校园环境自适应式节能路灯的与设计

摘 要:常规能源紧缺是影响全世界的一个重大问题,各国都在积极开发节能降耗的新技术新方法.照明是我国“十一五”期间十大重点节能工程之一,先进节能照明技术开发与利用对我国节能降耗具有重要意义,校园环境自适应式节能路灯,是一种具有自主知识产权的新型的节能路灯,这种路灯可以在不影响行人与车辆安全、方便的前提下实现节能目的.

关 键 词:自适应;节能;路灯

中图分类号:TU96.4文献标识码:A文章编号:1009-8631(2012)04-0111-03

1引言

常规能源紧缺是影响全世界的一个重大问题,各国都在积极开发节能降耗的新技术新方法.我国是资源总量上的大国,人均资源上的贫国,节约资源已经成为一项基本国策,是我国经济和社会可持续发展的重要保障.五年前,节能减排作为约束性指标首次写入“十一五”规划纲要.五年后,温家宝总理提出,“十二五”期间,要打好节能减排攻坚战和持久战等[1]刊首语.据有关资料显示,2009年我国照明用电1500亿度(占总发电量10%),约相当长江三峡电站年发电量的2倍,缺电和照明落后成为制约经济发展的瓶颈;城市路灯照明在我国照明耗电中占30%,城市照明技术落后,电能的使用效率不足70%.为此,照明节电问题被列为除动力节电以外的另一重大节电项目.“十一五”规划中,将城市绿色照明工程列入十大重点节能工程之一[2]p86.“十一五”期间,我国城市照明发展很快,但是目前大部分使用常规灯具照明,灯具一般不具备功率切换功能的传统的路灯,这种路灯要么是全功率开启,要么是完全熄灭.这样在行人和车辆稀少的后半夜整个城区的路灯全部开启不能不说是一种浪费,可是如果全部熄灭又会给行人和车辆带来不便甚至还可能诱发治安案件发生.本文所述的校园“环境自适应式节能路灯”[3],是一种具有自主知识产权的新型的人性化的智能节能路灯,这种路灯可以根据路灯照明服务区的人员及车辆活动情况自动切换到不同的照明功率,即不影响行人与车辆安全与方便的要求又达到节能和延长路灯使用寿命的目的,这种路灯适合于城镇街道照明尤其适合规模较大的学校工矿企业区域内道路照明.下面对校园“环境自适应式节能路灯”的设计思路和工作原理进行简要说明,以期能够给相关人士带来一点启示.

2校园“环境自适应式节能路灯”的背景技术

节能减排是国家的一项基本国策,学生是未来的希望、民族的明天,他们在思想上能否与现代社会同步,能否树立起鲜明的节能环保低碳的意识,从长远讲对于社会发展、国家进步、民族振兴都是举足轻重的.为此校园节能的意义就尤显重要了,为此本人在此前开发了两项直接应用于校园的专利技术“室内照明设备开关智能控制器”[4],“环境自适应式教室照明设备节能控制器”[5],并且撰写了文章[6]对其设计和工作原理进行了介绍,但前面两项技术只适用于室内并不适合露天场所使用,但在许多公共场所,如机关、厂矿、学校等为了安全和过往行人、车辆的方便一般整个夜间都要求有路灯照明,但在这些较大场所的某些区域可能整个夜间都无行人或车辆经过,但路灯仍然要和其它行人和车辆较多的区域一样全功率工作,这种情况造成了不必要的资源浪费.当然目前已经出现大量采用时控技术的路灯,这种时控路灯可以灵活设定自动开启各关闭的时间,可以设定在行人或车辆活动较多的时段开启,在行人和车辆活动较少的时段关闭.但这种路灯在非照明时段全部关闭,无任何照明服务,即使偶尔有大量的行人或车辆进入照明服务区,这些路灯也不能自动开启,照明服务区内仍然保持漆黑一片的状态,这种情况给在非照明时段活动的人和车辆带来很大不便甚至还可能诱发治安案件.

本文所述的校园“环境自适应式节能路灯”是一种采用专利技术的新型路灯,这种路灯可以根据路灯照明服务区域内的自然照明情况、行人和车辆活动所产生的噪声情况自动切换照明强度,即不影响行人与车辆安全方便的要求又达到节能节约的目的.

