高速公路隧道照明及供配電節能思考

蔡彬峰

（浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 高速公路隧道照明和供配電的能源消耗現狀

高速公路隧道照明和供配電系統的能源消耗現狀是一個值得關注的問題。 目前，傳統的熒光燈和高壓鈉燈等照明設備仍然被廣泛應用于隧道照明。 這些傳統照明設備的能效較低，能源利用率不高，存在明顯的能源浪費現象。 相對于LED 照明等先進技術， 傳統的照明設備在能源轉化效率上存在較大的差距。 （1）傳統熒光燈和高壓鈉燈等照明設備的能效較低，大部分輸入能量轉化為熱量而非光能，導致能源浪費。 這種能源浪費不僅對環境造成負面影響， 還增加了能源成本和運營成本[1]。 （2）隧道照明系統通常需要保持24 h 不間斷運行，導致了能源消耗的持續性和高強度。 在供配電系統方面，存在能源損耗和電力浪費的問題。 電纜線路過長、電纜截面積不合理等因素導致電力傳輸過程中產生能量損耗和熱量損耗。 傳輸損耗不僅導致能源的浪費，還可能引發電力線路過熱、設備損壞等安全隱患。 （3）供配電系統中使用的變壓器等設備的能效水平也不盡相同，存在一定程度的能源損耗。 總的來說，高速公路隧道照明和供配電系統的能源消耗現狀表現出能效低、能源浪費等問題。 為了提高能源利用效率、降低能源消耗和環境影響， 需要采取一系列的節能措施和技術創新來優化隧道照明和供配電系統。

2 節能技術和實踐分析

2.1 LED照明技術

LED 照明技術是目前節能照明領域的先進技術之一。 發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）照明具有許多優點，成為替代傳統照明設備的理想選擇。 （1）LED 具有高效能特性。相較于傳統的熒光燈和高壓鈉燈，LED 的能效更高。 LED 燈泡能夠將電能轉化為光能的效率較高，因此相同亮度下，LED所消耗的能量更少，能夠顯著降低照明能耗。 （2）LED 照明具有長壽命的特點。 傳統照明設備的壽命較短，需要頻繁更換，而LED 燈泡的壽命可以達到數萬小時，甚至更長。 這意味著在隧道照明中使用LED 燈泡可以減小維護和更換的頻率，降低維護成本和人力投入。 （3）LED 照明具有可調節亮度的優勢。 通過控制電流的大小，LED 的亮度可以靈活調節，以滿足隧道內不同照明需求。 在高峰時段可以增加亮度，提供良好的照明效果，而在低峰時段則可以降低亮度，節約能源。 這種可調節亮度的特性為隧道照明的智能控制提供了便利。

2.2 智能控制系統

智能控制系統可以根據實際需要調整照明亮度和開啟時間，避免能源浪費。 系統可以利用光感應器、紅外傳感器等設備來實現自動調節。 光感應器可以感知到隧道內的光線強度，根據光照變化調整照明亮度。 紅外傳感器則可以檢測到行人和車輛的存在，根據人流車流量來控制照明的開啟與關閉。 智能控制系統的優勢在于能夠根據實時情況進行靈活的照明調節。 在光線較暗、人流車流量較大的情況下，系統可以自動提高照明亮度，確保行車和行人的安全；在光線較亮、人流車流量較小時，系統可以降低照明亮度，以節約能源。

2.3 光管天窗技術

光管天窗技術可以通過光導纖維將室外的自然光傳輸到隧道內部，減少對人工照明的需求。 光管天窗可以安裝在隧道頂部或側壁， 利用鏡面反射和光傳導原理將陽光引導到隧道內部。 光管天窗技術有幾個顯著的優勢：（1）它能夠充分利用自然光資源，減少人工照明的使用。 通過合理設計和布置，光管天窗可以使隧道內部獲得充足的自然光， 提供良好的照明效果，同時降低能源消耗。 （2）光管天窗技術還可以減少熱量的產生。 傳統照明設備（如熒光燈、高壓鈉燈等）在工作時會產生一定的熱量，導致能源浪費和隧道內部溫度上升。 而光管天窗不會產生熱量，可以減少隧道內部的熱量積聚，提供更為舒適的照明環境。（3）光管天窗技術還可以降低隧道維護成本。傳統照明設備需要定期更換燈泡和維護， 而光管天窗的光導纖維具有較長的使用壽命，維護成本較低。 （4）光管天窗的安裝和維護也相對簡單，不會對隧道的正常運營造成較大影響。

