基于太陽能的公路隧道照明方法

陸遠迅，劉國貴，王 興，張 倩

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

0 引言

截至2014年底，我國共建成公路隧道12 404座，約10 756.7 km。其中，特長隧道626座、約2 766.2 km，長隧道2 623座、約4 475.4 km［1］。伴隨著我國公路隧道數量和規模的穩定增長，公路隧道照明的節能減排問題已成為“綠色交通”背景下交通工程領域的重點研究對象。傳統公路隧道照明方法，采用在入口段、過渡段和出口段布設加強照明來克服洞內外亮度變化引起的“黑洞效應”和“白洞效應”。為了解決傳統公路隧道照明方法運營成本高、能耗高等問題，遮光棚等減光技術在新城隧道、葫蘆巖隧道、打浦路隧道等隧道工程中得到成功應用，且太陽能LED照明也在吉林、福建、山東、河北等地的隧道工程中得到成功運用［2］。針對遮光棚長度方面的研究，李英濤等［3］根據駕駛員視力恢復時間提出了遮光棚的長度計算模型，李靖等［4］根據照明段亮度和長度曲線建立了自然光采光段長度與節省電量的函數關系模型。但是，僅采用遮光棚的公路隧道，其節能、經濟效益不明顯;僅采用太陽能LED照明的公路隧道，其投資建設、維護管理成本過高，而且前述遮光棚長度計算模型未考慮遮光棚的經濟性。

針對以上問題，本文采用遮光棚和太陽能LED照明，對傳統隧道照明方法進行優化設計，并結合遮光棚的經濟性提出遮光棚長度計算方法。

1 隧道照明系統總體設計

國內外對公路隧道照明段落的劃分以國際照明委員會(CIE)提出的視覺適應性曲線為主。公路隧道照明段落可劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明及洞口接近段減光設施［5］。本文結合傳統公路隧道照明段落劃分方式，提出了新型公路隧道照明段落劃分方式，如圖1所示。該方式通過在隧道入口處和出口處架設遮光棚，以取代原有的入口段、過渡段和出口段照明，并在遮光棚內布設基本照明設施，以滿足傍晚、夜間、黎明等時段安全行車的需要。因為中間段照明亮度需求最低，擬采用太陽能LED照明，以滿足隧道停車視距內路面情況辨識以及視覺誘導的照明亮度需求。

2 隧道照明關鍵技術研究

2.1 遮光棚

隧道入口處架設遮光棚的主要目的是充分利用自然光降低洞外亮度，有效解決隧道洞內外亮度變化引起的“黑洞效應”。在保障行車安全的前提下，遮光棚能降低入口段和過渡段大功率加強照明燈具產生的能耗和運營費用。本文將結合視覺適應性曲線，探討遮光棚的段落劃分及其透光率，并且結合遮光棚的經濟性討論遮光棚長度計算方法。

2.1.1 遮光棚段落劃分及透光率的確定

遮光棚段落劃分及透光率的確定應結合隧道照明視覺適應性曲線，滿足駕駛員視覺從洞外亮度L20(S)向中間段亮度Lin平緩過渡的需求。本文提出的公路隧道照明方法擬將遮光棚劃分為入口段TH1、TH2和過渡段TR1、TR2，如圖2所示。JTG/T D70/2－01－2014《公路隧道照明設計細則》［5］(以下簡稱《細則》)中規定，當TR3的亮度Ltr3不大于中間段亮度Lin的2倍時，可不設置過渡段TR3加強照明。因此，建議遮光棚結束處(即隧道洞口處)的亮度值為中間段亮度值的3倍，中間段亮度值應按《細則》規定取值。

圖1 公路隧道照明系統段落劃分圖Fig.1 Scheme of section division of lighting system of highway tunnel

圖2 遮光棚段落劃分及透光率示意圖Fig.2 Scheme of section division and transmittance of shading shed