3校园“环境自适应式节能路灯”的研究与设计

3.1校园“环境自适应式节能路灯”的设计需求分析及设计思路

校园“环境自适应式节能路灯”应该具备以下几个特点:第一,可以根据照明服务区内自然照明的情况自动控制市电电源的通断,即应该具备天亮关,天黑开的功能,这种功能是目前许多路灯都可能实现的功能;第二,这种路灯可能根据服务区内的噪声情况(行人或车辆通过或活动时产生的声音)自动切换到不同照明功率状态,这是目前大多数和路灯所不具备的功能;第三,由于要求这种路灯具有根据服务区内的噪声情况(行人或车辆通过或活动时产生的声音)自动切换到不同照明功率状态的功能,而在实现这一功能的同时可能造成另外一种负面现象,即由于路灯照明服务区内噪声情况的频繁变化可能会造成路灯频繁功率切换,即造成路灯忽明忽暗的眨眼现象.因此在设计这种“环境自适应式节能路灯”时必须杜绝这种情况出现.

根据以上功能要求分析,本设计中将环境状况监测控制技术(本实施例中主要采用亮度和噪声监测控制技术)和延时控制技术结合起来设计了这款可以根据环境光亮度和环境噪声强度自动切换照明功率的校园“环境自适应式节能路灯”,这种路灯可以在基本不影响正常的照明需要的前提下大幅度节约电能,并且还可以通过亮度切换频率和状态为保安人员提供一些照明服务区内的环境信息,这种路灯适合城镇街道或工矿院校照明使用,尤其适合有寒暑假期人员活动状况变化较大的学校使用.

3.2校园“环境自适应式节能路灯”具体实现方式

下面结合附图及具体实施例对校园“环境自适应式节能路灯”具体实现方式作进一步详细说明.

图1为校园“环境自适应式节能路灯”实施例的电路图、图2为校园“环境自适应式节能路灯”实施例的电源模块内部电路图、图3为校园“环境自适应式节能路灯”实施例的环境光检测模块的内部电路图、图4为校园“环境自适应式节能路灯”实施例的环境噪声检测模块内部电路图、图5为校园“环境自适应式节能路灯”实施例的延时修正固化模块的内部电路图.如图1所示,本实施例主要由四个固化模块及少量电子元件组成,四个固化模块分别为电源模块(CM1)、环境光检测模块(CM2)、环境噪声检测模块(CM3)和延时修正模块(CM4).如图1所示,电源模块(CM1)的输入端(A1、A2)直接连接在220V市电电源上,次级输出端(P1、P2)连接下级模块直流电源输入端.C为跨接在延时修正模块(CM4)的延时调整端(X5、X6)脚之间的延时调节电容器,通过调整电容器(C)的容量可以调整每次触发后大功率路灯的开启维持时间,本实施例中选用容量为33uF电容器时开启维持时间约为20分钟.环境光检测模块(CM2)的继电器控制输出端(U3)和(U4)串接在环境噪声检测模块(CM3)的供电端(N1)与电源模块(CM1)的直流电源输出端(P1)之间,同时,环境光检测模块(CM2)的继电器控制输出端(U3)和(U4)还串接在延时修正模块(CM4)的供电端(X3)与电源模块(CM1)的直流电源输出端(P1)之间,(CM3)和(CM4)的负极(N2)和(X1)直接连接在(CM1)的电源输出负端(P2)上.这样当环境光的亮度超过路灯开启的亮度时环境光检测模块(CM2)的继电器于释放状态,其输出端触点(U3)和(U4)断开,致使(CM3)和(CM4)的电源输入端与(CM1)的电源输出端断开,两个模块(CM3)和(CM4)无电源供应而停止工作,路灯处于断电熄灭状态.路灯开启的环境亮度值可通过改变串接在环境光检测模块(CM2)的(U6、U6)脚的电位器(RP)(470K-10M)来改变.图1中继电器(J)为整体输出控制继电器,该继电器的控制线圈接在延时修正模块(CM4)的(X2、X3)脚 上,直接受(CM4)的控制,其动触点(G1)接在220V市火线端(A1)上,固定触点(G2)经过大功率路灯(L1)连接在市电零线端(P2)上,另一固定触点(G3)经小功率路灯(L2)连接在市电零线端(P2)上.当(CM4)的(X2、X3)端有输出时,继电器(J)吸合,其(G1、G2)脚导通,大功率路灯(L1)点亮,与此同时继电器(J)的动触点(G1)与(G3)断开,小功率路灯(L2)熄灭,并在延时时间内维持于此状态,在延时时间范围内如果环境中的噪声再次触发噪声检测模块动作,则延时模块再次接收到一个延时指令会自动进入下一个延时周期保持大功率路灯的延时工作状态;当环境噪声低于设定值时继电器(J1)释放(N3、N4)断开,延时模块无触发信号输入,当延时时间范围内仍无触发信号输入时延时模块控制的继电器(J)释放,其动触点(G1)与(G3)接通,小功率路灯(L2)点亮,与此同时继电器(J)的动触点(G1)与(G2)断开大功率路灯(L1)熄灭,并在无触发信号期间内维持于此状态.这样路灯的工作状态直接受继电器(J)的吸合与释放状态控制,间接受(CM4)的工作状态控制,也就间接受(CM2)、(CM3)及(CM4)的组合工作状态控制,最终受环境光情况和照明服务区域内人员及车辆等的活动情况的控制.图中电位器(RP)选用470K-10M/功率1/2W小型电位器,继电器(J)选用控制线圈电压为DC12V,负载电压为220V,电流2A三触点继电器,本例中选用的是JQX13F,电容器(C)选用耐压250V以上电解电容,本例中选用的是250V/33uF电解电容.

