張嶂　安紅軍

摘 要：目前我國高速公路處于大發(fā)展時期，加強(qiáng)高速公路節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用成為深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀、落實(shí)節(jié)約資源基本國策、建設(shè)節(jié)約型和諧社會的一項重要措施。高速公路運(yùn)營管理是保障高速公路安全暢行的重要舉措。文章結(jié)合實(shí)際，對高速公路運(yùn)營管理中采用不同的節(jié)能措施、設(shè)備及方案進(jìn)行論述，旨在降低運(yùn)營成本，減少能耗，彰顯現(xiàn)代科技帶來的巨大效益，營造安全舒適的行車環(huán)境。

關(guān)鍵詞：高速公路 機(jī)電系統(tǒng) 前端節(jié)能 節(jié)能技術(shù) 太陽能技術(shù)

中圖分類號：U453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0037-04

近些年，隨著我國高速公路的迅速發(fā)展，大量電子監(jiān)控設(shè)備及照明設(shè)備在的高速公路中廣泛應(yīng)用，雖然為車輛安全便利通行提供有力保障，但同時也使得運(yùn)營成本大大增加，運(yùn)營開支居高不下。

為響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，降低運(yùn)營成本，本文以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)思想，分別從前端電壓電流節(jié)能控制、相關(guān)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)措施以及太陽能節(jié)能設(shè)備的使用三個方面介紹了高速公路節(jié)能系統(tǒng)，以下分別詳細(xì)介紹。

1 前端電壓電流節(jié)能控制

調(diào)壓調(diào)流節(jié)能設(shè)備、穩(wěn)壓濾波及補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能變壓器等節(jié)能設(shè)備應(yīng)用。

（1）調(diào)壓調(diào)流節(jié)能設(shè)備

結(jié)合供電電壓不穩(wěn)定情況，將調(diào)壓調(diào)流照明節(jié)電設(shè)備串入隧道供配電系統(tǒng)的低壓照明回路中，主要采用的方法是將照明回路采用獨(dú)立小母線形式分離出來，再將照明節(jié)電設(shè)備接入到照明回路中，通過照明節(jié)電設(shè)備的內(nèi)部智能調(diào)壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時智能的調(diào)控照明配電系統(tǒng)的運(yùn)行電壓。

通過招商局重慶交通科研設(shè)計院內(nèi)200m實(shí)體隧道節(jié)能測試效果來看，當(dāng)運(yùn)行電壓到達(dá)390 V時，照明節(jié)電設(shè)備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約20.2%；當(dāng)運(yùn)行電壓到達(dá)400V時，照明節(jié)電設(shè)備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約25.3%；當(dāng)運(yùn)行電壓到達(dá)410V時，照明節(jié)電設(shè)備投入隧道中整個照明系統(tǒng)節(jié)電約30.9%。如圖1：

照明節(jié)電設(shè)備型號：PT-150KVA-N-L-P；PT-120KVA-N-L-P

（2）穩(wěn)壓濾波及補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

將穩(wěn)壓、濾波及補(bǔ)償裝置并排設(shè)置在變壓器低壓端的母線排上。該技術(shù)可同時對諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償成都連續(xù)可調(diào)。補(bǔ)償無功功率時不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波電流時所需的儲能元件也不大。如圖2所示。

諧波污染和無功功率等都會對隧道供電系統(tǒng)的質(zhì)量和設(shè)備容量、使用壽命有著非常大的影響。研究結(jié)果顯示，運(yùn)用了穩(wěn)壓、濾波及補(bǔ)償技術(shù)的隧道供配電系統(tǒng)，系統(tǒng)諧波得到了有效地降低，波形全部都可以得到明顯改善。在設(shè)備容量之內(nèi)補(bǔ)償率大于75%；當(dāng)超出設(shè)備補(bǔ)償容量時，設(shè)備按照最大輸出能力補(bǔ)償。變壓器電流畸變率均降低到了5%一下，電能質(zhì)量得到有效提高，同時電能消耗得到有效地節(jié)約和控制靠近過諧波治理，設(shè)備運(yùn)行總電流得到下降，節(jié)能達(dá)到10%以上。以下是穩(wěn)壓、濾波及補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用前后的圖形對比，如圖3：