2.4 供配電系統優化

通過合理布局電纜線路、選擇低損耗的電纜材料、采用高效變壓器等措施，可以提高供配電系統的能效。 （1）優化電纜線路的布局可以減少電力傳輸損耗。 在設計隧道供配電系統時，應合理選擇電纜的截面積和長度，減小電力傳輸時的電阻和損耗。 此外，應避免電纜過長或過密布置，以減少電纜線路中的電力損耗和熱損耗。 （2）選擇低損耗的電纜材料也是供配電系統優化的關鍵。 使用低電阻、低介質損耗的電纜材料可以減少電纜本身的能耗。 例如，采用銅質導線而非鋁質導線，可以減少導線的電阻損耗。 （3）采用高效變壓器可以提高供配電系統的能效。 變壓器是電力傳輸和分配的重要設備，通過將電壓從高壓轉換為低壓供給照明設備和其他電氣設備。 使用高效的變壓器可以減少能源的損耗和浪費， 提高整個供配電系統的能效。

3 創新的節能思考

3.1 照明系統設計優化

通過合理的光學設計、反射材料的選擇和照明設備的布局等手段，可以有效提高照明效果，降低能源浪費。 （1）在照明系統的光學設計上，需要充分考慮隧道內部的光線分布和照度要求。 通過對隧道幾何形狀、車流量、車速等因素的分析，可以確定照明燈具的位置、數量和布局。 合理的燈具布局可以保證隧道內的照明均勻，避免出現明暗交替的情況，提高司機的視覺舒適度。（2）在照明系統的反射材料選擇上，應選擇具有良好反射性能的材料。反射材料的選擇直接影響到光的利用率和照度均勻性。 例如，高反射率的反射板材料可以將照明光線有效地反射回隧道內部，減少能量損失。 還可以選擇具有抗腐蝕和耐高溫特性的材料，以保證照明系統的長期穩定性和可靠性。 在照明設備的選擇上，應優先選擇高效能的照明設備。 傳統的熒光燈和高壓鈉燈相比，LED 照明具有更高的能效和壽命，可以使能源利用效率達到更高水平。 LED 照明具有快速啟動、可調節亮度和長壽命等優點， 且能夠在寬溫度范圍內正常工作，因此， 把傳統照明設備逐步替換為LED 照明是提高隧道照明系統效能的有效途徑。（3）在照明系統的維護和管理上，定期進行燈具清潔和故障檢修，確保照明設備的正常運行。 燈具清潔可以避免灰塵和污染物的積累，保證照明效果；故障檢修可以及時修復損壞的燈具，保證整個照明系統的正常運行。

3.2 新型照明設備的應用

隨著科技的進步， 新型照明設備的應用對于高速公路隧道照明節能具有重要意義。 其中，有機發光二極管（OLED）等新型照明技術引人注目。 相較于傳統的熒光燈和LED 照明，OLED 具有獨特的優勢，如更高的能效、更好的環保性能和更廣泛的應用前景。 （1）OLED 照明具有更高的能效。 傳統熒光燈和LED 照明在轉換電能為光能時存在能量損耗， 而OLED是一種自發光設備，可以直接將電能轉化為光能，減少能量的浪費，且能效較高，能夠在更低的功率下提供相同亮度的照明效果，因此，可以降低能源消耗，實現節能目標。 （2）OLED 照明具有更好的環保性能[2]。 OLED 采用有機材料作為發光層，相比傳統熒光燈和LED 照明所使用的無機材料，有機材料更易于分解和回收。 此外，OLED 照明不含汞等有害物質，減少了對環境的污染。 這種環保性能使得OLED 照明成為可持續發展的重要選擇。 （3）OLED 還具有靈活性和可設計性的優勢。 OLED 可以采用薄膜形式制作，非常薄、柔軟，因此，可以用于制作曲面照明設備，如彎曲的隧道墻壁或頂棚，提供更加均勻和舒適的照明效果。 （4）OLED 具有自發光特性，可以實現高對比度、鮮艷的顏色和寬廣的色域，為隧道提供更加清晰和舒適的照明體驗。 然而，需要指出的是，目前OLED 照明技術在實際應用中還面臨一些挑戰。 例如，OLED 的制造成本較高，導致產品價格相對較高，限制了其大規模應用普及。 此外，OLED 的壽命和穩定性仍然需要進一步改進和提高， 以滿足長期穩定運行的需求。