為了能有效地改善遮光棚內的光環境，擬采用逐級減光的方式確定透光率。結合隧道照明視覺適應性曲線，將遮光棚劃分為入口段TH1、入口段TH2、過渡段TR1和過渡段TR2。入口段TH1均分為2個段落，其確定透光率的依據為:停車視距20°視場范圍內的亮度分別達到入口段TH1亮度的100%和80%。入口段TH2均分為2個段落，其確定透光率的依據為:停車視距20°視場范圍內的亮度分別達到入口段TH1亮度的60%和40%。過渡段TR1均分為2個段落，其確定透光率的依據為:停車視距20°視場范圍內的亮度分別達到入口段TH1亮度的25%和15%。過渡段TR2均分為2個段落，其確定透光率的依據為:停車視距20°視場范圍內的亮度分別達到入口段TH1亮度的7%和5%，如圖2所示。

為了克服傍晚、夜間、黎明等時段自然光不足的情況，遮光棚內應設置基本照明以保障行車安全。通常基本照明應同中間段照明一致，即滿足《細則》規定的中間段亮度表，而且基本照明設施可兼作應急照明設施，當出現故障或者停電時，可以利用不間斷應急電源為照明系統提供應急供電。基本照明的燈具宜采用顯色指數Ra≥65、色溫介于3 500～6 500 K的LED燈或單端無極熒光燈［5］。公路隧道基本照明的控制方案宜結合交通量、洞外亮度、時間、天氣狀況等參數進行動態調光控制，以達到安全、節能、經濟、高效的照明效果。

2.1.2 遮光棚長度計算模型

遮光棚的長度不僅與遮光棚段落劃分有關，而且需要滿足隧道建設運營的經濟性和節能性需求，其主要決定因素包括洞外照度、洞內照度、駕駛員的視覺適應時間、隧道設計速度、道路縱面線形等。隧道入口處遮光棚長度Ls的計算公式為

式中:vt為隧道設計速度，km/h;Tin為駕駛員駛入隧道內所需的視覺適應時間，s，相關研究表明，可用式(2)計算得出［3］。

式中:Eout為隧道洞外照度，lx;Ein為隧道洞內中間段照度，lx。

但是，架設遮光棚需要兼顧節能性和經濟性。遮光棚的經濟性即在全壽命周期T內，同未架設遮光棚的公路隧道照明方法(以下簡稱方案1)相比，架設遮光棚的公路隧道照明方法(以下簡稱方案2)的建設、運營全過程總費用更少，即方案2的總費用C2與方案1的總費用C1的差Δ≤0，可表示為:

式中:C棚，C中′，C入，C過依次為方案2的遮光棚(包含遮光棚內的照明設施)建設費和增加中間段的照明設施建設費、方案1的入口段建設費和過渡段照明設施建設費，萬元;P棚，P中′，P入，P過依次為方案2遮光棚的年均運營費和增加中間段照明設施的年均運營費、方案1入口段和過渡段的年均運營費，萬元/年;T為遮光棚設計使用壽命，年。

其中，遮光棚(包含遮光棚內的照明設施)建設費與遮光棚長度、建筑材料以及設置形式等相關。根據上部結構材料的不同，遮光棚可采用鋼筋混凝土結構、鋼結構以及混凝土與鋼組合結構等［6］。遮光棚應結合工程實際情況確定建筑材料以及設置形式，從而確定單位長度遮光棚的建設費。可表示為:

由式(3)和式(4)可推算出遮光棚長度Ls應滿足的條件，可表示為:

由式(1)、式(2)和式(5)可推算出遮光棚長度的計算模型，表示為:

2.2 太陽能LED照明

2.2.1 太陽能LED照明基本原理

太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有取之不盡用之不竭的特點。將太陽能光伏發電和LED照明結合并應用于公路隧道照明中具有安全、節能、環保等優點。太陽能LED照明由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池組、LED燈控制器、LED燈組等構成［7－9］。太陽能LED照明的基本原理為:太陽能電池方陣將太陽能轉換成電能，通過充放電控制器控制蓄電池組的充放電過程，然后LED燈控制器根據交通量、洞外亮度、時間、天氣狀況等參數控制應急照明、基本照明以及緊急停車帶和橫通道照明，如圖3所示。其中，DC/DC轉換模塊通過控制開關器件的導通和關斷時間，配合電感、電容或高頻變壓器等元件連續改變和控制，以輸出穩定電壓［9］。充放電控制器則根據充放電條件保護太陽能電池組，防止蓄電池過度充電或放電。LED燈控制器則根據氣候條件、照度、速度及交通量等參數，對應急照明和基本照明進行動態調光控制。