如图2所示,CM1是一个由220/12V小功率(约3W)交流变压器(T1)和一个整流电桥(Q1)及滤波元件(C1)组成的DC12电源模块,其作用是为下级各模块提供12V直流电源.电源模块(CM1)的输入端(A1、A2)直接连接在220V市电电源上,次输出端(P1、P2)连接下级模块直流电源输入端.(CM1)模块中,电源变压器(T1)选用输入端为220V输出端为12V约为3W的小型变压器,电容器(C1)为1000uF电解电容,整流电桥(Q1)为由IN4001组成的整流电桥.

如图3所示,(CM2)是一个由光敏电阻及可控硅等组成的环境光检测模块,当环境光照明达到一定值时其输出继电器(J1)释放其触点(U3、U4)断开,下级电路中模块(CM3)和(CM4)的供电部分与电源断开并停止工作.当环境光照明低于设定值时其输出继电器(J1)吸合其触点(U3、U4)接通,下级电路中模块(CM3)和(CM4)的供电部分与电源导通并处于工作状态,该模块启动的亮度值可通过其(U5、U6)脚外接的电位器(RP)来调节.图中(RG1)为光敏电阻,可选用亮阻为几十千欧,暗阻为几兆欧的类型,本例中选用的是MG45-12;继电器(J1)可选用控制电压为DC12V两触点的小型继电器,1、2脚为继电器控制线圈接线脚,(U3、U4)为继电器触点;二极管(Q1)可选用1N4004;可控硅(VS1)为单向可控硅,本例中选用的是MCR100-8型.图中(U1)为整个模块的电源零线输入端,(U2)为此模块的电源火线端,(U5)和(U6)接调节电位器(RP:5M-470M),用来调节启动亮度值.