有源電力濾波器型號：APF/70A-4L；APF/100A-4L；

（3）節(jié)能變壓器應(yīng)用方案

目前大部分隧道采用的都是干式變壓器，如某隧道群采用的是SCB10型干式變壓器。建議采用節(jié)能型非晶合金干式變壓器（SCBH15型），它在減少空載損耗方面有相當(dāng)優(yōu)越性，如圖4，圖5所示。

從圖4，圖5兩個表的計算結(jié)果可知，雖然非晶合金干式變壓器初期投資費(fèi)用高，但總費(fèi)用低于SCB10型干式變壓器。其投資回收年限通過兩種變壓器投資價差與兩種變壓器年耗電費(fèi)用價差之比計算，考慮資金的時間價值，通過現(xiàn)值系數(shù)進(jìn)行折算。以某隧道群為例，1臺非晶合金變壓器的投資回收期為10年左右，而變壓器實(shí)際壽命可達(dá)30年，隨著非晶變壓器生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和電價的上漲，非晶合金變壓器將總費(fèi)用值變得更低。

2 相關(guān)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)措施

2.1 LED燈節(jié)能控制技術(shù)

（1）LED背景概述

LED（Light EmitTIng Diode，發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明、城市夜景、高速公路隧道照明等領(lǐng)域。交通部為貫徹落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》（國發(fā)【2006】28號文），于2007年6月啟動交通行業(yè)節(jié)能示范活動，高速公路隧道節(jié)能照明由此拉開序幕。

（2）隧道LED燈控制系統(tǒng)原理

高速公路隧道照明分為加強(qiáng)照明段、過渡照明段、基本照明段。通過智能控制系統(tǒng)對隧道內(nèi)不同照明段內(nèi)LED照明燈具進(jìn)行調(diào)光控制，在不影響車輛通行效果前提下，達(dá)到節(jié)能減排功效。公路隧道LED燈無極調(diào)光是通過控制LED等電源的輸出電流，調(diào)節(jié)其輸出功率，可實(shí)現(xiàn)256級亮度調(diào)節(jié)，調(diào)光級數(shù)多、范圍大，可應(yīng)用于對亮度調(diào)節(jié)級數(shù)要求較高的公路隧道照明控制工程中。

（3）公路隧道LED燈無極調(diào)光控制系統(tǒng)構(gòu)成

隧道LED燈無極調(diào)光控制系統(tǒng)由照明監(jiān)控計算機(jī)、光亮度檢測儀、車輛檢測器（公用）、光端機(jī)、無極調(diào)光控制器及配套的公路隧道LED燈、光（電）纜等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

2.2 風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)流量的設(shè)計均以最大風(fēng)量需求來設(shè)計，其調(diào)整方式采用檔板、風(fēng)門、回流、起停電機(jī)等方式控制，無法形成閉環(huán)回路控制，也較不考慮省電的觀念。電氣控制采用直接或Y-△起動，無法具有軟起動的功能，機(jī)械沖擊大，傳動系統(tǒng)壽命短，震動及噪音較大，需要的電源容量大，功率因數(shù)較低等是其主要的問題點(diǎn)。

從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率相關(guān)。當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，其電動機(jī)輸入功率迅速降低。例如風(fēng)量下降到80%時，轉(zhuǎn)速也下降到80%，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風(fēng)量下降到50%時，軸功率將下降到額定功率20%。采用變頻調(diào)速，改變風(fēng)機(jī)電動機(jī)的輸入頻率從而改變電動機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣流量的目的，既滿足生產(chǎn)工藝變化的要求，又節(jié)省電能，是一舉多得的最佳措施。endprint

