CPV-LED隧道加強照明系統及智能調光方法研究

寧 鐸，趙東旭，鄭 普，李逸博

（1.陜西科技大學 電氣與信息工程學院，西安 710021；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

進入21世紀以來，隨著綜合國力的提升和國民經濟的高速發展，特別是在“7918”國家高速公路網規劃和西部大開發的歷史機遇下，公路隧道建設進入了一個高速發展的時期。近10年來，公路隧道年均增長率達24%,遠高于路與橋的增長率，公路隧道的重要性日益凸顯。隨著我國公路網交通線不斷向崇山峻嶺、離岸深水延伸，公路隧道的總量和建設規模還在增大。截至2012年底，已通車公路隧道為10022座、里程8052.7km。近年來，公路隧道每年凈增里程1000km以上。目前，我國已成為世界上公路隧道最多、發展最快的國家。

當駕駛員在白天進入公路隧道時，此時隧道內的亮度相對于隧道外的亮度驟減，由于隧道是一段管狀區域，人的視覺反應滯后形成了“黑洞效應”，很難辨別洞內情況；而當車輛駛出隧道，亮度驟增，超出人眼的適應范圍，又形成了“白洞效應”，造成強烈炫光，使得重疊的車輛很難被分辨，極易造成重大交通事故。因此，在公路隧道的進出口需要加裝加強照明裝置，使亮度平穩下降或上升，滿足人眼對亮度變化梯度的要求，有效防止交通事故的發生。據有關數據表明，隧道照明費用要占到公路運營費用的30%左右，就世界上規模第一、長度第二的秦嶺終南山公路隧道而言，其每月的照明費用就高達120萬元。儼然，隧道照明費用已成為公路隧道照明運營中極大的一筆費用。因此，在保證行車安全的前提下，對公路隧道節能的研究意義重大[1～5]。

1 PV-LED公路隧道加強照明系統

近年來，我們研制的PV-LED（Photovoltaic—Light-Emitting Diode，光伏發電直接驅動發光二極管發光）公路隧道加強照明系統已成功應用至績黃高速黃山玉臺隧道工程，工程實物圖如圖1所示。該系統主要由光伏電池組、控制器以及LED燈三部分組成[4,5]。雖然該系統能夠通過光伏電池板發電，直接驅動LED燈對隧道進行加強照明，減少了對市電的依賴。但是在實際應用中發現存在以下問題：

1）成本高、太陽能利用效率低；

2）不能滿足隧道加強照明系統要求其亮度隨著隧道外部太陽光強度而自動變化（光強自適應特性）的特點。

因此，全面仔細分析現有照明系統的特點，通過查找大量文獻資料和反復試驗，對其進行了較大改進，對PV-LED公路隧道加強照明系統的大范圍推廣應用具有十分重大的意義。

圖1 PV-LED照明系統工程實物圖

2 聚光型PV-LED公路隧道加強照明系統

由于傳統光伏技術具有發電效率低、成本高等劣勢，使得光伏發電一直很難充分打開市場，與常規電能相競爭。但是隨著技術上的突破， 聚光光伏發電技術正在逐漸代替傳統光伏發電。聚光光伏系統因其用高效聚光太陽能電池代替價格昂貴的硅電池，因此與傳統光伏發電相比，如表1所示，在發電成本和太陽能利用率等方面具有其極為有利的一面。聚光型PV-LED隧道加強照明系統由聚光太陽電池模塊、控制器和LED燈組三部分組成。聚光太陽電池模塊又包括了聚光器、太陽能電池、散熱器和太陽自動跟蹤器四部分[8～13]。

2.1 聚光器

聚光器按光學原理可分為反射聚光器和折射聚光器[6,7]。鑒于菲涅爾透鏡具有質量輕、厚度薄，比傳統連續透鏡可以有更大口徑，制作材料可以是塑料或者有機玻璃，便宜輕便、方便批量生產等優勢，在聚光光伏折射聚光器中應用較為普遍。為了提高聚光比，采用配備二維跟蹤的點聚焦菲涅爾透鏡。

2.2 太陽能電池

太陽能電池是將光能轉換為電能的器件。與普通的太陽能電池相比，聚光太陽能電池在高強度的太陽光和高溫度的條件下工作，接收到的電流密度是普通太陽能電池的幾十到幾百倍。根據聚光程度的不同，聚光太陽能電池主要有特制的單晶硅聚光電池和Ⅲ-Ⅴ族多結聚光電池兩種。高性能的砷化鎵（GaAs）聚光太陽能多結電池因其具有極高的光電轉換效率，高倍的聚光倍率，并且具有很好的耐高溫特性，在高輻射照度下仍具有很高的轉換效率等特點，成為目前聚光電池研究的熱點，被國際公認為最具發展前途和最具有商用價值的新一代太陽能器件。因此，采用砷化鎵聚光太陽能多結電池作為本系統的太陽能電池。

