隧道太陽能照明與控制系統(tǒng)設計

1、.隧道太陽能照明及控制系統(tǒng)設計摘 要我國西部山區(qū)公路隧道集中區(qū)遠離城市，傳統(tǒng)交流供電方式的成本高、難維護、難檢修等問題十分突出。結(jié)合國家節(jié)能減排，大力發(fā)展新能源的號召，本課題中設計了一套基于單片機、光伏電源和大功率照明 LED的直流照明系統(tǒng)。本設計選取了適當?shù)南到y(tǒng)組件，分析并詳細計算了各組件的參數(shù)要求。這樣，在節(jié)省成本的同時還具有環(huán)保性能好、照明質(zhì)量高得的特點。關(guān)鍵詞：公路隧道，太陽能，LED照明.Tunnel lighting and control system design.0.1 引言1.1 課題背景由于我國山地眾多，幅員遼闊，為了縮短公路里程，提高運輸效益，節(jié)省用地和保持生態(tài)環(huán)境，公

2、路建設中越來越重視隧道建設。公路隧道具有其功能特殊性， 確定了其建設復雜性。照明系統(tǒng)是隧道機電工程中最重要的設施之一， 也是整個隧道機電工程總投資最大的一個系統(tǒng)。公路隧道照明，不論白天還是夜間都很重要，并且白天照明問題比夜間更復雜。為了滿足公路隧道運行要求 ，隧道燈具應適應公路隧道使用特點，節(jié)約能源， 提高照明效果，保證行車安全性、舒適性，能有效地進行營運管理。隨著我國公路建設的快速延伸，地形復雜、人口稀少地區(qū)電力資源貧乏，電力成本巨大的問題日益突出，尤其是公路隧道照明系統(tǒng)的供電問題更趨嚴重。依據(jù)國家規(guī) 400 米以上的公路隧道需設照明設施，因此開發(fā)一種既可降低工程造價，又能降低運營管理成本的

3、適應此發(fā)展需求的公路隧道太陽能照明系統(tǒng)就已十分迫切。為了能夠利用豐富太陽能資源及有效的太陽能技術(shù)，為西部及邊遠地區(qū)公路隧道提供一種有效的照明及供電手段，保障公路隧道運營安全，提高公路隧道交通安全可靠性和有效性，本課題研究的主要目的是設計制造能耗低而適宜公路隧道的照明系統(tǒng)及研究與其匹配的太陽能供電系統(tǒng)。Led 照明技術(shù)具有能效高、壽命長、綠色環(huán)保的特點，在實用性、可靠性、經(jīng)濟性和相關(guān)技術(shù)標準上存在問題也逐步得到解決，系統(tǒng)地用于環(huán)境節(jié)能、模式節(jié)能和控制節(jié)能中，逐步顯示出優(yōu)勢。理論分析和對比試驗表明，LED 燈能耗較高壓鈉燈降低一半以上。這些為山區(qū)高速公路隧道大圍使用 LED照明技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。

4、1.2 國外技術(shù)現(xiàn)狀.公路隧道照明研究現(xiàn)狀我國公路隧道照明燈具研制起步較晚，基礎較差，特別是針對隧道照明燈具要求和特性方面的深入研究極其缺乏，設計、制造的燈具與國外存在較大差距。近年來，雖然復旦大學、燈具研究所、交通科研、交通規(guī)劃等少數(shù)單位擁有研究條件和一定試驗設備， 重視隧道燈具研究外，大部分燈具廠家沒有公路隧道燈具研究條件和試驗設備，自主開發(fā)隧道燈具能力差。國隧道燈具廠多為小廠或主要從事其他領域照明器材生產(chǎn)，技術(shù)、工藝和裝備落后，生產(chǎn)分散，專業(yè)化水平低， 效益不高。2004年交通部提出了公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究并在西部發(fā)展科技項目中立項，要求國企業(yè)研究以降低照明系統(tǒng)功耗為支撐，滿足太陽能

5、供電需求的基礎上改進燈具。公路隧道燈具的開發(fā)方面缺乏足夠認識和必要投入，與國外照明電器工業(yè)生產(chǎn)集中度相比， 遠未達到應有的經(jīng)濟規(guī)模；另一方面國使用的隧道燈具大多存在光帶窄， 配光質(zhì)量不夠，能耗高，質(zhì)量穩(wěn)定性差，壽命短，檔次不高的問題， 直接導致公路隧道照明效果不佳，不能滿足公路隧道照明要求，嚴重影響行車安全性。隧道照明的光源應滿足隧道特定環(huán)境下的光效、光通量、壽命、光色和顯色性要求；同時還能保證在汽車排放形成的煙霧中有良好的能見度。隧道照明的效果必須依靠可靠的光源來實現(xiàn)。公路隧道一旦投入使用，正常狀態(tài)下照明系統(tǒng)幾乎處于長期點亮狀態(tài)，因此選擇一種適宜的光源, 是隧道照明的重要環(huán)節(jié)。公路隧道照明通

