基于太陽能的LED公路隧道照明系統(tǒng)的研究

寧鐸+楊婷+張博+趙彬

摘要：為解決公路隧道照明運營費用的高昂，提出了基于太陽能的LED公路隧道照明系統(tǒng)，根據(jù)外部調(diào)光傳感器測得的隧道外亮度、車速和車流量等信息，計算隧道各區(qū)段照明的亮度需求，動態(tài)調(diào)節(jié)隧道各區(qū)段LED光源組的亮度，實現(xiàn)按需照明，避免因分級控制等傳統(tǒng)控制方法造成的能源浪費，在保證安全的基礎(chǔ)上，達到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：太陽能；LED照明；照明節(jié)能；公路隧道

近年來，我國公路隧道發(fā)展迅速，公路隧道不僅縮短了城市之間的距離，還加強了各個區(qū)域之間人員，文化等各方面的交流，提升了資源的優(yōu)化配置，促進國民經(jīng)濟的大力發(fā)展。

但隨著公路網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，在西部等偏遠地區(qū)，電力條件不足，對公路隧道的運行成本要求較高，尤其是公路隧道照明系統(tǒng)，要滿足駕駛?cè)藛T在白天和黑夜的正常通行，供電問題更趨突出。如何設(shè)計出滿足工程技術(shù)指標，并且降低工程造價的公路隧道照明系統(tǒng)便顯得格外重要。太陽能作為一種綠色無污染的免費天然能源，如果可以加以利用，使其充分應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去，不僅響應(yīng)國家節(jié)能的政策，而且將帶來可觀的經(jīng)濟效益。因此，本設(shè)計將著手研究一種利用太陽能供電LED來實現(xiàn)公路隧道照明的基本需求，為西部等偏遠地區(qū)的公路隧道照明提供解決方案，節(jié)約成本。

1系統(tǒng)的設(shè)計方案

如圖1所示為太陽能LED隧道照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)包含太陽能供電系統(tǒng)和LED隧道照明調(diào)光系統(tǒng)兩個部分。太陽能電池板吸收太陽光的輻射，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用蓄電池充電控制器將電能儲存至蓄電池中，以供LED隧道照明系統(tǒng)的使用。本設(shè)計選用LED作為照明燈具，同時根據(jù)公路隧道外部調(diào)光傳感器，使主控制器和各LED調(diào)光控制器進行通訊調(diào)光，滿足隧道照明的實時需求，以保障公路隧道駕駛員的行車安全。

1.1太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)主要包含太陽能電池板、蓄電池充電控制器、蓄電池三個部分。白天，當太陽光照射到太陽能電池表面時，太陽能電池板產(chǎn)生的電能通過蓄電池充電控制器對蓄電池進行充電；夜晚，太陽能電池板停止工作，蓄電池釋放余下儲存的電能，供給LED燈組。

太陽能LED公路隧道照明主要分為為四個路段進行供電，人口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明來控制公路隧道照明的正常運行，LED隧道照明結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在蓄電池充放電控制器的充電控制策略上，僅僅利用傳統(tǒng)的充電方式無法達到馬斯最佳充電曲線，所以本設(shè)計選用四階段充電方式，涓流充電階段、恒流充電階段、恒壓充電階段、浮充充電階段。四階段充電法電流電壓曲線如圖3所示，當蓄電池開始充電時，蓄電池電壓處于嚴重欠電壓狀態(tài)，蓄電池開始接受的電流較小，以防止損傷蓄電池，進行涓流充電階段，同時測量蓄電池的電壓大?。划斝铍姵剡_到設(shè)置的大電流充電電壓時，進行第二階段恒流充電階段，此階段蓄電池處于欠電壓狀態(tài)，充電電流較大，使蓄電池電壓快速上升；當恒流充電方式達到蓄電池的過充限制電壓時，進入第三個階段恒壓充電階段，此時充電電流變小，充電電壓上升速度減慢；當蓄電池電壓接近飽和狀態(tài)時，進入第四個階段，浮充充電方式，使得充電方式最接近蓄電池的充電特性，延長蓄電池壽命。