如图4所示,(CM3)模块以NE555为核心的声控模块,该电路由声音检测电路和单稳触发电路组成,执行元件为继电器.图中BM为高灵敏度驻极体话筒,三极管(Q1)完成输入音频信号的放大,当环境噪声达到设定值时(该值可通过调整RP1设定)触发NE555进而使继电器(J1)吸合(N3)、(N4)导通并控制下级延修正模块处于延时导通状态,受延时模块控制的继电器(J)吸合,其(G1、G2)脚导通,大功率路灯(L1)点亮,与此同时(J)的动触点(G1)与(G3)断开小功率路灯(L2)熄灭,并在延时时间内维持于此状态,在延时时间范围内如果环境中的噪声再次触发噪声检测模块动作,则延时模块再次接收到一个延时指令会自动进入下一个延时周期保持大功率路灯的延时工作状态;当环境噪声低于设定值时继电器(J1)释放(N3、N4)断开,延时模块无触发信号输入,当延时时间范围内仍无触发信号输入时延时模块控制的继电器J释放,其动触点(G1)与(G3)接通,小功率路灯(L2)点亮,与此同时继电器(J)的动触点(G1)与(G2)断开大功率路灯(L1)熄灭,并在无触发信号期间内维持于此状态.此模块中电阻器(R1)选用10K、电阻器(R2)选用1M碳膜电阻、电阻器(R3)选用10K碳膜电阻、电阻器(R4)选用500K碳膜电阻、电阻器(R5)选用3碳膜电阻K、电阻器(R6)选用10K/1/8W碳膜电阻,电容器(C1)选用100uF电解电容/250V,电容器(C2)选用0.1uF无级性电容、电容器(C3)选用100uF/250V电解电容、三极管(Q1)选用9014、三极管(Q2)选用9014,其它无特殊要求.如图5所示,(CM4)为延时修正模块,通过调整其(X5)与(X6)脚外接延时电容(C)的容量可调节路灯由高功率转为低功率的最短周期以防止路灯因照明服务区域内噪声变化频繁而频繁切换,本实施例中选用容量为33uF/250V时其最短切换周期约为20分钟.图中电阻器(R1)为1/4W/1M碳膜电阻,该电阻的阻值与(X5、X6)端接所接的电容共同控制延时时间.三极管(Q1)可选用2SC1815,三极管(Q2)可选用9013,整流二极管(Q3)可选用1N4001.该模块的X3、X4脚接(CM3)的N3、N4脚,X2、X3脚接继电器(J)的控制线圈,V1接电源模块(CM1)的直流输出负端(P2).

4小结

这种校园“环境自适应式节能路灯”可以根据周围环境的亮度和噪声情况自动切换到不同功率状态,这样当行人或车辆较多时可以始终保持较高功率路灯工作以满足照明需要.在夜深人静时当行人和过往车辆稀少时自动切换为较小功率的路灯工作,这样即达到节能节约的目的又不会造成整个区域漆黑一片的状况,当偶尔有行人、车辆或其它原因导致路灯照明服务区域出现较大的声音时路灯又会迅速切换为较大功率状态,这样对于行人很方便又可以对图谋不轨者产生一定的震慑作用,同时不同灯光间的切换也可为保安人员提供一定的环境治安信息,在不影响正常照明服务的前提下实现节能目的.根据初步测算,如一盏功率为250W的路灯,按每天19时开启,6时关闭计算,常规路灯每天消耗电量约为2.75KWH,如采用这种校园“环境自适应式节能路灯”,并设定每天19时开启,6时关闭,并且在每天22时前强制于高功率(250W)照明状态,22时之后处于自动控制状态(小功率照明设定为60W),则每天的功率消耗约为1.6KWH,每天每盏灯节约电量约为1.1KWH按一座中小城市(路灯总量按40000盏计算),如采用这种“环境自适应式节能路灯”替换50﹪普通路灯,则每年可节约电量22000KWH.其节电效果可见一斑.另外推广使用这种新型路灯在节能降耗的同时还可以在社会上营造出一种节能、节约的氛围,对加快建设资源节约型、环境友好型社会,促进我国经济社会可持续发展具有巨大而深远的影响.

注:

1.本文中所涉及的“环境自适应式节能路灯”已申请两项国家专利,其中一已获实用新型专利授权(专利号:CN201781655U),另一项发明专利已经受理并初步审查和格(专利申请号:201010115258.8,发明专利申请初步审查合格通知书发文号:2010041600408270).

2.本文为广西千亿元重大科技攻关工程项目:可再生能源开发利用关键技术攻关项目课题之一,课题名称:《功率-环境自适应式太阳能路灯的研究与开发》(课题编号:2011(A2)8022)的阶段性成果.

3.本文为贺州市2010科学研究与技术开发计划项目(课题):《风光互补型型LED节能路灯技术研究与示范》(课题编号:贺科转1012005G)的阶段性成果.

专利:CN102196615A,2011-09-21.

[6]柳延东.室内照明设备开关智能控制器的研究与设计[J].广西民族师范学院学报,2010,6.

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