6、常依據(jù)現(xiàn)行規(guī)把隧道分為入口段、過渡段、中間段和出口段設計，其中過渡段有兩個，分別設計在中間段前后。各段的長度和照度從全年行車安全要求出發(fā)，對洞最大照度的設計是以全年洞外最大亮度和最高行車時速來確定隧道各段的燈具功率和燈具分布密度。實現(xiàn)照明自動控制的也是非常有限的控制，通常因線路布線回路的限制，只能做到 23 級人工或自動控制，對于如天氣、車速、車流量等參數(shù)只是在設計階段給予以最大值考慮，最終各段照明的長度和照度也始終是處于最大值狀態(tài)。對于天氣、車速、車流量等時變參數(shù)無法從宏觀上對整個隧道的照明系統(tǒng)進行自適應方式的調(diào)節(jié)控制。因此，從這一點上講，目前這種傳統(tǒng)設計與使用的隧道照明系統(tǒng)存在著大量電能的

7、浪費問題。照明現(xiàn)狀（1） 國外研究現(xiàn)狀近年來，隨著國外 LED技術(shù)研究水平的不斷提高，相關(guān)照明研究也逐步深入。在 LED技術(shù)研究方面，由于國外政府在節(jié)能環(huán)保的巨大壓力下，采取相關(guān)政策鼓勵和推廣 LED照明產(chǎn)品應用。美、日、歐盟等發(fā)達國家皆由政府成立專項，編列預算與計劃推行：日本的“21 世紀光照明”計劃從 1998年2002年，耗費 50億日元推行半導體照明； 美國的“國家半導體照明計劃”從 2000年2010年，投資 5 億美元；歐盟的“彩虹計劃”，在 2000年 7 月啟動，通過歐共體資助推廣應用白光 LED。而對LED相關(guān)產(chǎn)品，奧地利照明設計公司采用14000只白光和彩色LED混合照明整

8、個房間，.光照水平達到600700Lux，足夠一普通辦公室照明。用計算機計算白光、藍光、藍綠光、琥珀和紅光二極管混合效果，以獲得25003000K暖色溫，其顯色指數(shù)非常接近最好的熒光燈。2005年，美國、日本、歐洲八大集團公司共同組成的固態(tài)照明系統(tǒng)及科技聯(lián)盟ASSIST制定了“普通照明用LED壽命”技術(shù)標準，規(guī)定了普通LED壽命的定義、器件和系統(tǒng)測量方法。2005年 12 月日本出臺改善與提高能源使用的促進稅法，明確規(guī)定企業(yè)或機構(gòu)使用 LED照明取代白熾燈照明，可獲得投資額 130%超額折舊，或者是投資額 7%的稅率減免。歐盟 2006年 7 月開始實施 ROHS法案（全稱是在電子電氣設備中禁

9、止使用某些有害物質(zhì)指令），限制含汞的熒光燈管的使用；美國加州立法者提議到 2012年實行白熾燈禁止令；2007年 2 月澳大利亞政府宣布將逐步淘汰白熾燈。（2）國研究現(xiàn)狀國 LED僅處于照明應用的初級階段，為使 LED真正進入照明領域，產(chǎn)業(yè)界還要做很多工作。目前在國家“863”計劃新材料領域資助下，LED產(chǎn)業(yè)取得了重大的進展，氮化鎵基半導體材料和器件實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。一些科研院所，如中國科學院物理所和光機與物理所、大學、有色金屬研究院、十三所等單位也相繼開展了這方面的研究工作。目前已取得了可喜的進步，正在縮短與國際先進水平的差距。當前市場上的白光 LED大都是國 LED廠家采用進口芯片和熒光粉自行封

