基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統

徐韶華

（廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來隨著公路建設不斷向西部及邊遠山區的推進，我國公路隧道的修建量越來越多。依據現行國家規范規定，100m以上的公路隧道需要照明設施，但有些邊遠地區尤其是西部地區，人口稀少，遠離電網，隧道照明用電難以獲取。再加上昂貴的后期運營費用，使得邊遠地區的隧道照明問題日益嚴重。因此為保證這些地區的隧道行車安全，研究發展適應這種條件下的隧道供電照明系統顯得非常迫切和必要。

本文旨在提出一種既可自身解決電力供應，又能滿足隧道照明要求并且同時能降低運營管理成本的隧道LED智能照明系統。該系統能夠充分利用豐富的太陽能資源及LED照明系統優勢，為西部及邊遠地區公路隧道提供一種有效的供電及照明手段，保障公路隧道運營安全。

1 系統的提出

目前國內隧道機電系統供電基本都采用常規電網供電，其高昂的高壓供電線路建設費用和后期照明運營費用已成為導致我國現有遠離電網的中短隧道無照明設施的主要原因，該現象在二級公路隧道更加明顯。要從根本上解決此問題，則需盡可能降低隧道供電電網建設及后期運營費用成本。

太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源。利用太陽能發電已成為目前用電負荷集中且功率需求不是很大的場合的不二之選。我國西部邊遠地區由于受地理環境、交通等因素制約，常規電力不易進入，但這些地方具有日照時間長、日射強度大的優點，為太陽能發電提供了得天獨厚的條件。建立太陽能發電的隧道供電系統，既省去了極大部分的運營成本，又緩解了常規能源的短缺，并且不會造成環境污染。

雖然太陽能供電優勢明顯，但是缺點也明顯。太陽能發電效率的低下以及連續陰雨天需要的大量蓄電成本的投入使得太陽能供電的用電負荷不能太大，否則前期投入過大，造成很大的成本浪費。而智能供電控制器、智能無級調光控制器及LED燈具的配合使用，在保證隧道連續陰雨天的照明需求的前提下有效降低了前期的蓄電成本，促成了隧道太陽能供電照明系統的完美實現。

本文提出的基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統，能根據洞外亮度及連續陰雨天的狀態自動調節照明亮度大小和控制照明供電回路，在滿足隧道內照明需求的前提下大大減少隧道照明運營成本。

2 系統構成

基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統主要分為太陽能供電子系統和隧道照明子系統兩部分。其組成框圖如圖1所示。

圖1 太陽能供電的隧道LED智能照明系統結構框圖

整個系統工作過程為：太陽能光伏電池方陣通過智能充電控制器將所接收的光能轉換為存儲在蓄電池組中的電能，為隧道內照明及其他設備提供電源。風力發電作為太陽能供電的補充，可以保證隧道照明系統在連續陰雨天氣過長時，仍可通過風力發電來供應電力，并給蓄電池提供充電保證。蓄電池充電后通過一個智能供電控制器來根據天氣狀況對各供電回路來進行選擇性供電，從而盡可能地延長系統在連續陰雨天狀況下的工作連續性。在設計中采用LED作為照明燈具，配套使用智能無級調光控制系統，其工作狀態可根據外界光線大小和車流量實現自動開關和亮度調節。整個系統的運行狀態可通過有線或者無線通信系統上傳至控制中心，控制中心也可以根據突發事件的需求，來主動控制隧道內LED燈的運行狀態。

以下就太陽能供電子系統和隧道照明子系統作出詳細的說明。

2.1 太陽能供電子系統

太陽能供電照明系統主要由太陽能電池組、蓄電池、智能充電控制器、智能供電控制器、故障智能監測報警子系統及輔助風力發電子系統等組成。

太陽能電池組是隧道太陽能照明系統的主要電力輸入來源。在白天光照條件下，太陽能光伏電池方陣將所接收的光能轉換為電能并經充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，風力發電可作為太陽能供電的補充。在系統中，當白天光照條件很好的情況下，智能充電控制器可自動進行大電流充電，在蓄電池的電量快速接近充滿的情況下，大電流充電自動轉換為涓流充電，該技術可保證在較短時間內蓄電池能充滿電，盡可能地適應變化多端的天氣狀況。

在太陽能供電子系統中，隧道照明通常分入口加強照明、出口加強照明、基本（應急）照明三個回路，由智能供電控制器來根據外部天氣及蓄電池蓄電水平來控制這些照明回路及其他供電回路，當外部連續陰雨天和蓄電池電量較低時，及時關斷加強照明及其他供電回路，并且配合智能無級調光系統從而保證基本（應急）照明回路的最長時間運行。該智能供電控制器的應用使得前期蓄電池的容量無需與整體照明功率相匹配，從而大大降低了電池的配套容量，降低了前期工程的整體投入。

2.2 隧道照明子系統

隧道照明子系統主要包含LED燈具及智能無級調光系統。

在系統中，因蓄電池輸出為直流電源，而LED燈具的供電電源也為直流，所以系統中隧道LED燈具的供電電源直接采用直流電源供電方式，該方式不但能節約直流電逆變和交流電整流的能耗，更因為無需整流電路而增加了燈具電源自身的穩定性與可靠性，從而降低LED燈具的故障率。

