基于自動(dòng)追蹤的公路隧道太陽能光伏發(fā)電照明試驗(yàn)研究

張文俊，鄭國平，范媛媛

（1.臺(tái)州元合建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 臺(tái)州 317205；2.杭州新奧土木工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310051；3.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

0 引言

為了緩解汽車駛?cè)胨淼罆r(shí)的黑洞效應(yīng)和駛出隧道時(shí)的“白洞”效應(yīng)，根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD 70/2-01—2014）的要求，長度在100～200 m的光學(xué)長隧道以及長度大于200 m的高速公路和一級(jí)公路隧道中設(shè)置電光照明。隧道照明系統(tǒng)并非公路隧道中安裝功率最大的系統(tǒng)，但由于照明系統(tǒng)通常處于全天候開啟狀態(tài)，因此，在隧道用電費(fèi)用中占比最大。有歐洲學(xué)者對(duì)典型隧道的照明能耗做過統(tǒng)計(jì)，盡管其安裝功率僅占隧道內(nèi)所有機(jī)電設(shè)施安裝功率的14%，但其能耗卻占總能耗的53%。太陽能是取之不盡用之不竭的綠色能源，因此，基于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)研究照明系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)對(duì)于推動(dòng)公路隧道低碳、節(jié)能運(yùn)營具有重要意義，也契合國家的“雙碳”戰(zhàn)略。

太陽能的利用方式主要分為直接照明和光伏發(fā)電。直接照明通過光學(xué)元件直接輸送太陽光到需要照明的地方，如光纖傳導(dǎo)技術(shù)和投射照明技術(shù)，光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行供電。在眾多公路隧道利用太陽能的研究中，盧世杰等[1]提出在短隧道中采用太陽光光纖照明技術(shù)；鄧路[2]建立了隧道加強(qiáng)段太陽能遞歸照明節(jié)能控制系統(tǒng)；張世平等[3]將太陽能薄膜光伏技術(shù)與遮光棚技術(shù)合二為一，實(shí)現(xiàn)隧道照明節(jié)能和供電功能統(tǒng)一；袁立等[4]結(jié)合車流量預(yù)測提出基于太陽光照明的按需照明節(jié)能控制方案；張龍[5]采用“菲涅爾透鏡+拋物面反射鏡”的新型投射照明系統(tǒng)將太陽光投射到隧道內(nèi)部。

目前，對(duì)于太陽能光伏發(fā)電用于隧道照明的應(yīng)用方興未艾，對(duì)太陽光強(qiáng)度、光伏板輸出功率和LED燈照明效果之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)是最大限度利用太陽能的基礎(chǔ)。為此，本文分析隧道照明功率與光伏發(fā)電之間的配比關(guān)系，建立太陽光強(qiáng)度、光伏板輸出功率和LED燈組功率三者之間的關(guān)系式，并對(duì)比帶自動(dòng)追蹤功能的光伏發(fā)電試驗(yàn)和安裝角度固定的光伏發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果，定量分析自動(dòng)追蹤功能的對(duì)太陽能光伏發(fā)電利用率的提高和該模式的節(jié)能效果。

1 隧道光伏照明系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文先后開展了兩類光伏發(fā)電照明系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)，分別為帶自動(dòng)追蹤功能的光伏發(fā)電試驗(yàn)和安裝角度固定的光伏發(fā)電試驗(yàn)。前者配置了太陽光自動(dòng)追蹤裝置，能夠?qū)崟r(shí)追蹤太陽光并自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏板的安裝方向，使光伏電池板與太陽光線入射角之間的夾角始終保持在90°，從而提高了太陽能的發(fā)電利用率；后者則不帶太陽光自動(dòng)追蹤裝置，太陽能光伏板的安裝方向和角度固定不變。通過對(duì)兩者進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，比較兩者的發(fā)電能效和穩(wěn)定性。

