隧道智能光伏照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究

華實(shí)

摘要：考慮到傳統(tǒng)隧道照明存在耗能高、成本高等缺點(diǎn)，以新型光伏照明和智能控制為基礎(chǔ)，融合自然光照明、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、LED電源、智能照明控制等多項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)研究了一種隧道智能光伏照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)體現(xiàn)了安全、節(jié)能、低成本理念，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)期零輸變電建設(shè)費(fèi)用，運(yùn)營(yíng)期間零電費(fèi)開(kāi)支、零碳排放。

關(guān)鍵詞：智能光伏照明;LED;安全;低成本

0 引言

隧道照明是保證隧道行車安全的關(guān)鍵因素之一。隧道照明往往受隧道洞外亮度、車流量、車速等因素影響。由于隧道入口亮度和交通量不同，人眼對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有所差異，故而對(duì)隧道整體照明應(yīng)該進(jìn)行有效控制和調(diào)整[1]?，F(xiàn)有的隧道照明控制以簡(jiǎn)單、可靠的時(shí)序控制法為主，通過(guò)調(diào)整工作燈具的數(shù)量達(dá)到照明的目的，但是未能有效消除天氣變化、隧道通風(fēng)等狀況變化以及交通量的變化對(duì)照明的影響[2]。LED照明燈的出現(xiàn)大大促進(jìn)了隧道照明的研究，利用LED照明燈，通過(guò)有效設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)調(diào)光，滿足不同的操作需求[3]。

本文以智能控制節(jié)能為基本理念，依托魏家灣隧道工程，通過(guò)對(duì)隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷?shí)時(shí)調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對(duì)每個(gè)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道照明功率降低而不改變隧道照明質(zhì)量的目的。

1 智能光伏照明系統(tǒng)構(gòu)件組成

隧道照明系統(tǒng)由自然光明洞、離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。隧道智能光伏照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1? ? 自然光明洞

自然光明洞由隧道入口明洞或鋼結(jié)構(gòu)架形成，在一些用地緊張或無(wú)合適地址安裝光伏組件時(shí)，還可作為光伏組件的安裝基礎(chǔ)。明洞的照明亮度為洞外的10%～20%，因?yàn)橛凶匀还饷鞫吹拇嬖?，可以減少隧道入口端的加強(qiáng)照明功率，在確保隧道內(nèi)行車舒適且安全的前提下達(dá)到節(jié)能的目的。

1.2? ? 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光伏組件PV陣列、太陽(yáng)能充電控制器、蓄電池組、高壓直流配電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)等部件組成。

1.3? ? 智能照明系統(tǒng)

1.3.1? ? 控制方案

采用智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燈光多級(jí)調(diào)節(jié)，配備時(shí)間控制器、光通量傳感器和車流量傳感器等多種控制器，能根據(jù)預(yù)設(shè)的照明時(shí)間段、洞外亮度變化和車流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具開(kāi)關(guān)和照度的時(shí)間控制、光通量控制和車流量控制，從而實(shí)現(xiàn)燈光照明的按需供應(yīng)，在保證行車舒適和安全的前提下最大限度地節(jié)約用電。

1.3.2? ? 照明設(shè)計(jì)

照明設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，合理布局隧道各段燈具間距，選擇合適的燈具功率，通過(guò)仿真結(jié)果達(dá)到規(guī)范所要求的照度值，避免了照度達(dá)不到要求或過(guò)度照明造成的能源浪費(fèi)。照明燈具選用隧道專用LED燈具，LED燈較高壓鈉燈具有能耗低、壽命長(zhǎng)、顯色性好、光效高（光衰?。?、啟動(dòng)時(shí)間短、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。

1.4? ? 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

控制器集成了GPRS模塊，可實(shí)現(xiàn)基于云監(jiān)控的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，對(duì)太陽(yáng)能板發(fā)電量、蓄電池剩余電量及照明情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升公路隧道智能光伏照明系統(tǒng)的安全性、可靠性和先進(jìn)性。

2 隧道智能光伏照明設(shè)計(jì)

2.1? ? 工程概況

魏家灣隧道屬于二級(jí)公路，隧道總長(zhǎng)為230 m，隧道為雙向交通，行車速度為40 km/h。隧道標(biāo)準(zhǔn)路面寬度為8.75 m，兩邊檢修道寬0.75 m，隧道凈空高度7.6 m。隧道內(nèi)部照明系統(tǒng)已投入使用，原有照明燈具和照明線路均已安裝完畢。

本次照明改造施工為原有照明系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化，以取得更好的安全和節(jié)能效果。施工范圍為進(jìn)口端向內(nèi)50 m，施工內(nèi)容包括原有照明燈具拆卸、原有照明線路拆卸、新燈具的安裝、新照明線路的安裝、車流量傳感器安裝、配電房控制系統(tǒng)安裝等。

2.2? ? 照明改造方案

本次改造方案是對(duì)隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷?shí)時(shí)調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對(duì)每個(gè)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道照明功率降低而不改變隧道照明質(zhì)量的目的。

（1）控制單個(gè)燈具的照度，根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，燈具的能耗功率實(shí)時(shí)變化，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（2）控制隧道內(nèi)部所有燈具亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)變化，不改變照明間距和照明位置，調(diào)節(jié)過(guò)程中除平均照度根據(jù)要求實(shí)時(shí)變化外，照度均勻度和縱向均勻度均不發(fā)生變化，始終保證隧道的照明質(zhì)量，提高隧道照明的安全性。