風(fēng)機(jī)調(diào)速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速確實(shí)具有節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）應(yīng)用變頻器后，電機(jī)的電壓、電流明顯下降，電機(jī)輸入功率明顯減少。（2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%是，風(fēng)機(jī)本身的效率明顯下降，不經(jīng)濟(jì)。同時應(yīng)避免開機(jī)時祭祖的機(jī)械臨界點(diǎn)，否則會損壞機(jī)組。（4）運(yùn)行工況點(diǎn)明顯改善，風(fēng)門可以全部打開，完全由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，對生產(chǎn)操作極為方便，而且有利于風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機(jī)，通過調(diào)速來驅(qū)動風(fēng)機(jī)工作，從而提高了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設(shè)定，避免了風(fēng)機(jī)全負(fù)荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設(shè)備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應(yīng)速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設(shè)備投資回收期短。具體使用設(shè)備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術(shù)運(yùn)用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術(shù)也在高速公路上得到應(yīng)用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護(hù)簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設(shè)輸電線路、方便與建筑物結(jié)合等特點(diǎn)，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應(yīng)用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽光輻射能通過光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負(fù)載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)， 用戶負(fù)載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設(shè)備有外場監(jiān)控攝像機(jī)、光端機(jī)、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設(shè)備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設(shè)備設(shè)置點(diǎn)上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設(shè)置在電纜輸電線路遠(yuǎn)、采光好、日照平均時長超過8小時的地點(diǎn)，即能節(jié)省投資又施工、維護(hù)方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關(guān)規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費(fèi)站互通立交等重點(diǎn)監(jiān)控地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)安裝道路監(jiān)控設(shè)備。有些重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點(diǎn)遠(yuǎn)，無法實(shí)施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用就顯得尤為重要，另外根據(jù)供電距離的遠(yuǎn)近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當(dāng)成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經(jīng)地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設(shè)備條件，經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研分析，得出以下數(shù)據(jù)，如圖8所示：

通過實(shí)際測算，當(dāng)外場監(jiān)控設(shè)備距離收費(fèi)站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置必要性等因素，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，當(dāng)外場設(shè)備距離收費(fèi)站點(diǎn)距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設(shè)計需要，又能夠達(dá)到降本增效的目的，通過后期實(shí)際運(yùn)行情況看，效果相當(dāng)顯著，達(dá)到并超出設(shè)計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產(chǎn)生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。

在高速公路主要應(yīng)用于沿線各收費(fèi)站點(diǎn)的生活用水，由于各收費(fèi)站距離市區(qū)較遠(yuǎn)，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術(shù)也逐漸運(yùn)用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數(shù)量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關(guān)，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補(bǔ)水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費(fèi)站為例，收費(fèi)站平均人數(shù)40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數(shù)字相對保守），經(jīng)過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應(yīng)日常生活用水，能夠有效降低運(yùn)營成本。按照平均每15 km一個收費(fèi)站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費(fèi)站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點(diǎn)于一身。普遍的推廣太陽能技術(shù)，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應(yīng)對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當(dāng)然對于降低高速公路投資及運(yùn)營成本也有非常重要的意義。

4 結(jié)語

目前，高速公路節(jié)能技術(shù)還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關(guān)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)措施以及太陽能節(jié)能設(shè)備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設(shè)備應(yīng)用的研究等等同樣也是高速公路運(yùn)營節(jié)能的有效途經(jīng)，也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，我們應(yīng)該樹立通過充分運(yùn)用現(xiàn)代科技技術(shù)的進(jìn)步來提高節(jié)能的設(shè)計水平和質(zhì)量，而不能通過降低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來達(dá)到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設(shè)逐步深入，運(yùn)營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關(guān)管理部門的重視。更需要及時、認(rèn)真地研究和解決相關(guān)技術(shù)和管理問題，使節(jié)能效果真正在實(shí)際運(yùn)營中得以顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[5] 梁錕，曹慧.太陽能集中熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究[J].科技傳播，2010，32（9）.endprint

