太陽能發(fā)電在公路隧道照明中的應用

李曉衛(wèi)

公路隧道一旦投入使用，正常狀態(tài)下照明系統(tǒng)幾乎處于長期點亮狀態(tài)。隧道照明出、入口的用電量，遠遠大于隧道中間段的單位用電量，按照規(guī)范來計算兩個長度100m的短隧道照明用電量，遠遠大于一個長度200m的中等隧道。從整個路網(wǎng)運營的經(jīng)濟成本考慮，地理位置偏遠的短隧道存在鋪設線路遠、輸電成本高等問題，往往困擾運營者。有些地方的照明條件根本無法達到規(guī)范的要求，這對于交通運輸?shù)陌踩嬖谥卮箅[患，而引入太陽能或風能發(fā)電就可以解決這一特殊問題［1］?？紤]兩者的光電轉化效率不高，該種供電方式的輸出采用直流供電的LED照明燈具，避免了直流電流向交流電流轉化過程中的能量消耗問題。通過引入交通工程理論和控制理論工程的方法，提出了合理的控制方案。

1 風能發(fā)電的理論與應用

風能是太陽能在地球表面的另一種表現(xiàn)形式。由于地表濕度和空氣濕度的溫差而形成的風能是一種可再生資源，風力發(fā)電具有清潔、裝機短等優(yōu)點，被廣泛應用于取電困難的偏遠山區(qū)的供電。在隧道節(jié)能供電中，根據(jù)隧道所處地域的特點，應用風力發(fā)電進行隧道照明供電，是隧道機電節(jié)能中的一項重要技術。

1.1 風能發(fā)電的容量計算

根據(jù)前期采集的數(shù)據(jù)，獲得當?shù)氐钠骄L速后，利用風能基本公式來計算發(fā)電

時風機的基本功率?；竟饺缦拢?/p>

其中，P為發(fā)電功率；C為風能利用系數(shù)，在實際過程中，風能利用系數(shù)因地取值范圍為0.2～0.4之間；η為風力發(fā)電機組功率輸出綜合效率，通常取值范圍為0.80～0.95；A為風輪掃掠面積，單位m2；ρ為空氣密度；V為風速。

計算風力發(fā)電機的輸出功率的理論值，可以根據(jù)當?shù)夭杉娘L資源數(shù)據(jù)推出月發(fā)電量，而根據(jù)風機功率和風速概率就可以計算出年發(fā)電量［2］。

1.2 關于風速概率的選擇

首先將風速劃分成若干個等級（以1m／s為例），利用函數(shù)計算出風速留在V1和V1＋1之間的概率，然后同該月的總小時數(shù)相乘，帶入公式（1）中，就可以求出這個范圍之間風力發(fā)電機輸出功率。該功率與發(fā)電機和齒輪箱的傳動效率（一般取值0.9）之積，就是風力發(fā)電機的輸出電能。

目前應用比較廣泛的風速概率確定方法有兩個，瑞利分布和威布爾分布?？紤]我國大部分隧道地處高山或者第二三階梯，應用威布爾分布計算比較精確：

經(jīng)過試驗比較驗證修改后的公式更加符合實際工況，

其中，K是形狀參數(shù)，A是標度參數(shù)。這樣風速落到該區(qū)間的概率就是

由此每天的發(fā)電量可準確求出，如果想求出更加精確的風機發(fā)電量，采用的風速間隔可以進一步細化。

2 太陽能理論與應用

風力發(fā)電系統(tǒng)是一種小型風力發(fā)電機，在實際生活中，并不是所有的隧道都能采用風能供電照明的，必須是同時滿足一定地理和自然條件的短隧道。并且風能還有可靠性差、不能獨立完成供電輸出的缺點，所以引入了以太陽能光伏發(fā)電為主、風力發(fā)電為輔的風光互補技術，作為照明供電的輸出。

公路隧道的太陽能供電，主要就是利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為隧道交通工程附屬設施提供直流電源。整個電源系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池方陣、充放電控制模塊、蓄電池組件、電源輸出控制模塊、電源檢測應急和各接口組成。

2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)構成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下3個部分組成：