圖3 太陽能LED照明系統框架圖Fig.3 Chart of solar LED lighting system

2.2.2 蓄電池容量的確定

蓄電池作為太陽能LED照明的儲能裝置，不僅要求滿足夜晚照明的需求，而且要求滿足連續陰雨天氣狀況下的照明需求;因此，蓄電池容量的確定是連續供電的重要保證。蓄電池容量Bc的計算公式為:

式中:A為安全系數，取1.1～1.4;QL為負載日平均耗電量，(A·h)，為工作電流乘以日工作小時數;NL為最長連續陰雨天數;T0為溫度修正系數，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2; Cc為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

2.2.3 太陽能電池功率的確定

2.2.3.1 平均峰值日照時數的確定

太陽能電池方陣上的平均峰值日照時數Tm為全年平均日太陽能輻射總量HT(Wh/m2)與標準日光強度(通常取1 000(W/m2))之商，即:

2.2.3.2 太陽能電池方陣最佳電流的確定

太陽能電池方陣輸出的最佳電流Im應介于最小電流Imin和最大電流Imax之間。其中，Imin，Imax可由式(9)和式(10)計算得出。

式中:Q為負載每天總耗電量，kW;η1為蓄電池充電效率;η2為太陽能電池方陣表面由于污染或老化引起的修正系數，通常取0.9～0.95;η3為太陽能電池方陣組合損失和對最大功率點偏離的修正系數，通?？扇?.9～0.95。

在Imin和Imax之間取某一值I，每月太陽能電池方陣輸出的發電量Q出和負載消耗量Q負可分別由式(11)和式(12)計算得出。

式中:N為當月天數。

當Δ=Q出-Q負為正時，表示太陽能電池方陣能給蓄電池充電，反之，則需要用蓄電池儲蓄的電能來補充。如果蓄電池全年荷電狀態低于原定放電深度(取值通常小于0.5)，則應增加太陽能電池方陣輸出電流，反之，則降低輸出電流，也可通過改變蓄電池容量或太陽能電池方陣傾角來確定最佳輸出電流Im。

2.2.3.3 太陽能電池方陣工作電壓的確定

太陽能電池方陣的工作電壓U需要保證蓄電池能有效充電，計算公式為:

式中:Uf為蓄電池浮充電壓，V;Ud為阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降，V;Ui為溫度升高引起的壓降，V。

2.2.3.4 太陽能電池方陣功率的確定

太陽能電池的輸出功率會隨著環境溫度的升高而下降，但是，為了保證最高溫度下能正常運行，在標準測試溫度下(25℃)太陽能電池方陣的輸出功率

式中:α為太陽能電池功率的溫度系數，硅太陽能電池取0.5%;tmax為太陽能電池工作最高溫度，℃;U為太陽能電池方陣工作電壓，V;Im為太陽能方陣最佳電流，A。

根據蓄電池容量、太陽能電池方陣的最佳電流、工作電壓、輸出功率以及蓄電池和太陽能電池組件的性能參數，就可選取合適的組件型號和規格，并據此確定太陽能電池組件的串聯數和并聯數［12］。

3 討論

在“綠色交通”背景下，本文結合傳統隧道照明方法，提出了一種結合遮光棚、太陽能LED照明的新型隧道照明方法，并且結合遮光棚的經濟性提出了遮光棚的長度計算模型。本文提出的隧道照明方法在隧道運營節能減排、降低運營成本等方面具有優勢，且具有長遠的應用前景;但是，太陽能LED照明和遮光棚的投資建設成本較高，且太陽能電池光電轉換率偏低、遮光棚的透光率與物理模型的關系等問題仍未得到解決。隨著太陽能LED照明技術、遮光棚應用技術的日趨成熟，其關鍵技術將會得到廣泛應用，隧道“綠色照明”目標也將會實現。

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