試驗(yàn)裝置包括太陽能供電系統(tǒng)和隧道照明系統(tǒng)兩個(gè)部分（圖1），前者包括照度計(jì)a、太陽能光伏組件、功率表a、太陽能充放電控制器、蓄電池5個(gè)組件，其中太陽能光伏組件由太陽光跟蹤系統(tǒng)和光伏發(fā)電板構(gòu)成，光伏板峰值功率為20 W，工作電壓為18.18 V，工作電流為1.1 A，開路電壓為22.32 V，短路電流為1.15 A。本試驗(yàn)采用了雙軸太陽光跟蹤系統(tǒng)，能夠在垂直和水平兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或傾斜，使太陽光的入射角始終保持在90°，從而實(shí)現(xiàn)在有限面積接收到更多的太陽能輻射。跟蹤系統(tǒng)的核心元件是光感器，它能實(shí)時(shí)測量出太陽光的入射角，然后指示跟蹤控制器旋轉(zhuǎn)光伏組件的角度使之垂直太陽光入射角。充放電控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電和放電過程進(jìn)行控制，并根據(jù)用電器的電源要求，指示蓄電池對(duì)用電器釋放電能，充電控制采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制，放電控制的功能是在蓄電池過度放電或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切斷開關(guān)。蓄電池的作用是以化學(xué)能的方式儲(chǔ)存光伏電池所獲得的電能，需要時(shí)將化學(xué)能逆向轉(zhuǎn)化成電能，起到穩(wěn)定電源的作用，采用閥控密封式鉛酸蓄電池，浮充電壓13.5 V，充電電流≤0.15C20，均衡充電電壓14.1 V。照度計(jì)a用于測量室外照度，功率表a用于測量電能輸出功率。

圖1 太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)

隧道照明系統(tǒng)包括功率表b、LED燈組和照度計(jì)b。功率表b用于測量LED功率，LED燈組用于暗房內(nèi)照明，照度計(jì)b用于測量暗房內(nèi)的照度。由于試驗(yàn)暗房空間較?。ǔ叽鐬?.16 m×1.95 m×1.5 m），不適合安裝點(diǎn)狀的LED隧道燈，考慮到線型光源照明均勻度更好，故本次試驗(yàn)截取了兩條各50 cm長的LED燈帶，對(duì)稱粘貼于暗房頂板中間位置。LED燈帶采用雙層銅板材質(zhì)，燈組密度為60珠/m，額定功率為18 W/m。照度計(jì)選用TASI品牌，型號(hào)為TA8120，量程和分辨率分別為20萬Lux和1 Lux。

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：光伏組件接收太陽光的輻射，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能充放電控制器將電能存儲(chǔ)到電池中，用于LED隧道照明系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)步驟

首先，在暗房地面上劃分6×5個(gè)照度測量點(diǎn)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的尺寸為36 cm×39 cm；其次，連接各個(gè)組件，將蓄電池與控制器連接，然后將控制器連接到LED上，再將控制器連接到太陽能光伏板上；再次，調(diào)整照度計(jì)探頭，使其面向陽光并與太陽能光伏板平行；最后，等到功率計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，測量室外太陽光強(qiáng)度值，記錄光伏板和LED燈的功率值，并測量暗房中各個(gè)測點(diǎn)的照度值，進(jìn)而算出平均照度。

安裝角度固定的光伏發(fā)電試驗(yàn)的步驟與上述過程類似，不同的是拆卸了太陽光自動(dòng)追蹤裝置，因此，太陽能板的朝向是固定的，分別使其面朝東、西、南3個(gè)方向各做一組測試進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，光伏板平面與水平地面的夾角為40°。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

2.1 帶自動(dòng)追蹤功能的光伏發(fā)電試驗(yàn)

本試驗(yàn)總計(jì)開展了7 d，每天的測試時(shí)間段為8:00—16:00，每個(gè)整點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)讀取一次數(shù)據(jù)，包括室外太陽光照強(qiáng)度、室內(nèi)照度、光伏板電壓電流及LED電壓電流，一天讀取9組數(shù)據(jù)。根據(jù)電流值和電壓值計(jì)算出功率值，最后采用線性擬合得到太陽光強(qiáng)度與光伏板功率之間的曲線關(guān)系式為：y=0.0001x+0.0709，相關(guān)指數(shù)R2為0.9504，即太陽光強(qiáng)度與光伏板功率呈正相關(guān)趨勢，光伏板輸出功率的大小一定程度上取決于太陽光強(qiáng)度的強(qiáng)弱。同時(shí)，也得到了LED燈組功率與室內(nèi)平均照度的線性關(guān)系為y=2.7269x+3.8063，相關(guān)指數(shù)R2=0.8415，即LED功率與室內(nèi)照度之間呈正相關(guān)趨勢，隨著LED功率的增大，室內(nèi)照度隨之增強(qiáng)。

