摘要：投資效益決定了公路隧道太陽能光伏供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，也影響著建設(shè)單位的投資積極性。本文以一級公路隧道洞口段照明系統(tǒng)利用光伏供電模式為例，介紹了其投資成本構(gòu)成，包括太陽能光伏組件成本、蓄電池采購和更新成本等，根據(jù)投資回收期分析，光伏供電模式的投資回收期約為10年；然后介紹了蓄電池容量和并聯(lián)數(shù)、太陽能組件串聯(lián)數(shù)、日發(fā)電量、并聯(lián)數(shù)和方陣功率計算方法；最后得出結(jié)論，光伏供電模式體現(xiàn)了良好的降碳和環(huán)保效益。

關(guān)鍵詞：公路隧道；照明系統(tǒng)；光伏供電；投資；降碳

中圖分類號：U453.7""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）02-0118-04

Investment and Carbon Reduction Benefit Analysis of Photovoltaic Powered Lighting at the Entrance Section of Highway Tunnels

LIU Jia ZHANG Yufan YANG Jiting FAN Yuanyuan ZHENG Guoping

（1. Zhejiang Institute of Communication Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310030， China;2. Hangzhou New Austria Civil Engineering Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310051， China）

Abstract： The investment benefit determines the economic feasibility of the highway tunnel solar photovoltaic power supply system， and also affects the investment enthusiasm of the highway investor. Taking the photovoltaic power supply mode for the lighting system at the entrance of a first?class highway tunnel as an example， the composition of its investment cost is introduced， including the cost of solar photovoltaic modules， battery cost and maintenance costs， etc. According to the analysis， the payback period of the photovoltaic power supply mode is about 10 years. Then， following issues are introduced including battery capacity and parallel connection number， solar modules number in series， daily power generation， number of parallel connection and calculation method of the square array power. Moreover， it is concluded the photovoltaic power supply mode reflects good carbon reduction and environmental protection benefits.

Key words： highway tunnel; lighting system; photovoltaic power supply; investment; carbon reduction

0 引言

為了保障行車安全，公路隧道照明系統(tǒng)通常需要全天候開啟，因此，其能耗是公路隧道各大系統(tǒng)中最大的。有學(xué)者對歐洲幾座典型隧道的能耗進(jìn)行過統(tǒng)計，盡管照明系統(tǒng)僅占隧道機(jī)電系統(tǒng)總安裝功率的14%，但卻占總能耗的53%[1]。

目前，太陽能利用方式主要有直接照明和光伏發(fā)電，前者通過光學(xué)元件直接輸送太陽光到需要照明的地方，例如光纖傳導(dǎo)技術(shù)和投射照明技術(shù)，后者將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行供電。典型的研究有：盧世杰等[2]在短隧道中采用太陽光光纖照明技術(shù)；鄧路?[3]建立了隧道加強(qiáng)段太陽能遞歸照明節(jié)能控制系統(tǒng)；張世平等[4]將太陽能薄膜光伏技術(shù)與遮光棚技術(shù)合二為一，實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能和供電功能統(tǒng)一；袁立等[5]結(jié)合車流量預(yù)測提出基于太陽光照明的按需照明節(jié)能控制方案；張龍[6]采用“菲涅爾透鏡 拋物面反射鏡”的新型投射照明系統(tǒng)將太陽光投射到隧道內(nèi)部。

但是，投資效益問題決定了太陽能光伏供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，也影響著公路隧道建設(shè)單位的積極性。因此，本文擬以某一級公路隧道洞口段照明系統(tǒng)利用光伏供電模式為例，對其投資成本、投資回收期、節(jié)能降碳效益進(jìn)行分析，以便為類似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某一級公路隧道位于浙江省紹興市，設(shè)計速度80km/h，左線里程為K11 329～K11 987，長658m，右線里程為K11 363～K11 866，長503m。以該隧道右洞作為研究對象，其燈具在入口段和出口段采用兩側(cè)對稱布設(shè)方式，燈具安裝在兩側(cè)電纜橋架上，加強(qiáng)段燈采用功率為150W、80W、40W的LED燈，設(shè)置4個回路，分別為基本照明回路ZA、YA以及加強(qiáng)照明回路C、D。入口段燈具平面布置圖如圖?1，出口段燈具平面布置圖如圖2所示。