1.2 LED隧道照明調(diào)光系統(tǒng)

LED隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)是為解決公路隧道產(chǎn)生“白洞”和“黑洞”現(xiàn)象，通過檢測隧道洞外亮度、車流量、車速等信息，跟蹤隧道各區(qū)段照明亮度的需求，動態(tài)調(diào)節(jié)隧道各區(qū)段LED燈的亮度，實現(xiàn)按需照明，避免因分級控制等傳統(tǒng)控制方法造成的照明浪費，在保證駕駛員正常運行的基礎(chǔ)上減少隧道照明能耗。LED隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)組成原理圖如圖4所示，系統(tǒng)由洞外亮度檢測器、隧道內(nèi)照度檢測器、微波車檢器、主控制器、LED調(diào)光控制器、LED隧道燈等組成。主控制器通過總線與檢測設(shè)備、各區(qū)段LED調(diào)光控制器相連接，根據(jù)檢測設(shè)備的各項數(shù)據(jù)信息，實時分析計算隧道各區(qū)段的所需亮度信息，下發(fā)調(diào)光指令到各LED調(diào)光控制器。主控器可對各LED調(diào)光控制器地址進行分組，如人口段組、過渡段組、中間段組、出口段組，每組的工作狀態(tài)都不相同。同時具有人機交互功能，可直接查看各LED調(diào)光控制器的工作狀態(tài)，及時排除系統(tǒng)故障，也可手動下發(fā)調(diào)光控制命令到各LED調(diào)光控制器。

LED隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)中LED調(diào)光控制器是重要的組成部分，通過總線與主控制器連接，本設(shè)計采用PWM調(diào)光技術(shù)對LED隧道燈的亮度進行調(diào)節(jié)。主控制器不僅接受外部調(diào)光傳感器發(fā)回的調(diào)光需求，向LED隧道照明調(diào)光控制器下發(fā)調(diào)光指令調(diào)節(jié)LED隧道燈的亮度，同時當上位機需要對工作狀態(tài)進行監(jiān)控時，主控制器及時反饋隧道各區(qū)段的LED隧道燈亮度情況，車流量、洞外亮度、車速、通訊狀態(tài)等信息。

2系統(tǒng)優(yōu)勢

太陽能LED公路隧道照明系統(tǒng)放棄傳統(tǒng)的市電供電模式，采用太陽能供電實現(xiàn)了綠色環(huán)保，節(jié)約能源的目的。同時還結(jié)合智能控制技術(shù)，對公路隧道LED進行智能調(diào)光，提供更好的駕駛環(huán)境，建立上位機對隧道照明系統(tǒng)進行實時的監(jiān)控。具體優(yōu)勢有以下幾個方面：

①太陽能作為免費能源，減少后續(xù)公路隧道照明系統(tǒng)的資金投入，解決公路隧道照明在偏遠地區(qū)無電的困難，大大節(jié)約了運營費用。

②太陽能是一種新興綠色能源，對環(huán)境沒有任何污染的清潔能源，降低了不可再生能源的消耗，體現(xiàn)人與自然和諧相處的宗旨。

③實現(xiàn)隧道照明節(jié)能，本設(shè)計選用LED作為隧道燈，同時利用智能無極控制方式，大大節(jié)約了能源。

④解決“黑洞”、“白洞”的視覺問題，確保行車安全，公路隧道在白天的人口段和出口段會產(chǎn)生“白洞”和“黑洞”效應(yīng)，通過對LED動態(tài)調(diào)節(jié)，消除視覺問題，保證行駛?cè)藛T的安全。

⑤實現(xiàn)智能照明，我國大多采用分級方式實現(xiàn)隧道照明，其照明利用效率低，費用高，采用智能調(diào)節(jié)LED達到亮度需求，節(jié)約電能，保證駕駛員行車安全并提升舒適性。

⑥燈具使用壽命長，采用LED隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)的隧道，LED隧道燈可減少全功率工作的時長，減少燈具因溫度過高造成電光轉(zhuǎn)換效率下降以及不可恢復(fù)的光衰，延長其使用壽命，降低燈具損壞的故障發(fā)生率。

⑦便于維護管理，LED隧道照明調(diào)光控制系統(tǒng)能實時顯示隧道車流量、車速、洞外亮度、LED隧道燈、LED調(diào)光控制器工作狀態(tài)、及時發(fā)現(xiàn)故障并排除，確保公路隧道照明系統(tǒng)的正常。

3結(jié)束語

設(shè)計太陽能LED公路隧道照明系統(tǒng)，改變利用市電供能隧道照明的傳統(tǒng)概念，解決西部地區(qū)用電不便的困境，大大利用西部地區(qū)的天然優(yōu)勢，實現(xiàn)太陽能LED公路隧道照明，并且很大程度上降低了隧道照明的運營費用，節(jié)約能源、保護環(huán)境。