太陽光強(qiáng)度與LED照明燈組工作功率的曲線關(guān)系如圖2所示?？梢?，太陽光強(qiáng)度的變化趨勢與LED燈組的工作功率基本一致：13:00前，太陽光強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸增加，LED燈組功率也相應(yīng)增加；13:00左右，太陽光強(qiáng)度達(dá)到峰值，LED燈組功率也達(dá)到一天內(nèi)最大值；13:00后，太陽光強(qiáng)度隨時(shí)間變化逐漸降低，LED燈具功率相應(yīng)降低。

圖2 太陽光強(qiáng)度、LED功率與時(shí)間關(guān)系曲線

2.2 安裝角度固定的光伏發(fā)電試驗(yàn)

作為對(duì)比，同時(shí)開展了3個(gè)朝向下的固定式太陽能發(fā)電照明試驗(yàn)，得到了太陽光強(qiáng)度與光伏板功率的曲線關(guān)系。太陽光強(qiáng)度與光伏板功率呈正相關(guān)，且朝南時(shí)的發(fā)光效率最佳，其次是朝西，朝東最差。另外，當(dāng)光伏板朝東時(shí)，太陽光照強(qiáng)度和LED照明燈組功率均在10:00達(dá)到當(dāng)天峰值；光伏板朝西時(shí)，太陽光照強(qiáng)度和LED照明燈組功率均在13:00達(dá)到當(dāng)天峰值；光伏板朝南時(shí)，室外光強(qiáng)度曲線和LED燈組功率曲線幾近重合，兩者在11:00左右達(dá)到當(dāng)天峰值。

3 自動(dòng)追蹤系統(tǒng)能效分析

圖3為4種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较翷ED平均功率、最大功率、功率均方差的統(tǒng)計(jì)對(duì)比。就平均功率而言，自動(dòng)追蹤模式（4.56 W）＞朝西固定模式（4.31 W）＞朝南固定模式（3.38 W）＞朝東固定模式（3.06 W）；就最大功率而言，朝西固定模式（5.97 W）＞朝東固定模式（5.76 W）＞自動(dòng)追蹤模式（5.42 W）＞朝南固定模式（4.50 W）。均方差指標(biāo)表征了太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：自動(dòng)追蹤模式（0.37 W）＜朝西固定模式（0.66 W）＜朝南固定模式（0.84 W）＜朝東固定模式（2.22 W）。如果簡單地采用平均功率來表示節(jié)能效果的話，那么自動(dòng)追蹤模式相對(duì)于朝東固定模式可以提高能效49.2%，相對(duì)于朝東固定模式可以提高能效5.9%，相對(duì)于朝南固定模式可以提高能效35.0%。另外，自動(dòng)追蹤模式的發(fā)電穩(wěn)定性是最穩(wěn)定的。

圖3 4種試驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

本文開展了安裝角度固定的太陽能光伏發(fā)電和帶自動(dòng)追蹤功能的光伏發(fā)電照明試驗(yàn)，通過實(shí)測太陽光強(qiáng)度、光伏板功率、LED功率數(shù)據(jù)，對(duì)三者之間的關(guān)系進(jìn)行了分析和公式擬合，并比較了不同安裝模式下的發(fā)電能效和穩(wěn)定性，得到如下結(jié)論。

（1）太陽光強(qiáng)度、光伏板功率和LED燈功率三者之間呈線性正相關(guān)，有較好的光照條件時(shí)，太陽能板為蓄電池充電，同時(shí)也為LED燈組供電，當(dāng)晚上和陰雨天氣光伏板不受光照時(shí)，蓄電池向LED燈組供電，故試驗(yàn)過程中LED燈組始終保持點(diǎn)亮狀態(tài)。

（2）當(dāng)太陽能光伏板安裝角度固定時(shí)，朝向東、向西、向南情況下，太陽光強(qiáng)度和LED燈組功率達(dá)到當(dāng)日峰值的時(shí)間點(diǎn)分別為10:00、13:00和11:00。

（3）就發(fā)光能效和穩(wěn)定性而言，自動(dòng)追蹤模式均體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

該試驗(yàn)為公路隧道利用太陽能光伏發(fā)電為洞口加強(qiáng)段照明供電提供指導(dǎo)，但因?yàn)楸驹囼?yàn)主要是在夏天暑假期間開展，相關(guān)結(jié)論是否適用于一年四季尚需要開展長期的監(jiān)測和試驗(yàn)工作。