華實

摘要：考慮到傳統(tǒng)隧道照明存在耗能高、成本高等缺點，以新型光伏照明和智能控制為基礎(chǔ)，融合自然光照明、太陽能光伏發(fā)電、LED電源、智能照明控制等多項技術(shù)，設(shè)計研究了一種隧道智能光伏照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)體現(xiàn)了安全、節(jié)能、低成本理念，實現(xiàn)了建設(shè)期零輸變電建設(shè)費用，運營期間零電費開支、零碳排放。

關(guān)鍵詞：智能光伏照明;LED;安全;低成本

0 引言

隧道照明是保證隧道行車安全的關(guān)鍵因素之一。隧道照明往往受隧道洞外亮度、車流量、車速等因素影響。由于隧道入口亮度和交通量不同，人眼對環(huán)境適應(yīng)性有所差異，故而對隧道整體照明應(yīng)該進(jìn)行有效控制和調(diào)整[1]?，F(xiàn)有的隧道照明控制以簡單、可靠的時序控制法為主，通過調(diào)整工作燈具的數(shù)量達(dá)到照明的目的，但是未能有效消除天氣變化、隧道通風(fēng)等狀況變化以及交通量的變化對照明的影響[2]。LED照明燈的出現(xiàn)大大促進(jìn)了隧道照明的研究，利用LED照明燈，通過有效設(shè)置可以實現(xiàn)自動連續(xù)調(diào)光，滿足不同的操作需求[3]。

本文以智能控制節(jié)能為基本理念，依托魏家灣隧道工程，通過對隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷崟r調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對每個燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)整個隧道照明功率降低而不改變隧道照明質(zhì)量的目的。

1 智能光伏照明系統(tǒng)構(gòu)件組成

隧道照明系統(tǒng)由自然光明洞、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。隧道智能光伏照明系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1? ? 自然光明洞

自然光明洞由隧道入口明洞或鋼結(jié)構(gòu)架形成，在一些用地緊張或無合適地址安裝光伏組件時，還可作為光伏組件的安裝基礎(chǔ)。明洞的照明亮度為洞外的10%～20%，因為有自然光明洞的存在，可以減少隧道入口端的加強(qiáng)照明功率，在確保隧道內(nèi)行車舒適且安全的前提下達(dá)到節(jié)能的目的。

1.2? ? 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光伏組件PV陣列、太陽能充電控制器、蓄電池組、高壓直流配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)等部件組成。

1.3? ? 智能照明系統(tǒng)

1.3.1? ? 控制方案

采用智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)燈光多級調(diào)節(jié)，配備時間控制器、光通量傳感器和車流量傳感器等多種控制器，能根據(jù)預(yù)設(shè)的照明時間段、洞外亮度變化和車流量，實現(xiàn)對燈具開關(guān)和照度的時間控制、光通量控制和車流量控制，從而實現(xiàn)燈光照明的按需供應(yīng)，在保證行車舒適和安全的前提下最大限度地節(jié)約用電。

1.3.2? ? 照明設(shè)計

照明設(shè)計通過計算機(jī)仿真，合理布局隧道各段燈具間距，選擇合適的燈具功率，通過仿真結(jié)果達(dá)到規(guī)范所要求的照度值，避免了照度達(dá)不到要求或過度照明造成的能源浪費。照明燈具選用隧道專用LED燈具，LED燈較高壓鈉燈具有能耗低、壽命長、顯色性好、光效高（光衰小）、啟動時間短、環(huán)保等優(yōu)勢。

1.4? ? 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

控制器集成了GPRS模塊，可實現(xiàn)基于云監(jiān)控的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，對太陽能板發(fā)電量、蓄電池剩余電量及照明情況進(jìn)行實時監(jiān)控，提升公路隧道智能光伏照明系統(tǒng)的安全性、可靠性和先進(jìn)性。

2 隧道智能光伏照明設(shè)計

2.1? ? 工程概況

魏家灣隧道屬于二級公路，隧道總長為230 m，隧道為雙向交通，行車速度為40 km/h。隧道標(biāo)準(zhǔn)路面寬度為8.75 m，兩邊檢修道寬0.75 m，隧道凈空高度7.6 m。隧道內(nèi)部照明系統(tǒng)已投入使用，原有照明燈具和照明線路均已安裝完畢。

本次照明改造施工為原有照明系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，以取得更好的安全和節(jié)能效果。施工范圍為進(jìn)口端向內(nèi)50 m，施工內(nèi)容包括原有照明燈具拆卸、原有照明線路拆卸、新燈具的安裝、新照明線路的安裝、車流量傳感器安裝、配電房控制系統(tǒng)安裝等。

2.2? ? 照明改造方案

本次改造方案是對隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷崟r調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對每個燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)整個隧道照明功率降低而不改變隧道照明質(zhì)量的目的。

（1）控制單個燈具的照度，根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，燈具的能耗功率實時變化，對整個系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能。

