無電極熒光燈與城市道路照明

福建源光亞明電器有限公司

1 前言

城市道路照明所采用的光源已經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈三個時代，隨著無極燈(無電極熒光燈)以及LED等作為第四代新光源的出現(xiàn)，依靠其具有的使用壽命長、發(fā)光效率高、維護工作量低、安全可靠性強，環(huán)保節(jié)能等優(yōu)良特性，正逐漸進入城市道路照明設(shè)計者的視線中。由于城市道路照明市場的參與者已投入了較大的人力物力推動LED進入該領(lǐng)域，盡管目前依然存在這樣那樣的不足，但可以相信這僅僅是前進道路中的問題，隨著技術(shù)的進步將迎來一個燦爛的明天。相對于LED，無電極熒光燈目前已具備了進入城市道路照明的節(jié)能改造的相關(guān)條件，并已在多處批量使用，均獲得理想的效果。本文就以無極燈熒光燈應(yīng)用于城市道路照明的相關(guān)技術(shù)進行討論，以促進該項技術(shù)在城市道路照明的節(jié)能改造中獲得應(yīng)有的作用，為國家的節(jié)能減排添磚加瓦做出貢獻。

2 無極燈原理

無電極熒光燈是基于法拉第電磁感應(yīng)原理，采用類似于變壓器的結(jié)構(gòu)，完成初級繞組(原邊)與等離子體環(huán)路所形成的次級繞組(副邊)之間的電功率耦合，來進行燈功率傳遞的一種長壽命，高光效的電光源。

它的創(chuàng)新點為:無電極，去除了制約傳統(tǒng)光源壽命的燈電極，使無極熒光燈的有效使用壽命大大延長。而無極熒光燈工作所需的電能完全通過磁場感應(yīng)的方式耦合到燈泡內(nèi)，使無極熒光燈內(nèi)的低壓汞和惰性氣體的混合蒸汽電離形成等離子體，處于激發(fā)態(tài)的汞原子返回基態(tài)時，自發(fā)輻射出253.7nm的紫外線，激發(fā)燈泡內(nèi)壁的三基色熒光粉發(fā)光，將紫外光(不可見光)轉(zhuǎn)換為可見光。其電能與可見光的轉(zhuǎn)換原理和傳統(tǒng)的熒光燈相似。但由于閉合的等離子體放電區(qū)均可視為正柱區(qū)，故不存在陰極電位降，其理論數(shù)據(jù)光效可比傳統(tǒng)的日光燈高10%～15%左右。由于無極熒光燈的工作過程不再使用傳統(tǒng)光源中所必須的燈絲和電極，避免了傳統(tǒng)光源的燈電極損耗等一系列制約燈壽命和性能的難題，從而提高了整個照明系統(tǒng)的性能和壽命。是新一代技術(shù)已成熟且已產(chǎn)品化的實用型長壽命、高光效的光源。廣泛應(yīng)用于城市道路街道，工礦企業(yè)，公路隧道等的節(jié)能照明。

性能技術(shù)指標如下:

(1) 超長壽命，燈內(nèi)無燈絲和電極，燈泡壽命僅取決于熒光粉等的自然衰減，光衰70%@60 000小時，設(shè)計壽命指標≥10萬小時，考慮電器配合的能力目前為系統(tǒng)指標≥6萬小時。

(2) 目前光效80～90 lm/W左右，顯示指數(shù)75～80左右，燈功率范圍:12W～400W。

(3) 面光源，無眩光，無閃爍，可以滿足(DARK SKY)概念。

(4) 瞬間啟動，無需預(yù)熱，可瞬間熱啟動。

道路照明燈具品種齊全，環(huán)境溫度范圍寬－40℃～+40℃，能滿足各種氣候、各種道路的照明需求。

3 城市道路照明與相關(guān)的標準和要求

國家建設(shè)部于2007年7月1日實施的CJJ 45—2006號(城市道路照明設(shè)計標準)中對城市道路照明提出了相應(yīng)的亮度和照度指標，并給出了照明節(jié)能的評價指標，以功率密度值為標準，對城市街道照明節(jié)能提出了具體的要求，見表1，2。

表1 機動車交通道路照明標準值

表2 人行道路照明標準值

3.1 機動車交通道路照明應(yīng)以照明功率密度(LPD)作為照明節(jié)能的評價指標。

3.2 機動車交通道路的照明功率密度值不應(yīng)大于表3的規(guī)定。

4 無極燈用于城市道路照明的照度和LPD值估算

要讓無極燈應(yīng)用于城市道路照明，就應(yīng)滿足該標準所提出的指標。

下面以采用350W無極燈路燈為例，通過計算來核對采用無極燈為光源的燈具能否滿足城市道路照明標準所提出的要求(如圖1、圖2所示):

1) 計算條件:快速路雙向6車道，雙側(cè)帶2米寬人行道燈桿高10米，燈桿間距為32米，采用ZD12－350E無極燈路燈燈具，光源采用ST350W其系統(tǒng)光效為87.5 lm/W燈具輸入功率為360.0W，燈具效率為71%。

2) 標準要求為30lx，LPD值為＜1.05 W/m2

其LPD值計算如下:

面積=32 m×11m=352m2功率=360W

LPD=360/352=1.023W/m2

3) 從以上計算可知，從明視覺的角度來計算，無極燈具應(yīng)用于城市道路照明中確能滿足國家建設(shè)部的照明節(jié)能要求。

表3 機動車交通道路的照明功率密度值

圖1

圖2

5 城市道路照明的特點，中間視覺的引入，道路照明與光源的選擇的關(guān)系(道路照明常用光源在中間視覺條件下的光效)

人類視覺系統(tǒng)按可見光的強弱可分為三種視覺情況:

*暗視覺(scotopic vision)亮度低于0.034cd/m2照度(0.42 lx)

*中間視覺(mesopic vision)亮度0.034～10cd/m2照度介于0.42 lx～127 lx

*明視覺(photopic vision)亮度超過10cd/m2照度(127 lx)

從國家建設(shè)部CJJ 45—2006號(城市道路照明設(shè)計標準)以及上述的分類數(shù)據(jù)可知，城市道路照明亮度水平一般處于在中間視覺范圍內(nèi)，所以目前依據(jù)明視覺光譜光視效率函數(shù)確定光源在道路照明條件下光效的方法是不準確的。這與城市道路照明實際情況所處的中間視覺亮度條件下的照明效果差別很大，由此帶來的問題會給照明質(zhì)量的評價系統(tǒng)帶來誤差。

從上述圖表可以看出，明暗視覺的視覺效率函數(shù)的最大值有近3倍的差異，目前道路照明中推薦選用HPS燈的主要依據(jù)是其具有約120 lm/W的高光效。但這里的光效是明視覺(＞10cd/m2)條件下所得的數(shù)據(jù)，隨著亮度水平的降低，人眼的視見函數(shù)會發(fā)生普爾金耶偏移，作為普遍使用的HPS由于其光譜能量集中于555nm的黃色光區(qū)，而暗視覺的視覺效率函數(shù)中心值從555nm移到507nm，這個區(qū)域?qū)τ贖PS來說能量很少，故對于照度較低的區(qū)域HPS并不能顯示出其高光效的優(yōu)點，而無極燈卻正好相反，位于暗視覺507nm處它的光譜能量較高，在較低照度的條件下，其每瓦流明數(shù)比明視覺更高，以表4為例加以說明:

圖3

圖4

光源的光效隨人類視覺系統(tǒng)適應(yīng)亮度水平的變化而變化，但不同光源隨適應(yīng)亮度水平而變化的規(guī)律不同。在中間視覺范圍內(nèi)，無極燈的光效隨適應(yīng)亮度水平的下降而增大;但HPS的光效隨著適應(yīng)亮度水平的下降而減小。在選擇道路照明光源時，應(yīng)將光源使用環(huán)境所需要的亮度水平作為重要依據(jù)。如在需要的環(huán)境亮度水平高于中間視覺區(qū)域時(明視覺)，選擇HPS比選擇無極燈的效率要高，但在需要的環(huán)境亮度水平處于中間視覺區(qū)域時選擇無極燈則比選擇HPS的效率要高?？傊谶x擇照明光源時，應(yīng)充分考慮光源使用環(huán)境需要的亮度水平以及光源的光效隨適應(yīng)亮度水平變化的規(guī)律，以充分利用光源的發(fā)光特性，從而達到節(jié)能的目的。

另外，試驗還發(fā)現(xiàn)按明視覺條件下測量和計算高壓鈉燈的光效大于同功率的無極燈，然而在夜間處于中間視覺范圍下的道路照明中，實驗得到普遍的結(jié)論:行人和駕駛員都感覺高壓鈉燈照明的效果不如相同功率的無極燈。這就給道路照明均應(yīng)采用光效高的高壓鈉燈概念帶來了沖擊，現(xiàn)在已有許多道路照明開始采用無極燈來代替高壓鈉燈。這一點在夜間照明、尤其是夜間道路照明的實際應(yīng)用中有非常重要的價值。

6 無極燈的節(jié)能控制技術(shù)

由于無極燈屬于低氣壓放電燈，故在調(diào)光狀態(tài)下可以可靠運行。目前以具備以下幾種調(diào)光方式:

(1)組成DALI控制系統(tǒng)，使用計算機技術(shù)，按照特定的要求進行聯(lián)網(wǎng)調(diào)光節(jié)能運行。

(2)深夜適當降低路面亮度(照度)是一項十分有效的節(jié)能措施，可采用燈具內(nèi)的單片機完成各種智能調(diào)光工作(定時調(diào)光)。

7 無電極熒光燈在城市道路照明的應(yīng)用

從圖5可以清楚的看出，作為路燈照明的HPS與無極燈的視覺差異，光源該如何選擇讀者應(yīng)該能做出明確的判斷。

表4 中間視覺光譜光視效能最大值

表5 無極燈和鈉燈在暗視覺和亮視覺中比較

圖5

8 結(jié)語

隨著技術(shù)的進步，各種新光源不斷涌現(xiàn)，大功率白光LED的實驗室光學(xué)數(shù)據(jù)十分誘人。盡管目前依然存在這樣那樣的不足，但可以相信這僅僅是前進道路中的問題，隨著技術(shù)的進步將迎來一個燦爛的明天。

從白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈一路走來，各種光源有著各自的技術(shù)以及經(jīng)濟的優(yōu)勢，占據(jù)自己的份額，就城市道路照明而言，一個以傳統(tǒng)路燈、大功率LED路燈、無極熒光燈路燈三分天下的局面一定會更放光彩。