（3）本方案對(duì)隧道照明控制可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，對(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)管理提供了很大便利。

2.3? ? 光伏供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1? ? 系統(tǒng)組件配置

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)裝機(jī)容量為負(fù)載的3倍，即約為32 kW，日發(fā)電量=32×3.2×0.712≈72.9 kWh，由此確定系統(tǒng)配置。

2.3.1.1? ? 光伏組件配置

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩砦恢玫牟季帧⑹┕ぞS護(hù)方便性及發(fā)電效率、占地面積等，確定使用250 Wp CY-TD250光伏板。組件數(shù)量N=32×103/250=128塊，取整數(shù)130塊。為滿足直流總線電壓要求，組件連接采用10串13塊并聯(lián)方式，組件選用250 Wp型單晶硅組件。

2.3.1.2? ? 離網(wǎng)逆變器配置

總負(fù)載峰值功率按32 kW計(jì)算，考慮高海拔、低溫等因素，選用40 kW離網(wǎng)逆變電源1臺(tái)。離網(wǎng)逆變器質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，建議采用擁有先進(jìn)光伏逆變技術(shù)的生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品，建議選用南京冠亞生產(chǎn)的GN-30KFT型離網(wǎng)逆變電源。

2.3.1.3? ? 蓄電池配置

由于本站地處高速公路邊沿，維修不便，所以采用長(zhǎng)壽命膠體蓄電池，而系統(tǒng)直流總線電壓達(dá)220 V。蓄電池總節(jié)數(shù)為110節(jié)，連接方式為110串并聯(lián)，電池規(guī)格為2 V/300 Ah。

2.3.1.4? ? 光伏控制器配置

光伏控制器必須能控制多路太陽(yáng)能電池方陣，實(shí)現(xiàn)蓄電池組的充放電管理功能，依據(jù)蓄電池組端電壓的變化趨勢(shì)自動(dòng)控制太陽(yáng)能電池方陣的依次接通或切離，既可充分利用寶貴的太陽(yáng)能電池資源，又可保證蓄電池組安全、可靠的工作。本系統(tǒng)選用南京冠亞生產(chǎn)的GS-200F型光伏控制器。

2.3.1.5? ? 柴油發(fā)電機(jī)

設(shè)計(jì)柴油機(jī)只滿足基本段照明負(fù)載用電并向蓄電池充電，4 h可完成充電。蓄電池充電模塊充電電流為75 A，則充電功率為75 A×220 V=16.5 kW，基本段照明負(fù)載功率為1.68 kW，則總功率為18.18 kW，考慮柴油機(jī)發(fā)電效率為0.9及冗余度為0.8，則柴油機(jī)功率=18.18 kW÷0.8÷0.9=25.25 kW，參考市場(chǎng)產(chǎn)品規(guī)格選取30 kW/380 V/50 Hz柴油機(jī)（帶自啟動(dòng)功率及ATS模塊）。

2.3.2? ? 照明控制設(shè)計(jì)

燈光控制方式中，雙向隧道將照明分為入口段、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2和基本段。其中，入口段、過(guò)渡段1、過(guò)度段2的基本照明采用1個(gè)回路，入口段、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2的加強(qiáng)照明采用4個(gè)回路，進(jìn)行調(diào)光控制，基本段采用2個(gè)回路控制，在自動(dòng)模式下根據(jù)照度儀測(cè)量反饋的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)如下：

2.3.2.1? ? 入口段、過(guò)渡段1、過(guò)渡段2

（1）當(dāng)照度儀采集值>52 500 lx時(shí)，4個(gè)回路全部開(kāi)啟。

（2）當(dāng)52 500 lx>照度儀采集值>39 375 lx時(shí)，開(kāi)啟3個(gè)回路。出口段照明亮度取基本段的5倍，取值10 cd/m2，長(zhǎng)度取60 m。

（3）當(dāng)39 375 lx>照度儀采集值>26 250 lx時(shí)，開(kāi)啟2個(gè)回路。

（4）當(dāng)26 250 lx>照度儀采集值>13 125 lx時(shí)，開(kāi)啟1個(gè)回路。

2.3.2.2? ? 基本段

基本段采用2個(gè)回路控制，08：00—22：00正常情況下2個(gè)回路全部開(kāi)啟，22：00—08：00根據(jù)車輛傳感器采集的車輛信息自動(dòng)關(guān)閉或啟動(dòng)隧道內(nèi)一路基本照明，當(dāng)5 min內(nèi)無(wú)任何車流量時(shí)自動(dòng)關(guān)閉一路基本照明燈，達(dá)到節(jié)能效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的智能光伏照明控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)隧道照明的安全、低能耗、低成本控制。通過(guò)對(duì)隧道的照明控制方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由回路控制變?yōu)閷?shí)時(shí)調(diào)光控制，根據(jù)隧道外部環(huán)境變化對(duì)每個(gè)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以降低整個(gè)隧道照明的功率，保證隧道的照明質(zhì)量。

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收稿日期：2020-03-05

作者簡(jiǎn)介：華實(shí)（1987—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：機(jī)電工程。