10、裝的。由于技術(shù)力量和自主開發(fā)能力薄弱，藍光芯片的選用和白光 LED的性能受到一定限制和影響。由于技術(shù)、工藝、生產(chǎn)成本等因素的影響，目前應用最多的是光轉(zhuǎn)換型，其次是多色組合型。以發(fā)展的眼光來看，多量子阱型和“光子再循環(huán)”當是未來的發(fā)展趨勢。但由于技術(shù)限制，生長不同結(jié)構(gòu)的量子阱相對困難得多，在短時間還不能產(chǎn)業(yè)化。在我國 LED 起步于二十世紀七十年代，至今已三十多年。全國約有 100 多家企業(yè)，其中 95%廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部來自地區(qū)或從國外進口。通過幾個“五年計劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進國外先進設備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國 LED 的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進了一步。我國地區(qū)是世界

11、 LED 及管芯的主要產(chǎn)地，年產(chǎn) LED 約 40 億只，產(chǎn)品品種規(guī)格齊全，性能達到或接近世界先進水平，所生產(chǎn)的管芯也大量出口日本等國。目前，一方面我國是照明燈具產(chǎn)業(yè)的大國，對于半導體 LED產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)多年發(fā)展已相對完善，具備了一定基礎，另一方面政府和業(yè)界適當協(xié)調(diào)，發(fā)展半導體 LED照明事業(yè)大有可為。光伏發(fā)電研究現(xiàn)狀我國光伏供電系統(tǒng)研究主要包括太陽能電池、逆變器、控制器等相關(guān)開發(fā)。近年來，太陽能電池研究主要集中于太陽能電池用材料研究和國產(chǎn)化，其研究機構(gòu)主要在大學和研究所，如市太陽能研究所、信息產(chǎn)業(yè)部第 18研究所、811 研究所、中科院半導體所、交通大學、大學等等。.自 2005 年以后，光伏產(chǎn)

12、業(yè)快速發(fā)展，質(zhì)量和產(chǎn)量提高迅速，2008 年光伏組件產(chǎn)量已居世界第一，隨著硅材料解決和薄膜太陽電池的發(fā)展，價格迅速下降，為大規(guī)模應用創(chuàng)造了有利條件。國企業(yè)研究和開發(fā)能力迅速增強，已有多家單獨或以產(chǎn)學研結(jié)合方式建立了研發(fā)中心1 。太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個重要組成部分，其封裝用材料 EVA膜及 PVF復合膜等的改性、絲網(wǎng)印刷用漿料國產(chǎn)化等研制已經(jīng)開展。隨著太陽能電池的逐步成熟，與之配套的儲能產(chǎn)品- 蓄電池的研發(fā)也漸漸引起重視。由于國目前很少開展這方面工作，導致了太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)專用蓄電池存在一定問題，尚須進一步研制開發(fā)。光伏供電系統(tǒng)建立后，控制器好壞將影響系統(tǒng)功效發(fā)揮是否充分，尤其國與國

13、際的技術(shù)水平在小型戶用電源控制器上尚有一定差距，主要原因并非技術(shù)能力，而是戶用電源集成商迫于市場競爭的壓力，不肯選用高檔控制器。如上可知，我國光伏供電系統(tǒng)尚需不斷改進，以提高普及應用能力，滿足無供電條件或條件不好時照明系統(tǒng)應用。在此背景下，國家科技部通過國家科技攻關(guān)計劃、863 計劃、973計劃等支持較大的光伏研究課題，以支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。.2 隧道照明設計課題“隧道太陽能照明及控制系統(tǒng)設計”需要一個具體的“對象隧道”才能進行詳細的研究和計算。所以本課題假定“對象隧道”設置在地區(qū)，為雙車道單向交通，車流量：700N2400輛/h ，全長 1000m，隧道寬 8m，高 12m。燈具安裝高度 5.

14、3m，設計速度為 60km/h。依照公路隧道通風照明設計規(guī)，隧道照明系統(tǒng)包括：（1） 入口段照明；（2） 過渡段照明；（3） 中間段照明；（4） 出口段照明；（5） 接近段減光設施；.（6） 洞外引道照明；（7） 應急照明。隧道照明系統(tǒng)的各照明段如圖所示圖 2-1 個照明段亮度與長度P洞口； S接近段起點； A適應點； d適應距離； L20（S）洞外亮度； L20（A）適應點亮度； Lth 入口段亮度； Lth1 、Lth2 、Lth3 過渡段亮度； Lin 中間段亮度； Dtr1 、 Dtr2 、Dtr3 過渡段 1、2、3 分段長度2.1 入口段照明隧道照明不同于普通的道路照明，隧道一旦建

