摘 要：本文主要阐述了城市公共照明中节能技术的方式和比较，对现有节能技术进行了阐述，并对节能工作在城市公共照明中的重要意义进行了探讨。
关键词：城市公共照明 节能方案 降压节能
近年来，我国的路灯建设取得了飞速的发展，道路照明质量不断提高，高强度气体放电灯被广泛使用，对改善我国的投资环境，促进经济快速发展，方便群众生活，美化城市起了很大作用，但是伴随而来的是能耗的大幅度提高，特别是近年来能源价格大幅度提升，使电力耗费成为负担，因此，有必要加强技术改进，以期减缓能耗上升的趋势。在全球都在提倡绿色照明的时代，路灯的节能必然成为一种趋势。
第一部分 节能技术及比较分析
随着新技术、新光源的发展，路灯节能技术也同步发展，节能形式和技术基本分为单灯节能和控制节能。单灯节能以新灯具光源节能、单灯安装节能器（包括分段式镇流器）等方式为主，控制节能以安装三遥监控系统集中控制、配电箱安装节电控制器等方式为主。
一、节能灯
工作原理：通过电子线路控制电流，使用三基色荧光粉实现高节能比例、高光效、高显色指数的目的。
1、优点：节能灯比高压钠灯节能50%以上，光效70LM/W,价格经济。
2、缺点：节能灯照射的距离短，照度不能满足。节能灯普遍光衰10-20%,节能灯寿命在8000小时左右，后期维护费用高。
二、路灯节电柜
该节能设备主要通过降低线路整体电压，实现节能的目的。
1、优点：安装简单，在箱变后根据功率负载大小及线路实际情况量身定做，此种投资比较经济，节能比例在20-30%之间。
2、缺点：受线路实际电压的影响，节能效果不显著且不稳定，如果线路环境电压只有210V,那么节能空间就非常小，并且末端的路灯可能处于半亮或不亮的状态。如果箱变前端的线路电压过高，会导致前端部分路灯烧毁。这样对光源的危害会很大，维护成本会很高，出现“节电不节钱，治标不治本”的现象。在此过程中，由于降低电压，照度亦会作出相应的“牺牲”.
三、大功率LED路灯
大功率LED路灯通过一种半导体发光材料，实现高效节能、环保、高显色性、长寿命的目的。
1、优点：其一，LED作为点光源，如果设计合理，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题；其二，对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费；其三，色温可选，这样在不同场合的应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径；其
四，技术进步空间依然很大。
2、缺点：其一，LED路灯模块化的可靠性仍需加强，由于驱动电路等原因也会造成LED路灯的失效。其二，无论是单点还是多点光源的LED路灯都存在着散热难的问题。由于散热问题不易解决，光衰会较大，5000小时发光效率会下降到30%.如果想用加大电压电流的方法提高光效，很容易造成LED芯片损毁。其三，穿透能力差。其四，LED路灯射程短，因此LED路灯还需要进一步加强如何在较高高度下工作的研究。其五，LED路灯造价较高，不利于推广普及。虽然目前初步解决了LED路灯的散热问题，但是过高的价格和过重的灯头仍然会阻碍LED路灯的普及。
四、高低频无极灯
该光源是通过电磁感应（无灯丝、无电极）方式触发灯内壁的三基色荧光粉发光进而达到高光效、高节能比例、环保无污染、长寿命的目的。
优点：高功率因素、长寿命、宽工作电压、高显色指数、高节能比例。
缺点：其一，光效高频为55-63LM/W,低频80LM/W,光效有待提高。其二，功率上不去，高频最高规格为165W,低频210W,在路灯替换领域照度不是太理想，射程短，穿透能力差。其三，散热问题是限制大功率无极灯的瓶颈，主要体现在泡体散热及配套灯具的散热上面。其四，行业内技术的稳定性、元器件的一致性，批次量产优质的高频无极灯达标的合格率平均为90%,优质的低频无极灯为95%.
五、智能单灯节电器
据调查，各地城市道路照明每天的平均时间为11.5小时，其中，晚上22点后，道路上车少人稀，即便是繁华街道，午夜24点至清晨6点，也罕见行人和车辆。毫无疑问，在低交通流量的道路上仍然保持原照明的亮度，不能按需调控照明亮度，显然是白白地耗费能源和费用。从光源来看，现有的路灯大多使用的是高压钠灯，其设计寿命虽为20000小时（4~5年），但由于电压波动影响，实际使用寿命远达不到此数，而我国许多地区的电网波动严重，有些地区甚至超过额定电压的15%,特别在后半夜，由于电负荷减少使得电网电压有时接近237V-245V,致使路灯灯泡的实际使用寿命大大缩短，一般为1~1.5年。更换灯具的劳动工作量大，而且容易发生危险和工伤事故，造成维护费用居高不下。因此，在节能方式上采用深夜关闭部分路灯的办法，既不科学也不全面。当今国际上流行的节能方式是采用智能调控技术，这不同于国内目前一般的可控硅斩波和自耦降压的技术。
它充分考虑城市道路照明的实际状况，依据人体工程学中的视觉理论，采用现代控制论中的最优控制方法，实现对路灯电流及照度的动态智能化管理，即TPO管理（TIME时间/PLACE地点/OCCASION场合）。此项技术的基本思路就是：在繁忙的时段，控制路灯保持原设计的照度；接近午夜时分，道路上人少车稀时，开始自动调整电流，通过对用电电流的智能控制，减少后半夜因城市整体的用电减少所引起的电网电压的升高。
上述各种节能技术均具备优势和劣势，技术条件和投资成本均存在较大差异。
第二部分 降压节能原理及可行性
由于气体放电灯消耗的功率是和它的输入电压有关的，以高压钠灯为例（见下图），当电压降低10%时，电流降低10%,而此时功率降低达25%,光通量则降低30%.由于在道路照明设计时应考虑到正常的照度需要，所以不应以降低照度来节约能源。但考虑到在后半夜车辆人流都大为减少，此时供电电压由于用电负荷减少而升高，所以此时采用降低供电电压而适当降低光源的光通量也是可行的。
改革开放以来，我国的发电设备不断竣工并网发电，输配电网经过升压改造，使原来电网末端电压偏低的现象得到改善，但如此带来电网的电压普遍偏高，特别是晚间电压更高，普遍接近240伏，此时用电设备在高于设备额定电压状态下运行，将会导致设备过度发热，缩短寿命。因为电气设备在高于额定电压和电流状态下运行时，铁芯损耗与总的电压的平方成正比，铜损则与电流的平方成正比，所以形成了较大的能源浪费，而且会降低设备的平均使用寿命。
通过调整供电电压，降低不必要的损耗，不仅可以达到节电的目的，同时，还能保护终端设备，延长设备的平均使用寿命。
提高道路照明效率的方法有多种，如采用高效率光源、灯具等，目前在道路照明中大量采用了高效率的高压钠灯照明，灯具的效率也在不断提高，以下我们只讨论路灯降压节电的方法及其影响因素。
目前在供电电源端节能的方式主要有两种，一是采用半夜灯，二是采用调压的方式。