（1）光伏電池組件方陣，由太陽能電池組件按照系統(tǒng)設計串、并聯(lián)而成。在太陽光照射下，該電池組將太陽能轉換成電能輸出，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件之一。在狹窄的山區(qū)應用高鐵中太陽能供電思想，采用洞口山體展開布設方法獲取太陽能。對于無法展開的洞口，采取山體采光好的位置獲取太陽能，在隧道中部開洞布線方式提供電能。

（2）蓄電池，將太陽能光伏電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來，以滿足負載的電能需求。

（3）控制器，對蓄電池的充、放電加以控制，按照光照條件控制太陽光伏電池或蓄電池提供電能，是整個系統(tǒng)核心控制部分。

太陽能光伏系統(tǒng)的工作原理就是在太陽光的照射下，由于物質(zhì)吸收光能產(chǎn)生電動勢的光生伏打效應，利用半導體內(nèi)p－n結對外形成與勢壘電場相反的光生電場，接通外電路，使p－n－結短路，就會產(chǎn)生電流。當把眾多的這樣小的太陽能光伏電池單元通過串聯(lián)、并聯(lián)的方式組合在一起，構成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。將太陽電池組件產(chǎn)生的電能，通過可控制器的控制，給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電。

2.2 電源控制系統(tǒng)

電源控制模塊主要是由微型單片機組成，可以根據(jù)外界光照條件決定太陽能光伏板直接供電或是蓄電池供電，并采用穩(wěn)壓電子元件提供電能輸出。同時聯(lián)網(wǎng)通信，上傳和下控各種信號，確保供電系統(tǒng)的正常運行［3］。

3 高亮白光LED照明的選取與應用

太陽能供電系統(tǒng)與LED照明系統(tǒng)有效地結合，主要是因為兩者輸出和輸入均為直流電壓，不需要轉換，以減少能量損失。

3.1 高亮白光LED燈結構原理

考慮隧道中采用的環(huán)境和供電來源，本文中采用藍光LED加熒光粉作為高亮LED實現(xiàn)方法。

藍光LED加熒光粉。該方法成本低和顯色性好占據(jù)主流，在藍光LED加YAG熒光粉的如值Ra約為70，在室溫下，正向電壓3.6V，電流為200mA，發(fā)光強度達0.6cd，發(fā)光效率7.51m／w，色溫6000K。目前，用LED可以制成最大亮度為的白色500cd／m2的白色光源［4］。

3.2 高亮白光LED照明系統(tǒng)驅(qū)電路

高亮LED是經(jīng)過處理的PN結半導體，正向偏置時發(fā)光，同時表現(xiàn)出類似二極管的伏安特性，具有較高的結壓降，到達正向電壓UF時，電流迅速上升的現(xiàn)象。為確保LED正常工作，本文采用限流措施的驅(qū)動電路，以MAX5033為核心，外圍電路連接DC／DC轉換器、開關電路和反饋取樣電路組成驅(qū)動電路［5］。

4 互補供電關鍵技術的討論

太陽能供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關重要，如何在惡劣天氣中提供穩(wěn)定的電能是整個太陽能供電技術的關鍵所在，討論如下。

（1）蓄電池的 充 放 電技 術［6］［7］。蓄 電 池 充 電主要采用3種方式：：“循環(huán)制、浮充制和帶有循環(huán)成分的浮充制”。由于光照能量的不穩(wěn)定性，采用帶有循環(huán)成分的浮充制。該方法主要由主充電、限流充電和浮充3個階段工作。主充電階段，充分利用風光互補技術進行大電流充電，使蓄電池電壓迅速上升。當電壓接近預先設計閥值U時進入限流階段，此時為降低電流充電，是電流逐漸達到電流閥值I開始浮充充電，采用涓流形式對蓄電池進行浮充點，維持蓄電池荷電。三階段可能 因為設備工況的變化出現(xiàn)蓄電池放電現(xiàn)象，但是端電壓能保持穩(wěn)定的值域，該方法因減少了循環(huán)充放電次數(shù)而延長了蓄電池的壽命，同時提高了蓄 電池的電能效率。