風(fēng)機(jī)調(diào)速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速確實(shí)具有節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）應(yīng)用變頻器后，電機(jī)的電壓、電流明顯下降，電機(jī)輸入功率明顯減少。（2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%是，風(fēng)機(jī)本身的效率明顯下降，不經(jīng)濟(jì)。同時應(yīng)避免開機(jī)時祭祖的機(jī)械臨界點(diǎn)，否則會損壞機(jī)組。（4）運(yùn)行工況點(diǎn)明顯改善，風(fēng)門可以全部打開，完全由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，對生產(chǎn)操作極為方便，而且有利于風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機(jī)，通過調(diào)速來驅(qū)動風(fēng)機(jī)工作，從而提高了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設(shè)定，避免了風(fēng)機(jī)全負(fù)荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設(shè)備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應(yīng)速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設(shè)備投資回收期短。具體使用設(shè)備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術(shù)運(yùn)用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術(shù)也在高速公路上得到應(yīng)用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護(hù)簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設(shè)輸電線路、方便與建筑物結(jié)合等特點(diǎn)，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應(yīng)用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽光輻射能通過光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負(fù)載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)， 用戶負(fù)載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設(shè)備有外場監(jiān)控攝像機(jī)、光端機(jī)、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設(shè)備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設(shè)備設(shè)置點(diǎn)上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設(shè)置在電纜輸電線路遠(yuǎn)、采光好、日照平均時長超過8小時的地點(diǎn)，即能節(jié)省投資又施工、維護(hù)方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關(guān)規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費(fèi)站互通立交等重點(diǎn)監(jiān)控地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)安裝道路監(jiān)控設(shè)備。有些重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點(diǎn)遠(yuǎn)，無法實(shí)施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用就顯得尤為重要，另外根據(jù)供電距離的遠(yuǎn)近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當(dāng)成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經(jīng)地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設(shè)備條件，經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研分析，得出以下數(shù)據(jù)，如圖8所示：

通過實(shí)際測算，當(dāng)外場監(jiān)控設(shè)備距離收費(fèi)站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置必要性等因素，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，當(dāng)外場設(shè)備距離收費(fèi)站點(diǎn)距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設(shè)計需要，又能夠達(dá)到降本增效的目的，通過后期實(shí)際運(yùn)行情況看，效果相當(dāng)顯著，達(dá)到并超出設(shè)計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產(chǎn)生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。

在高速公路主要應(yīng)用于沿線各收費(fèi)站點(diǎn)的生活用水，由于各收費(fèi)站距離市區(qū)較遠(yuǎn)，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術(shù)也逐漸運(yùn)用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數(shù)量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關(guān)，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補(bǔ)水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費(fèi)站為例，收費(fèi)站平均人數(shù)40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數(shù)字相對保守），經(jīng)過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應(yīng)日常生活用水，能夠有效降低運(yùn)營成本。按照平均每15 km一個收費(fèi)站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費(fèi)站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點(diǎn)于一身。普遍的推廣太陽能技術(shù)，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應(yīng)對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當(dāng)然對于降低高速公路投資及運(yùn)營成本也有非常重要的意義。

4 結(jié)語

目前，高速公路節(jié)能技術(shù)還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關(guān)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)措施以及太陽能節(jié)能設(shè)備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設(shè)備應(yīng)用的研究等等同樣也是高速公路運(yùn)營節(jié)能的有效途經(jīng)，也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，我們應(yīng)該樹立通過充分運(yùn)用現(xiàn)代科技技術(shù)的進(jìn)步來提高節(jié)能的設(shè)計水平和質(zhì)量，而不能通過降低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來達(dá)到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設(shè)逐步深入，運(yùn)營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關(guān)管理部門的重視。更需要及時、認(rèn)真地研究和解決相關(guān)技術(shù)和管理問題，使節(jié)能效果真正在實(shí)際運(yùn)營中得以顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊光.照明節(jié)電設(shè)備的種類及性能[J].燈與照明，2006（2）.

[2] 黃利華.論變壓器電能損耗及節(jié)能措施[J].銅業(yè)工程，2002（3）.

[3] 高遠(yuǎn)望，馮杰.隧道供配電及照明系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)綜合應(yīng)用探索[J].公路交通科技，2006（6）.

[4] 紀(jì)軍，何雅玲.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略研究[J].中國科學(xué)基金，2009（6）.