3.3 基于車流的智能控制

傳統的光感應器和紅外傳感器雖然可以根據光線變化和運動檢測來控制照明設備的開關， 但無法針對實際的車流情況進行精確的調節。 而基于車流的智能控制系統通過安裝攝像頭和圖像識別技術， 能夠實時監測隧道內的人流和車流情況，從而更準確地調控照明系統。 （1）通過攝像頭捕捉隧道內部的畫面。 智能控制系統可以實時獲取車流的信息，借助圖像識別技術，系統能夠對圖像進行處理和分析，精確地識別和統計隧道內的車流量。 這樣，系統可以根據實際情況自動調節照明亮度和開啟時間， 避免了傳統控制系統中可能出現的誤判和誤操作，提高了節能控制的準確性。 （2）基于車流的智能控制系統還能根據具體的車流情況，實現差異化的照明控制。 在高峰時段，隧道內車流較為密集，為了保障行車安全和照明質量， 系統可以調高照明亮度， 確保司機和行人的良好視覺環境。 而在低峰時段，車流較為稀少，系統可以降低照明亮度，以節省能源。 通過根據實時情況的動態調節，智能控制系統能夠最大限度地滿足隧道內不同情況下的照明需求， 實現節能效果的最大化。 此外，基于車流的智能控制系統還能結合其他因素進行綜合控制。 例如，可以考慮與天氣狀況、時間等因素的綜合控制，進一步優化照明系統的節能效果。 當外部光照較強時，系統可以自動降低照明亮度，利用自然光進行照明，減少能源消耗。 而在夜間或惡劣天氣下，系統可以自動提高照明亮度，確保行車安全[3]。

3.4 太陽能光伏系統的應用

通過利用太陽能光伏系統為隧道照明和供配電提供可再生能源，可以大幅度減少對傳統電力的依賴，實現綠色能源的可持續利用。 （1）太陽能光伏系統可以為隧道照明提供獨立的能源來源。 通過在隧道或其周圍的合適位置安裝光伏電池板，可以將太陽能轉化為電能。 這些電能可以直接供給照明設備使用，減少對傳統電力的需求。 由于隧道照明需要持續的電力供應， 太陽能光伏系統可以通過儲能設備將多余的電能儲存起來，以應對夜間或陰天等太陽能不足的情況，確保隧道照明的連續運行。 （2）太陽能光伏系統也可以為隧道的供配電系統提供可再生能源支持。 隧道內的設備和系統（如通風系統、監控系統等）對電力的需求量較大，而太陽能光伏系統可以通過并網或獨立運行的方式為這些設備提供電力。 通過合理的設計和規劃，將太陽能光伏系統與傳統電力系統相結合，可以實現對電力的雙重供應，提高供電的可靠性和穩定性。（3）太陽能光伏系統的應用還可以實現能源的多元化和分散化。傳統的電力供應主要依賴于中央電網，存在供電不穩定、電力傳輸損耗大等問題。而太陽能光伏系統可以在隧道附近建設獨立的光伏電站，實現能源供應的分散化。 這樣不僅可以降低對電網的依賴，還能夠將電能的損耗降至最低，提高能源利用效率。

4 結語

高速公路隧道照明和供配電的節能是保護環境和資源的重要舉措。 通過合理設計照明系統、使用高效能的照明設備、采用智能控制策略以及優化供配電系統等措施， 可以降低能源消耗、減少環境污染。 此外，創新的節能思考，如照明系統設計優化、新型照明設備的應用、基于車流的智能控制和太陽能光伏系統的應用，也能進一步提高節能效果。 這些技術和思路的應用將有助于實現高速公路隧道照明和供配電的節能目標，為可持續發展做出貢獻。