表1 各種追蹤最大功率法比較

由于這種工作方式基本處于浮充狀態(tài)，電壓的選擇至關重要。電壓過大會導致電流呈指數(shù)關系增大，電池發(fā)熱量大，電池溫度升高又會導致電流加劇，如此循環(huán)電池會報廢；電壓過小電流也呈現(xiàn)指數(shù)關系減小，造成充電不足，蓄電池會因長期酸堿化而失效［8］。經(jīng)過長期試驗對比，浮充電壓取值為全組電池浮充電壓平均值加上各單元電池浮充電壓標準差的1.5倍時充電效果最佳。另外，對于進行充電的蓄電池必須進行溫度補償，只有溫度補償后的電壓才能正確表征蓄電池荷電狀態(tài)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能［9］。

（2）蓄電池容量的設計。太陽能蓄電池容量計算公式理論值很多。經(jīng)過大量實驗和測試，采用修正后的公式計算，負載和蓄電池容量的關系見公式（5）：

其中：P為標準狀態(tài)（AM1.5，日照強度1000W／m2，25℃）下太陽能輸出功率，kW；H為某時期光伏陣列獲取日照量，kW／m2；G為標準狀態(tài)日照量；E為某時刻耗電量；D為負載對光伏系統(tǒng)依存率，中國地區(qū)取0.095～1.050（光弱～光強）；R為設計冗余系數(shù)（查詢氣象部門日照量和說明書進行環(huán)境補正）；K為綜合設計系數(shù)（測量試驗獲得對組件偏差補正，包括線路損失即設備損失的加權和）［10］。

5 隧道照明特點及應用

按照規(guī)范的定義和實際的應用，這里的短隧道是指長度為100m～500m的隧道，根據(jù)出口的通透性和交通量等因素確定照明要求。短隧道由于具有穿越時間短、受洞外影響大和無中間照明等特點，因而短隧道照明的主要難題，在于消除駕駛員短時間內(nèi)的黑框效應和亮洞效應，消除安全隱患。

為了合理利用電能，同時消除安全隱患，經(jīng)過試驗對比，建議在短隧道中添加誘導設施。誘導設施從眼生理學的理論出發(fā)，采用LED誘導燈點亮一系列亮點，增加視覺強度和長度。誘導分為主動誘導LED燈和被動誘導反光標識，通過亮度的不同和 閃爍的模式來共同完成隧道內(nèi)的誘導調(diào)節(jié)［1］。

目前，利用太陽能照明已在中、短隧道中大面積推廣。簡單列舉一個實例說明利用太陽能所取得的節(jié)約、環(huán)保的效益。如某座利用太陽能照明的隧道，全長270m，凈寬9.5m，凈高5m，燈具按規(guī)范分4段對稱布置，共68盞總功率2.18kW。系統(tǒng)設計平均每天照明10h，晚上關閉，在陰雨連綿的條件下可持續(xù)照明3d，使用壽命25a。該系統(tǒng)比用火力發(fā)電照明系統(tǒng)節(jié)約費用853.2萬元，節(jié)約標準煤968t，減少二氧化碳2 730t、二氧化硫23t。

［1］JTJ 026.1－1999，公路隧道通風照明設計規(guī)范［S］.

［2］韓 直，方建勤，洪偉鵬.公路隧道節(jié)能技術［M］.北 京：人民交通出版社，2010.

［3］趙忠杰，陳廣交.風光互補技術及高亮LED系統(tǒng)在公路隧道照明中的應用［J］.公路交通科技，2012，4（29）：96－100.

［4］楊 恒.LED照明驅(qū)動電路設計與實例精選［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］史光國.半導體發(fā)光二極管及固體照［M］.北京：科學出版社，2006.

［6］楊清德，康 婭.LED及其工程應用［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［7］司俊麗.第三代太陽能電池的效率計算［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

［8］也秋香.光伏電池最大功率跟蹤器的模糊控制［D］.上海：東華大學，2006.

［9］張嘉英.光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2006.

［10］陳廣交.太陽能在高速公路監(jiān)控中的應用［D］.西安：長安大學.