半夜灯是通过在下半夜关掉一部分路灯的方法来达到节能，它具有简单易行的特点，缺点是使得道路照明不均匀，且无法解决下半夜电压高而影响光源寿命的问题。
通过降低供电电压的方法不但可以节能，还可延长光源的寿命，是一种较好的节能方式，目前在国内已有地方在进行试运行。
第三部分 降压节能的基本方式和比较
对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类。
一、可控硅斩波型照明节能装置
原理：采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到降压节电的目的。
这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。
但该调压方式存在一致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数。在国外发达国家和国内北京、上海、广州等大城市，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。
大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。
二、自耦降压式调控装置
自耦变压器与普通变压器的区别在于，自耦变压器的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，所以，在输出电压调节范围不大时它的容量比较小，消耗的材料小，造价低，效率高，这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。目前应用的有两种方式，即固定抽头方式和连续调节方式。
存在的技术缺陷：
1） 固定多档自耦降压器
由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别降5V、10V、15V、20V,一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而用电高峰电网电压低时，可能出现欠压现象，造成光源无法正常点亮，反而降低光源寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。
这类调控装置为了能做到对电压的调节一般都用交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。由于接触器是在电路的主回路中进行切换，所以，切换的电流是很大的，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下：
交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。
交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10~20ms的断电，我们称之为“闪断”,这样的断电会导致HID灯（High Intensity Discharged Lamp-高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等）熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5~10min左右，在使用中，这将是个严重故障。
根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。
2）连续调节自耦型降压器
它可通过电刷在线圈的表面平滑移动或滚动，改变线圈的变比而调节输出电压。优点是可实现无级平滑调节，调节精度高，但由于电刷调节回路是串在主回路中，因此承受的电流大，电刷接触不良，会产生火花，引起触点磨损。
三、智能照明节电器
从前两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅（相控）型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。
智能照明调控装置工作原理，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。
智能照明调控装置在结合前两类节能产品的优点的基础上，克服了其中存在的缺陷，能优化电力质量，节约照明用电，具体优点体现在以下四个方面：
稳定最佳工作电压，针对电网电压偏高和波动等现象，调控装置可根据用户现场实际需求，实时在线调控输出最佳照明工作电压，并能将其稳定在±2%以内，有效提高电力质量，从而达到节电10%~40%的效果。
多时段节能运行，根据用户实际的照明需求，调控装置还可通过程序进行多时段节能电压设置，从而满足用户不同光源、不同时间的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。
实时稳压、降压，在电压波动很大的地方，如路灯后半夜的供电电压达到250V时，智能调控装置能高稳定地达到最佳照明电压，延长电光源寿命2~4倍，减少照明运行、维护成本30%~50%.
为了满足不同用户对照明灯具控制的需要，智能调控装置可按现场实际情况，通过天文钟、智能探头或内部编程、远程计算机遥控，实现时控、光控、程控等多种智能化控制。并可根据不同时段、不同灯具、不同亮度要求，每相独立调节，允许100%不平衡。
这类照明节电产品成本略高于前两种，可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能，使用的经济性和可靠性远远好于前两种产品，是目前比较成熟的照明控制解决方案。
第四部分 降压节能技术的发展和解决问题
路灯降压节能发展和应用还有很多工作要做：
需要通过实验验证光源输出光通量和输入电压的关系：理论上讲，负载的功率和它的输入电压是成平方关系的，即输入电压降低百分之十，负载消耗的功率降低百分之二十，此时光通量也应降低百分之二十，但现有的节能产品则认为气体放电灯不同于白炽灯，电压降低百分之十，光输出只降低7-10%,这需要通过试验来验证。
需要通过实验验证光源在道路上的照度和输入电压的关系：光源在输入电压降低时对启动时的影响以及和寿命的关系，启动时降低电压是不是有利需要研究，气体放电灯在电压降低时寿命是不是能够延长，有资料说降电压对寿命没有影响，现在还没有数据证明。
研究调节光源输入电压的方法和调节电源的效率，目前的节能产品形式较多，有有触点的、无触点的，有有级调压和无级调压，调压的精度取多少合适，须通过研究试验选取比较适合路灯运行的方式。
城市公共照明节能工作是一项艰巨的工作，尤其在科学发展城市公共照明的前提下，各项节能技术快速发展、新能源积极应用，通过技术创新和科技革新，大力研究发展城市公共照明节能工作具有重要的战略意义。