[5] 梁錕，曹慧.太陽能集中熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究[J].科技傳播，2010，32（9）.endprint

風(fēng)機(jī)調(diào)速后的理論節(jié)能效果如圖7所示。

由此可見風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速確實(shí)具有節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）應(yīng)用變頻器后，電機(jī)的電壓、電流明顯下降，電機(jī)輸入功率明顯減少。（2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%，最好在70%～80%之間。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%～50%是，風(fēng)機(jī)本身的效率明顯下降，不經(jīng)濟(jì)。同時應(yīng)避免開機(jī)時祭祖的機(jī)械臨界點(diǎn)，否則會損壞機(jī)組。（4）運(yùn)行工況點(diǎn)明顯改善，風(fēng)門可以全部打開，完全由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，對生產(chǎn)操作極為方便，而且有利于風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，延長使用壽命。（5）變頻器直接控制電機(jī)，通過調(diào)速來驅(qū)動風(fēng)機(jī)工作，從而提高了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動效率。（6）由于變頻器加減速時間可以任意設(shè)定，避免了風(fēng)機(jī)全負(fù)荷啟動時的大電流沖擊，有利于延長設(shè)備使用壽命。（7）操作方便，控制精度高，響應(yīng)速度快，使整個系統(tǒng)工作平穩(wěn)。（8）節(jié)電率在20%～70%之間，具有巨大的節(jié)能效益，設(shè)備投資回收期短。具體使用設(shè)備為：變頻器或者變頻控制柜。

2.3 太陽能技術(shù)運(yùn)用

隨著化石能源日趨緊缺和環(huán)保壓力不斷加大，各國都在積極探討新能源、可再生能源特別是太陽能。由于太陽能具有儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性和逐漸顯現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，使其成為人類最為理想的替代能源。因此，研究和開發(fā)太陽能發(fā)電已成為世界各國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。

太陽能發(fā)電分熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種基本形式，近年又形成若干個分支，以異乎尋常的速度得到快速發(fā)展，太陽能技術(shù)也在高速公路上得到應(yīng)用。

（1）太陽能光伏發(fā)電

由于太陽能光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件、故障率低、維護(hù)簡便、無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意和無需架設(shè)輸電線路、方便與建筑物結(jié)合等特點(diǎn)，它已成為太陽能發(fā)電最基本、最普遍和最有前景的應(yīng)用形式。

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽光輻射能通過光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器和用戶負(fù)載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護(hù)系統(tǒng)， 用戶負(fù)載為系統(tǒng)終端。

高速公路外場監(jiān)控所采用的主要設(shè)備有外場監(jiān)控攝像機(jī)、光端機(jī)、微波車檢器、氣象檢測器等。而大部分設(shè)備的供電電壓為5V～24V。采用太陽能供電系統(tǒng)能夠完全滿足這一要求。在高速公路外場設(shè)備設(shè)置點(diǎn)上，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般設(shè)置在電纜輸電線路遠(yuǎn)、采光好、日照平均時長超過8小時的地點(diǎn)，即能節(jié)省投資又施工、維護(hù)方便。

按照高速公路道路監(jiān)控系統(tǒng)及公安部安防等相關(guān)規(guī)范，在重要路段、特大橋、隧道出入口、收費(fèi)站互通立交等重點(diǎn)監(jiān)控地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)安裝道路監(jiān)控設(shè)備。有些重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域由于距離有源供電點(diǎn)遠(yuǎn)，無法實(shí)施供電電纜供電，太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用就顯得尤為重要，另外根據(jù)供電距離的遠(yuǎn)近，太陽能供電系統(tǒng)一次性投資較電纜供電而言能夠節(jié)約相當(dāng)成本。

以陜西某高速公路道路監(jiān)控項目為例，該高速公路途經(jīng)地區(qū)氣候適宜，日照充足，具備使用太陽能設(shè)備條件，經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研分析，得出以下數(shù)據(jù)，如圖8所示：

通過實(shí)際測算，當(dāng)外場監(jiān)控設(shè)備距離收費(fèi)站箱變2500 m時，僅太陽能供電系統(tǒng)每套一次性投資能夠節(jié)約成本近1.8萬元，項目合計節(jié)約投資近30萬元。綜合各方面原因考慮，比如供貨周期、施工難度、安全防盜、監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置必要性等因素，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，當(dāng)外場設(shè)備距離收費(fèi)站點(diǎn)距離大于2500m時，考慮使用太陽能供電系統(tǒng)供電，距離小于2500m時，使用供電電纜供電。該方案既能滿足系統(tǒng)方案設(shè)計需要，又能夠達(dá)到降本增效的目的，通過后期實(shí)際運(yùn)行情況看，效果相當(dāng)顯著，達(dá)到并超出設(shè)計要求。

