们在镇流器中添加了调光模块和电力线载波通信模块。调光模块可以对灯调光，而电力线载波通信模块可以使镇流器接收外部命令，并执行相应的动作。

图5所示为道路照明智能控制系统的示意图。管理员通过电脑从控制中心发出指令，该指令通过无线通信方式(如GPRS)传输到安装在道路附近的电力线载波通信终端中。电力线载波通信终端中集成了无线通信模块，通信终端通过该无线通信模块拨号上网，一旦网络连接建立，控制中心就会自动为其分配地址。这样，控制中心可以对每一个通信终端进行监测和访问。指令到达通信终端后，被送往终端系统的微处理器中，微处理器再通过电力线的通信频道将指令发送到该线路的每一个电子镇流器上，由镇流器来执行相应操作。同时，微处理器还通过电力线通信频道查询每一个镇流器的状态，并将其返回到控制中心。

图5 智能道路照明控制系统示意图

此道路照明控制系统采用电力线载波通信实现对灯的控制，无需额外架设通讯线路，这不仅降低了成本，更提高了系统的稳定性。管理员可以根据道路状况设置不同的照明水平、开关周期、调光范围等。与传统控制策略相比，此系统可以极大节省电能消耗。由于控制中心可以查询和检测每个路灯的实时状态，一旦某些路灯出现问题，管理员可以在控制中心及时发现并定位，从而加快故障处理的速度，降低维护成本。另外，一旦出现突发状况，如突然出现阴雨，管理员可以在控制中心手动开启道路照明，保障交通安全。

3 案例

图6所示为智能道路照明系统的一个案例。该案例位于江苏省盐城经济技术开发区的一条主干路上，路全长11 946．73 m，路两侧安装了1 562盏150 W无极荧光灯路灯。所有路灯均可以通过控制室中的电脑软件进行控制。图6(a)所示为该软件的界面，图6(b)为道路照明的实景图。根据现场的测量结果，路面平均照度约为20 lx，照明的平均功率密度约为 0．7 W/m2。

图6 智能控制道路照明系统案例(江苏盐城经济技术开发区)

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