（2）控制隧道內(nèi)部所有燈具亮度進(jìn)行實時變化，不改變照明間距和照明位置，調(diào)節(jié)過程中除平均照度根據(jù)要求實時變化外，照度均勻度和縱向均勻度均不發(fā)生變化，始終保證隧道的照明質(zhì)量，提高隧道照明的安全性。

（3）本方案對隧道照明控制可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控功能，對隧道的運營管理提供了很大便利。

2.3? ? 光伏供電系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1? ? 系統(tǒng)組件配置

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，系統(tǒng)裝機(jī)容量為負(fù)載的3倍，即約為32 kW，日發(fā)電量=32×3.2×0.712≈72.9 kWh，由此確定系統(tǒng)配置。

2.3.1.1? ? 光伏組件配置

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砦恢玫牟季?、施工維護(hù)方便性及發(fā)電效率、占地面積等，確定使用250 Wp CY-TD250光伏板。組件數(shù)量N=32×103/250=128塊，取整數(shù)130塊。為滿足直流總線電壓要求，組件連接采用10串13塊并聯(lián)方式，組件選用250 Wp型單晶硅組件。

2.3.1.2? ? 離網(wǎng)逆變器配置

總負(fù)載峰值功率按32 kW計算，考慮高海拔、低溫等因素，選用40 kW離網(wǎng)逆變電源1臺。離網(wǎng)逆變器質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，建議采用擁有先進(jìn)光伏逆變技術(shù)的生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，建議選用南京冠亞生產(chǎn)的GN-30KFT型離網(wǎng)逆變電源。

2.3.1.3? ? 蓄電池配置

由于本站地處高速公路邊沿，維修不便，所以采用長壽命膠體蓄電池，而系統(tǒng)直流總線電壓達(dá)220 V。蓄電池總節(jié)數(shù)為110節(jié)，連接方式為110串并聯(lián)，電池規(guī)格為2 V/300 Ah。

2.3.1.4? ? 光伏控制器配置

光伏控制器必須能控制多路太陽能電池方陣，實現(xiàn)蓄電池組的充放電管理功能，依據(jù)蓄電池組端電壓的變化趨勢自動控制太陽能電池方陣的依次接通或切離，既可充分利用寶貴的太陽能電池資源，又可保證蓄電池組安全、可靠的工作。本系統(tǒng)選用南京冠亞生產(chǎn)的GS-200F型光伏控制器。

2.3.1.5? ? 柴油發(fā)電機(jī)

設(shè)計柴油機(jī)只滿足基本段照明負(fù)載用電并向蓄電池充電，4 h可完成充電。蓄電池充電模塊充電電流為75 A，則充電功率為75 A×220 V=16.5 kW，基本段照明負(fù)載功率為1.68 kW，則總功率為18.18 kW，考慮柴油機(jī)發(fā)電效率為0.9及冗余度為0.8，則柴油機(jī)功率=18.18 kW÷0.8÷0.9=25.25 kW，參考市場產(chǎn)品規(guī)格選取30 kW/380 V/50 Hz柴油機(jī)（帶自啟動功率及ATS模塊）。

2.3.2? ? 照明控制設(shè)計

燈光控制方式中，雙向隧道將照明分為入口段、過渡段1、過渡段2和基本段。其中，入口段、過渡段1、過度段2的基本照明采用1個回路，入口段、過渡段1、過渡段2的加強(qiáng)照明采用4個回路，進(jìn)行調(diào)光控制，基本段采用2個回路控制，在自動模式下根據(jù)照度儀測量反饋的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)如下：

2.3.2.1? ? 入口段、過渡段1、過渡段2

（1）當(dāng)照度儀采集值>52 500 lx時，4個回路全部開啟。

（2）當(dāng)52 500 lx>照度儀采集值>39 375 lx時，開啟3個回路。出口段照明亮度取基本段的5倍，取值10 cd/m2，長度取60 m。

（3）當(dāng)39 375 lx>照度儀采集值>26 250 lx時，開啟2個回路。

（4）當(dāng)26 250 lx>照度儀采集值>13 125 lx時，開啟1個回路。

2.3.2.2? ? 基本段

基本段采用2個回路控制，08：00—22：00正常情況下2個回路全部開啟，22：00—08：00根據(jù)車輛傳感器采集的車輛信息自動關(guān)閉或啟動隧道內(nèi)一路基本照明，當(dāng)5 min內(nèi)無任何車流量時自動關(guān)閉一路基本照明燈，達(dá)到節(jié)能效果。

3 結(jié)語

本文提出的智能光伏照明控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)隧道照明的安全、低能耗、低成本控制。通過對隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷崟r調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對每個燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以降低整個隧道照明的功率，保證隧道的照明質(zhì)量。

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收稿日期：2020-03-05

作者簡介：華實（1987—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：機(jī)電工程。