（2）太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用

太陽集熱系統(tǒng)主要包括太陽能熱水器、儲熱水箱及循環(huán)系統(tǒng)，是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產(chǎn)生系統(tǒng)。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管，由它吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。

在高速公路主要應(yīng)用于沿線各收費(fèi)站點(diǎn)的生活用水，由于各收費(fèi)站距離市區(qū)較遠(yuǎn)，以前主要靠煤炭、電能等資源維持日常生活所需。由于太陽能集熱系統(tǒng)的普及，該項節(jié)能技術(shù)也逐漸運(yùn)用到高速公路上。太陽能熱水器的采光面積及使用數(shù)量與集熱器的熱性能、使用期間的氣象條件、用戶所需的水量和水溫等諸多因素有關(guān)，太陽能熱水器聯(lián)接方式為并聯(lián)的集熱器組并聯(lián)，該系統(tǒng)具有自動補(bǔ)水功能，無人值班，通過自動控制的水泵循環(huán)換熱。其原理圖如圖9所示。

以陜西某高速公路二級收費(fèi)站為例，收費(fèi)站平均人數(shù)40人，平均每人每天使用生活熱水0.05 t，全站平均每天使用生活熱水2 t，陜西省全年平均氣溫11 ℃，考慮到管道傳輸熱量流失，熱水加熱至溫度56 ℃，通過以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果，如圖10。

以上采用宏觀的平均算法（數(shù)字相對保守），經(jīng)過初步核算，使用太陽能集熱系統(tǒng)供應(yīng)日常生活用水，能夠有效降低運(yùn)營成本。按照平均每15 km一個收費(fèi)站，陜西高速已突破4000 km，共計近270個收費(fèi)站，保守估計每年能夠節(jié)約金額近90余萬元，起到了較好的降本增效的效果。

總之，太陽能作為一種新型能源，集環(huán)保、節(jié)能、綠色等特點(diǎn)于一身。普遍的推廣太陽能技術(shù)，對于改善植被、減少水土流失、降低溫室效應(yīng)對地球溫度的影響、降低環(huán)境污染等，都有很重要的意義，當(dāng)然對于降低高速公路投資及運(yùn)營成本也有非常重要的意義。

4 結(jié)語

目前，高速公路節(jié)能技術(shù)還有許多研究可做，除了本文討論的前端電壓電流節(jié)能控制、相關(guān)設(shè)備的節(jié)能控制技術(shù)措施以及太陽能節(jié)能設(shè)備的使用外，開展照明系統(tǒng)的節(jié)能控制、節(jié)能設(shè)備應(yīng)用的研究等等同樣也是高速公路運(yùn)營節(jié)能的有效途經(jīng)，也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，我們應(yīng)該樹立通過充分運(yùn)用現(xiàn)代科技技術(shù)的進(jìn)步來提高節(jié)能的設(shè)計水平和質(zhì)量，而不能通過降低設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來達(dá)到節(jié)能目的的理念。隨著高速公路的建設(shè)逐步深入，運(yùn)營節(jié)能將越來越受到社會公眾及相關(guān)管理部門的重視。更需要及時、認(rèn)真地研究和解決相關(guān)技術(shù)和管理問題，使節(jié)能效果真正在實(shí)際運(yùn)營中得以顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊光.照明節(jié)電設(shè)備的種類及性能[J].燈與照明，2006（2）.

[2] 黃利華.論變壓器電能損耗及節(jié)能措施[J].銅業(yè)工程，2002（3）.

[3] 高遠(yuǎn)望，馮杰.隧道供配電及照明系統(tǒng)中節(jié)能技術(shù)綜合應(yīng)用探索[J].公路交通科技，2006（6）.

[4] 紀(jì)軍，何雅玲.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略研究[J].中國科學(xué)基金，2009（6）.

[5] 梁錕，曹慧.太陽能集中熱水系統(tǒng)節(jié)能效益分析研究[J].科技傳播，2010，32（9）.endprint