徐韶華

（廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007）

0 引言

近年來隨著公路建設(shè)不斷向西部及邊遠(yuǎn)山區(qū)的推進(jìn)，我國公路隧道的修建量越來越多。依據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)定，100m以上的公路隧道需要照明設(shè)施，但有些邊遠(yuǎn)地區(qū)尤其是西部地區(qū)，人口稀少，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，隧道照明用電難以獲取。再加上昂貴的后期運(yùn)營費(fèi)用，使得邊遠(yuǎn)地區(qū)的隧道照明問題日益嚴(yán)重。因此為保證這些地區(qū)的隧道行車安全，研究發(fā)展適應(yīng)這種條件下的隧道供電照明系統(tǒng)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(yīng)，又能滿足隧道照明要求并且同時(shí)能降低運(yùn)營管理成本的隧道LED智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠充分利用豐富的太陽能資源及LED照明系統(tǒng)優(yōu)勢，為西部及邊遠(yuǎn)地區(qū)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(yùn)營安全。

1 系統(tǒng)的提出

目前國內(nèi)隧道機(jī)電系統(tǒng)供電基本都采用常規(guī)電網(wǎng)供電，其高昂的高壓供電線路建設(shè)費(fèi)用和后期照明運(yùn)營費(fèi)用已成為導(dǎo)致我國現(xiàn)有遠(yuǎn)離電網(wǎng)的中短隧道無照明設(shè)施的主要原因，該現(xiàn)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(wǎng)建設(shè)及后期運(yùn)營費(fèi)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(fā)電已成為目前用電負(fù)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(yuǎn)地區(qū)由于受地理環(huán)境、交通等因素制約，常規(guī)電力不易進(jìn)入，但這些地方具有日照時(shí)間長、日射強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，為太陽能發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的條件。建立太陽能發(fā)電的隧道供電系統(tǒng)，既省去了極大部分的運(yùn)營成本，又緩解了常規(guī)能源的短缺，并且不會造成環(huán)境污染。

雖然太陽能供電優(yōu)勢明顯，但是缺點(diǎn)也明顯。太陽能發(fā)電效率的低下以及連續(xù)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(fù)荷不能太大，否則前期投入過大，造成很大的成本浪費(fèi)。而智能供電控制器、智能無級調(diào)光控制器及LED燈具的配合使用，在保證隧道連續(xù)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(tǒng)的完美實(shí)現(xiàn)。

本文提出的基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統(tǒng)，能根據(jù)洞外亮度及連續(xù)陰雨天的狀態(tài)自動調(diào)節(jié)照明亮度大小和控制照明供電回路，在滿足隧道內(nèi)照明需求的前提下大大減少隧道照明運(yùn)營成本。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統(tǒng)主要分為太陽能供電子系統(tǒng)和隧道照明子系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換為存儲在蓄電池組中的電能，為隧道內(nèi)照明及其他設(shè)備提供電源。風(fēng)力發(fā)電作為太陽能供電的補(bǔ)充，可以保證隧道照明系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天氣過長時(shí)，仍可通過風(fēng)力發(fā)電來供應(yīng)電力，并給蓄電池提供充電保證。蓄電池充電后通過一個(gè)智能供電控制器來根據(jù)天氣狀況對各供電回路來進(jìn)行選擇性供電，從而盡可能地延長系統(tǒng)在連續(xù)陰雨天狀況下的工作連續(xù)性。在設(shè)計(jì)中采用LED作為照明燈具，配套使用智能無級調(diào)光控制系統(tǒng)，其工作狀態(tài)可根據(jù)外界光線大小和車流量實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可通過有線或者無線通信系統(tǒng)上傳至控制中心，控制中心也可以根據(jù)突發(fā)事件的需求，來主動控制隧道內(nèi)LED燈的運(yùn)行狀態(tài)。

以下就太陽能供電子系統(tǒng)和隧道照明子系統(tǒng)作出詳細(xì)的說明。

2.1 太陽能供電子系統(tǒng)

太陽能供電照明系統(tǒng)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(jiān)測報(bào)警子系統(tǒng)及輔助風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)等組成。

太陽能電池組是隧道太陽能照明系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電能并經(jīng)充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，風(fēng)力發(fā)電可作為太陽能供電的補(bǔ)充。在系統(tǒng)中，當(dāng)白天光照條件很好的情況下，智能充電控制器可自動進(jìn)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(zhuǎn)換為涓流充電，該技術(shù)可保證在較短時(shí)間內(nèi)蓄電池能充滿電，盡可能地適應(yīng)變化多端的天氣狀況。

在太陽能供電子系統(tǒng)中，隧道照明通常分入口加強(qiáng)照明、出口加強(qiáng)照明、基本（應(yīng)急）照明三個(gè)回路，由智能供電控制器來根據(jù)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(dāng)外部連續(xù)陰雨天和蓄電池電量較低時(shí)，及時(shí)關(guān)斷加強(qiáng)照明及其他供電回路，并且配合智能無級調(diào)光系統(tǒng)從而保證基本（應(yīng)急）照明回路的最長時(shí)間運(yùn)行。該智能供電控制器的應(yīng)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(tǒng)