15、成通車，就需要 24 小時的照明，而且白天的照明遠比夜間的復雜。白天，當人從光線較強的地方進入到光線很暗的地方時，人的眼睛需要一段時間來適應，這段時間人們很難看清楚黑暗中的物體，這被稱為“黑洞效應”。白天司機從隧道外駕車進入隧道部時也是如此，若不增加照明設施，很容易釀成交通事故。為消除或削弱“黑洞效應”帶來的影響，隧道入口段的照明亮度在白天應當根據(jù)隧道外的亮度適當加強。入口段亮度計算公式：Lth=k*L20（S）式中 Lth 入口段亮度（cd/m2）；.k 入口段亮度折減系數(shù)，可按表 2-1 取值；L20洞外亮度（cd/m2）表 2-1-1 入口段亮度折減系數(shù)洞外亮度需要進行實測，再無實測資料

16、時，可按照公路隧道通風照明設計規(guī)提供的表格取值。如表 2-1-2 。表 2-1-2 洞外亮度 L20（S）（cd/m2）照明停車視距可按表 2-1-3 取值。.表 2-1-3 照明停車視距 Ds表（m）由以上表格可得：k 取 0.018，L20（S）取 4000cd/m2因此，Lth=0.018*4000=72cd/m2；照明停車視距取 56m。2.2 過渡段照明為節(jié)約能源，隧道部的照明亮度較低，這樣為讓人的眼睛能夠適應部較暗的光線，在入口段和中間段需要設置過渡段。過渡段光照曲線原則上如圖 2-2-1 所示圖 2-2-1 過渡段照明曲線該曲線可由階梯曲線代替。從一個階梯到另個階梯允許的最大輝度

17、比率為 3。最后一個.階梯的輝度不應大于中間段亮度的 2 倍。已完成從入口段到中間段的國度。過渡段由 TR1、TR2、TR3三個照明段組成，與之對應的連讀取值如表 2-2-1表 2-2-1 過渡段亮度過渡段長度按表 2-2-2 取值。表 2-2-2 過渡段長度 Dtr查表計算可得過渡段 TR1：Ltr1=0.3*Lth=21.6cd/m2 ；Dtr1=44m；TR2：Ltr2=0.1*Lth=7.2cd/m2 ；Dtr2=67m；TR3：Ltr3=0.035*Lth=2.52cd/m2 ；Dtr3=100m。2.3 中間段照明中間段亮度按表 2-3-1 取值。表 2-3-1 中間段亮度 Lin

18、.又因為當雙車道單向交通 700 輛/hN2400輛/h ，雙向交通 360輛/hN1300輛/h 且通過隧道的行車時間超過 135s 時，可按表 2-3-1 的 80%取值，所以中間段亮度2.4 出口段照明當人們從光線弱的地方漸入光線強的地方時，同樣需要一段時間來適應，但是人適應強光線的時間要比適應暗光線所需的時間短得多。因此，在從隧道部離開隧道時需要設置出口段的照明設施，但出口段不必像過渡段那樣分為三個區(qū)域。在單向交通隧道中，應設置出口段照明；出口段長度宜取 60m，亮度去中間段亮度的 5 倍及 2*5=10cd/m2。2.3 燈具選取目前，隧道照明可采用的燈具有高壓鈉燈、熒光燈、高頻無極

19、燈、LED燈等。其中，高壓鈉燈和熒光燈基于氣體放電，無極燈基于氣體放電和高頻電磁感應的結(jié)合，LED （ Light Emitting Diode ） 即半導體發(fā)光二極管基于注入式電致發(fā)光。高壓鈉燈是我國目前高速公路隧道照明主要采用的燈具。但新型 LED 燈具有高效節(jié)能、使用壽命長、維護方便、工作電壓圍寬、工作溫度低、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點，是目前高速公路隧道照明強有力的競爭產(chǎn)品。國際上單芯片大功率白光 LED在技術(shù)和標準上發(fā)展較為成熟，以其為光源的燈具是市場上的主流產(chǎn)品。.表 2-3-1 燈具參數(shù)對比本課題中，應用太陽能發(fā)電技術(shù)，為保護環(huán)境節(jié)約成本采用大功率 LED隧道燈作為照明燈具。燈具的選取需