? 根據(jù)入口段及出口段的燈具布置圖統(tǒng)計得到各照明回路對應(yīng)的燈具數(shù)量和功率，見表1。

設(shè)定光伏發(fā)電系統(tǒng)僅為出入口段的加強(qiáng)照明回路C和D供電，先分別計算出兩個回路上所有加強(qiáng)燈的功率，再根據(jù)照明回路開通時間，得到兩個回路的用電量，最后得到日用電量123.2 kW?h，見表2。

2 工程投資分析

基于光伏供電模式的公路隧道洞口段照明系統(tǒng)包含太陽能光伏組件、太陽能充放電控制器、蓄電池、功率表、加強(qiáng)照明回路燈具等（圖3）。其中太陽能充放電控制器對蓄電池的充、放電進(jìn)行控制，并按照負(fù)載的電源要求，控制蓄電池對負(fù)載輸出電能，充電控制通常采用PWM控制方式，即脈寬調(diào)制技術(shù)，放電控制主要是指當(dāng)蓄電池過度放電或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時切斷開關(guān)；蓄電池的作用是將光伏電池所獲得的電能以化學(xué)能的方式儲存，在需要的時候?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，起到穩(wěn)定電源的作用，采用閥控密封式鉛酸蓄電池。

為了準(zhǔn)確測算光伏發(fā)電投資效益和回收期，需要對其各項組成進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括太陽能組件和蓄電池成本、日照條件即年滿負(fù)荷發(fā)電時間、資金成本（資本金比例和貸款利息等）、日常運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用等。

2.1 太陽能組件成本

（１）串聯(lián)數(shù)

一定數(shù)目的太陽能電池組件串聯(lián)起來，便可以獲得所需要的工作電壓。若串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓會低于蓄電池浮充電壓，光伏板方陣就無法對蓄電池充電。相反，如果串聯(lián)數(shù)太多使得輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓，而充電電流也不會有明顯的增加。因此，只有太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)合適，太陽能電池組件的串聯(lián)電壓與蓄電池的浮充電壓匹配時，才能達(dá)到最優(yōu)的充電狀態(tài)。太陽能電池組件串聯(lián)數(shù)的計算公式如下：

（２）平均日輻射時數(shù)

（３）太陽能光伏組件日發(fā)電量

（４）冗余的蓄電池容量_cb

（５）并聯(lián)數(shù)

（６）太陽能光伏方陣功率計算

2.2 蓄電池成本

2.3 總成本計算

3 投資回收期分析

4 結(jié)語

參考文獻(xiàn)：

1. James Peeling ， Matthew Wayman ， Isabela Mocanu， et al.. Energy efficient tunnel solutions[C]. 6th Transport Research Arena ， Warsaw， Poland， 2016： 1472 – 1481
2. 盧世杰， 史玲娜， 涂耘， 等. 短隧道采用太陽光光纖照明技術(shù)的優(yōu)勢分析[J]. 照明工程學(xué)報， 2017， 28（03）： 62?65， 79.
3. 鄧路. 隧道加強(qiáng)段太陽能照明節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]. 低碳世界， 2017（19）： 82?83.
4. 張世平， 王興平， 史玲娜， 等. 光伏太陽能薄膜遮陽棚在公路隧道中的應(yīng)用研究[J]. 公路交通技術(shù)， 2018， 34（03）： 86?89.
5. 袁立， 史玲娜， 張龍. 基于太陽光照明的隧道按需照明節(jié)能控制技術(shù)研究[J]. 隧道建設(shè) （中英文） ， 2019， 39（S1）： 131?138.
6. 張龍. 新型高效隧道太陽光投射照明系統(tǒng)研究[D]. 重慶： 重慶交通大學(xué)， 2020