隧道照明子系統(tǒng)主要包含LED燈具及智能無級調(diào)光系統(tǒng)。

在系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)約直流電逆變和交流電整流的能耗，更因?yàn)闊o需整流電路而增加了燈具電源自身的穩(wěn)定性與可靠性，從而降低LED燈具的故障率。

在隧道照明領(lǐng)域，按需照明一直是不斷追求的理想形式，由于傳統(tǒng)光源亮度難以控制，而設(shè)計(jì)時(shí)又必須考慮足夠的設(shè)計(jì)冗余，因此公路隧道普遍存在過度照明、電能浪費(fèi)巨大的現(xiàn)象。而本文中智能無級調(diào)光控制器的使用無疑能解決這些能源浪費(fèi)問題，進(jìn)而達(dá)到按需照明。該部分的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能無級調(diào)光系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)可分為手動調(diào)光、時(shí)間調(diào)光、自動調(diào)光模式，并且能根據(jù)外設(shè)傳感器狀態(tài)自動切換狀態(tài)，并將故障上報(bào)中心。本控制系統(tǒng)的調(diào)光信號采用PWM模式，目前LED調(diào)光控制系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)上有單燈尋址、單燈巡檢等優(yōu)勢，但是系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，維護(hù)工作繁瑣，系統(tǒng)可靠性不高；0～10V、0～5V的控制方式具有系統(tǒng)搭建簡單，施工方便等優(yōu)勢，但是該種模擬調(diào)光方式因調(diào)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(dǎo)致燈具亮度不一致的現(xiàn)象；而PWM調(diào)光則集成了數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光的優(yōu)勢使得系統(tǒng)簡單可靠，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光。

3 本系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

本太陽能供電隧道LED智能照明系統(tǒng)不僅利用太陽能光伏發(fā)電代替了傳統(tǒng)的發(fā)電模式，而且還利用現(xiàn)代照明控制技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(yùn)營管理成本，從而為具有豐富太陽能資源的西部地區(qū)提供一種有效的公路隧道照明方案。具體技術(shù)優(yōu)勢有如下幾個(gè)方面。

3.1 太陽能供電方面

（1）利用太陽能光伏發(fā)電，節(jié)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(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，并且有利于治理污染，改善環(huán)境。

（2）太陽能發(fā)電，有利于遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)隧道的電力獲取，從而減少遠(yuǎn)距離架設(shè)電纜的成本浪費(fèi)。

（3）太陽能發(fā)電，能有效解決邊遠(yuǎn)地區(qū)因電力缺乏而導(dǎo)致的隧道照明電力缺口。

（4）依托太陽能光伏發(fā)電，隧道后續(xù)運(yùn)營無需支付高昂的供電費(fèi)用，大大減少運(yùn)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(jié)能效果。LED燈具亮度的調(diào)節(jié)采用無級控制方式，這種方式比分級控制的同類燈具更節(jié)能30%左右。

（2）可根據(jù)隧道外光線的強(qiáng)弱和車輛檢測實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部LED燈具發(fā)光強(qiáng)度的無級調(diào)控，能更好地控制照明亮度，給司機(jī)提供一個(gè)更為安全、舒適的駕車環(huán)境。

（3）因燈具亮度跟隨洞外亮度大小調(diào)節(jié)，所以大多數(shù)時(shí)間LED燈具均未滿負(fù)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(dāng)隧道未達(dá)到設(shè)計(jì)車流量時(shí)，可依據(jù)規(guī)范對洞內(nèi)照明強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)折減，以確保在滿足規(guī)范的前提下最大限度地避免過度照明。

（5）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可自動根據(jù)傳感器狀態(tài)切換工作狀態(tài)，并且將故障信息及時(shí)上傳至監(jiān)控中心，通知維護(hù)人員及時(shí)解決故障問題。

4 本系統(tǒng)推廣的經(jīng)濟(jì)效益

基于太陽能供電的隧道LED智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用，有效地解決了因常規(guī)電力缺乏或者不易進(jìn)入而導(dǎo)致隧道照明困難的問題，帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

以2km隧道為例，現(xiàn)把本系統(tǒng)與規(guī)范中建議的高壓鈉燈六級調(diào)光照明系統(tǒng)（即晴天、云天、陰天、重陰天、夜晚、深夜）進(jìn)行投資運(yùn)營費(fèi)用的對比。

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

表1 投資運(yùn)營費(fèi)用分析表

從表1中可以看出，太陽能供電方案的造價(jià)要比鈉燈六級調(diào)光系統(tǒng)高，但由于太陽能方案每年可節(jié)省90多萬元電費(fèi)，并且年維護(hù)費(fèi)用也要比鈉燈方案低。若隧道在設(shè)計(jì)車流量條件下按規(guī)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(xù)的資金投入，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

作為21世紀(jì)中國六大發(fā)展戰(zhàn)略之一，“西部大開發(fā)”廣為矚目。公路作為西部的主導(dǎo)性交通基礎(chǔ)設(shè)施，是促進(jìn)西部地區(qū)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和保障，加快其建設(shè)是西部當(dāng)前乃至今后一段時(shí)期的“第一要?jiǎng)?wù)”。將太陽能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于隧道照明這一技術(shù)方案的提出，既是一項(xiàng)非常時(shí)新有效的技術(shù)，又將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為企業(yè)乃至整個(gè)行業(yè)的科技進(jìn)步起著良好的帶頭作用。

［1］JTG D70／2－2014，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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