20、要根據(jù)路面的平均照度及亮度計算來確定。（1） 利用系數(shù)曲線法計算路面品均照度：Eav=* *M*N/W*S式中：N燈具布置系數(shù)，對稱布置時取 2，交錯及中線布置時取 1（本課題中采.用 3m）；利用系數(shù)取 0.4 ；W 隧道路面寬度（8m）；S 燈具間距采用 3mM 維護系數(shù)取 0.7 ；單個燈組光通量，本課題采用的燈組光通量為 4000lm。代入上式：根據(jù)公路隧道通風照明設計規(guī)中所提供的算例，隧道平均照度應達到 40lx 以上，可見該方案能夠滿足設計要求。（2） 隧道亮度計算Lpi=Irc/H2*r （，）Lpi 燈具 i 在計算點 p 產(chǎn)生的亮度（cd/m2）；r （，）簡化亮度系數(shù)，按附

21、錄 表取值；由于在亮度計算中需要用到的實測值 Irc 在理論設計及計算時無法獲得，需要對燈組進行光強分布的測量實驗。在本課題中以路面平均照度為準。2.4 本章小結(jié)本章依照國家頒布的公路隧道通風照明設計規(guī)對地區(qū) 雙車道單向交通，車流量為 700N2400輛/h ，全長 1000m，隧道寬 8m，高 12m，燈具安裝高度5.3m，設計速度為 60km/h的公路隧道各區(qū)段照明做出了詳細的分析和介紹。結(jié)果如表 2-4 。.亮度（cd/ 嗎 m2）長度（ m）燈具數(shù)量（盞）入口段725619過渡段 121.64415過渡段 27.26722過渡段 32.510033中間段2673225出口段106020

22、燈具采用交錯排布，間隔3m，共 334盞表 2-4.3 蓄電池選取與計算3.1 蓄電池選擇本設計中為節(jié)約成本采用獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在獨立光伏系統(tǒng)中，必須配備儲能蓄電池，將太陽電池產(chǎn)生的電量收集并儲存，在需要對負載供電時調(diào)控蓄電池的放電，還需要對負載的供電進行控制，所以蓄電池成為了獨立光伏系統(tǒng)中的重要部件。從節(jié)約成本、保護環(huán)境、可靠性高的角度出發(fā)，采用 VRLA（法空是密封鉛酸蓄電池 valve regulated lead acid battery ）。VRLA電池是全密封的，不會漏酸，而且在充放電時不會像老式鉛酸蓄電池那樣會有酸霧放出來而腐蝕設備，污染環(huán)境。3.2 蓄電池容量計算蓄電池

23、的儲能作用對保證連續(xù)供電十分重要。在一年當中，光伏陣列的發(fā)電量在各個月份有很大的差別，光伏陣列發(fā)電量不能滿足用電需求的月份，要靠蓄電池的電能給予補足；在超過用電需求的月份，靠蓄電池將多余的電能儲存起來。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負載用電量也必須從蓄電池取得。蓄電池的容量計算公式為Bc=KQLNLT0/Cc（Ah）式中：K安全系數(shù)，取 1.11.4 ，本設計中取 1.2 ；QL負載日平均耗電量，即工作電流乘以日工作小時數(shù)；NL最長連續(xù)陰雨天數(shù)，本設計中取 15 天；T0溫度修正系數(shù)，一般在 0以上取 1，-10以上取 1.1 ，-10以下取 1.2 ；Cc蓄電池放電深度，取 0.75。由于白天隧道的

24、照明等級需要根據(jù)隧道外的光線的強度來確定，而隧道外的亮度變化需要進行實測，因此在進行蓄電池容量的計算時負載日平均耗電量無法準確計算出來。本設計中認為從早上的 9 點到下午 5 點的 8 個小時中洞外亮度按照最大情況，此時入口段的燈具為額定工作狀態(tài)。早上 7 點到 9 點和下午 5 點到 7 點這 4 個小時中，隧道外亮度按最大亮度的一半來計，由于 LED的亮度與電流成正比，所以這段時間入口段燈具電流以額定值的一半計算。其余的 12 個小時按照夜間照明計算。按照上述時間段順序，個照明區(qū)段 LED燈具的電流及日平局耗電量如下表 3-2-1 所示。91779 & 1719189日平均耗電量入口段210.06393.6過渡段 10.60.30.06100.8過渡段 20.20.10.0659.84過渡段 30.070.060.0650.16中間段0.060.060.06324出口段0.270.140.0668表 3-2-1.將表中數(shù)據(jù)帶入公式：Bc=1.2*（393.6+100.8+59.84+50.16+324+68）*15*1*0.75=13451.4（Ah）.4 光伏陣列設計4.1 太陽能組件串聯(lián)數(shù) Ns將光伏電池組件按一定數(shù)目串聯(lián)起來，就