在隧道照明領域，按需照明一直是不斷追求的理想形式，由于傳統光源亮度難以控制，而設計時又必須考慮足夠的設計冗余，因此公路隧道普遍存在過度照明、電能浪費巨大的現象。而本文中智能無級調光控制器的使用無疑能解決這些能源浪費問題，進而達到按需照明。該部分的系統框圖如圖2所示。

圖2 智能無級調光系統圖

該系統可分為手動調光、時間調光、自動調光模式，并且能根據外設傳感器狀態自動切換狀態，并將故障上報中心。本控制系統的調光信號采用PWM模式，目前LED調光控制系統采用控制總線的方式比較繁多，例如：485總線、DALI總線、0～10V、0～5V、PWM等等。485總線及DALI總線在系統架構上有單燈尋址、單燈巡檢等優勢，但是系統構成復雜，維護工作繁瑣，系統可靠性不高；0～10V、0～5V的控制方式具有系統搭建簡單，施工方便等優勢，但是該種模擬調光方式因調光電源吸入電流的存在，無可避免地存在控制信號壓降的問題，導致燈具亮度不一致的現象；而PWM調光則集成了數字調光和模擬調光的優勢使得系統簡單可靠，實現精準調光。

3 本系統的技術優勢

本太陽能供電隧道LED智能照明系統不僅利用太陽能光伏發電代替了傳統的發電模式，而且還利用現代照明控制技術和遠程監測技術，實現照明的自動化控制，滿足了隧道照明要求，減少交通事故，降低運營管理成本，從而為具有豐富太陽能資源的西部地區提供一種有效的公路隧道照明方案。具體技術優勢有如下幾個方面。

3.1 太陽能供電方面

（1）利用太陽能光伏發電，節約了不可再生能源，有利于保持人與自然的和諧相處及能源與環境的協調發展，并且有利于治理污染，改善環境。

（2）太陽能發電，有利于遠離電網地區隧道的電力獲取，從而減少遠距離架設電纜的成本浪費。

（3）太陽能發電，能有效解決邊遠地區因電力缺乏而導致的隧道照明電力缺口。

（4）依托太陽能光伏發電，隧道后續運營無需支付高昂的供電費用，大大減少運營成本。

3.2 隧道照明方面

（1）照明采用LED燈具，具有很好的節能效果。LED燈具亮度的調節采用無級控制方式，這種方式比分級控制的同類燈具更節能30%左右。

（2）可根據隧道外光線的強弱和車輛檢測實現隧道內部LED燈具發光強度的無級調控，能更好地控制照明亮度，給司機提供一個更為安全、舒適的駕車環境。

（3）因燈具亮度跟隨洞外亮度大小調節，所以大多數時間LED燈具均未滿負荷工作，平均工作在40%左右。這使得燈具和電源的工作溫度較低，不僅可大幅減小LED的光衰，還延長了燈具的壽命。

（4）當隧道未達到設計車流量時，可依據規范對洞內照明強度進行相應折減，以確保在滿足規范的前提下最大限度地避免過度照明。

（5）系統穩定可靠，可自動根據傳感器狀態切換工作狀態，并且將故障信息及時上傳至監控中心，通知維護人員及時解決故障問題。

4 本系統推廣的經濟效益

基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統的應用，有效地解決了因常規電力缺乏或者不易進入而導致隧道照明困難的問題，帶來了很好的經濟效益。

以2km隧道為例，現把本系統與規范中建議的高壓鈉燈六級調光照明系統（即晴天、云天、陰天、重陰天、夜晚、深夜）進行投資運營費用的對比。

采用太陽能供電的LED燈無級調光與采用市電供電的鈉燈六級調光控制方案的投資運營費用分析表見下頁表1。

表1 投資運營費用分析表

從表1中可以看出，太陽能供電方案的造價要比鈉燈六級調光系統高，但由于太陽能方案每年可節省90多萬元電費，并且年維護費用也要比鈉燈方案低。若隧道在設計車流量條件下按規范要求開燈，則不到3年即可收回增加的投資。太陽能隧道照明方案一次性投資比較大，但大大減少了后續的資金投入，取得了很好的經濟效益。

5 結語

作為21世紀中國六大發展戰略之一，“西部大開發”廣為矚目。公路作為西部的主導性交通基礎設施，是促進西部地區全面、協調、可持續發展的重要基礎和保障，加快其建設是西部當前乃至今后一段時期的“第一要務”。將太陽能發電系統應用于隧道照明這一技術方案的提出，既是一項非常時新有效的技術，又將帶來良好的經濟效益和社會效益，為企業乃至整個行業的科技進步起著良好的帶頭作用。

［1］JTG D70／2－2014，公路隧道設計規范［S］.

［2］陳 志，徐韶華.基于無級調光的隧道LED照明節能控制系統［J］.西部交通科技，2013.7：77－80.