2.3 散熱系統

在聚光條件下，聚光太陽電池組件的溫度會上升，由于太陽電池的效率溫度系數是負值，溫度升高時，太陽電池的功率就要下降。為減小因電池溫升而造成的效率降低，必須考慮散熱問題，可以在太陽電池下面安裝散熱器，使太陽電池的溫度保持在一定范圍內，保證輸出效率最大化。散熱方式分為主動散熱和被動散熱。主動散熱就是通過流動的水或者其它介質將聚光組件工作時產生的熱量帶走，以達到冷卻的目的;被動散熱是指不借助任何主動工作元件，僅靠空氣對流和輻射將太陽電池產生的熱量直接散發到空氣中。但是，主動散熱方式在成本、維護和可靠性等方面有許多限制，所以被動散熱方式是聚光太陽電池首選的降溫方式。提高散熱效率需遵循散熱規律，盡量減少導熱層，以減少接觸熱阻。所以，采用的被動散熱結構使太陽電池熱量依次通過如下介質層：太陽電池芯片—芯片封裝貼片粘結材料—覆銅陶瓷基板—導熱膠—散熱器—表面熱交換或者熱輻射到外界。

2.4 太陽自動跟蹤控制器

由于采用了點聚焦菲涅爾透鏡作為聚光器，所以就必須為之配備一套具有二維（太陽方位角和高度角）跟蹤的太陽自動跟蹤系統。

圖2 太陽自動跟蹤控制器結構圖

表1 聚光光伏系統與傳統光伏系統特性對比

本跟蹤系統主要由陽光傳感器、模數轉換裝置、主控制器、驅動電路、聚光太陽電池模塊、電源接入接口、按鍵顯示接口和串口通信接口組成。其結構圖如圖2所示。陽光傳感器輸出端連接模數轉換輸入端，模數轉換裝置輸出端連接主控制器輸入端，主控制器輸入端連接驅動電路，驅動電路輸出端再連接聚光太陽電池模塊，主控制器還連接有電源輸入接口，按鍵顯示接口和串口通信接口。陽光傳感器由8個性能參數完全一致的光敏電阻組成，光敏電阻分布圖如圖3所示。1～4號光敏電阻分布在外側，作為“粗調”單元，幫助系統大范圍尋找太陽，對太陽進行快速定位；5～8號光敏電阻分布在內側，作為“細調”單元，實現高精度跟蹤太陽。陽光傳感器采集太陽光位置并將其轉為電信號，通過模數轉換后，將數字信號送入Atmega32單片機，單片機根據偏差信號計算出太陽位置，并輸出相應的控制信號，經過驅動電路控制電機，保證聚光太陽電池模塊始終與太陽光垂直，從而實現大范圍、高精度、快速跟蹤太陽目的。按鍵顯示接口連接按鍵模塊，用于安裝、調試、維修。

圖3 陽光傳感器光敏電阻分布圖

聚光太陽能電池模塊原理示意圖如圖4所示。這種安裝方式有以下四個優點：一是可以充分發揮菲涅爾透鏡質量輕、厚度薄、透光率高及成本低的優點；二是匯聚了更多的太陽光能量，克服了太陽輻射能流密度低的先天缺陷，獲得更多的電能輸出；三是菲涅爾透鏡有一定的強度和抗風沙能力，使透鏡和外罩共同起到保護太陽電池的作用；四是在電池下方安裝散熱器，使散熱器處于電池外罩的陰影里，不被太陽直射，散熱效果更好。

圖4 聚光太陽能電池模塊原理示意圖

3 智能調光控制方法

如圖5所示，聚光型PV-LED隧道加強照明系統主要包括聚光太陽電池模塊、控制器和LED燈組三部分。針對公路隧道進出口段加強照明的具體亮度需滿足人眼亮度適應曲線，能隨著隧道外部太陽光照強弱的變化而自動變化（光強自適應性）。根據電路中將相同元器件串聯起來可以增大電壓，并聯起來可以增大電流這條基本特性，設計了一種聚光太陽電池智能連接電路，通過控制常開型繼電器觸點的開閉，使聚光太陽電池合理連接，從而調節太陽電池的輸出電壓和電流，即LED燈的輸入電壓和電流，實現LED燈的智能調光，滿足隧道加強照明光強自適應性的要求。但是為了保證負載LED燈正常工作，在控制器內LED燈的線路上安裝了穩壓保護裝置。具體控制方法如下（以三塊太陽電池舉例，更多太陽電池原理相同）：

圖5 太陽能電池控制電路

1）在晴天太陽光強的情況下，控制器中的太陽光信號采集器采集太陽電池的相應光伏電信號提供給控制芯片，由控制芯片控制常開型繼電器KM1、KM3、KM4、KM6的觸點閉合， KM2、KM5觸點斷開，此時太陽電池全部并聯連接，輸出電壓與一塊電池板電壓相同，但電壓足以點亮LED燈，輸出電流是一塊電池板的三倍，加強了LED燈的亮度，滿足隧道加強照明要求隨洞外光強的加強而變亮的要求。

2）在太陽光強度中等的情況下，控制芯片根據接收到太陽光信號采集器傳來的電信號，控制常開型繼電器KM1、KM3、KM5觸點閉合，KM2、KM4觸點斷開，此時太陽能電池板混聯連接，兩塊電池板并聯再與第三塊串聯，輸出電壓提高兩倍，驅動LED點亮，輸出電流也提高至兩倍，使LED燈稍微增亮一些。

3）在陰雨天或者傍晚太陽光很弱的情況下，控制芯片接收到太陽光信號采集器傳來光照很弱的電信號，控制常開型繼電器KM2、KM5觸點閉合， KM1、KM3、KM4觸點斷開，此時太陽能電池板全部串聯連接，用以提高LED燈的輸入電壓，驅動其點亮。輸入電流較小，導致LED燈較暗，與隧道外部光照很弱的具體情況相同，使LED燈實現隨隧道外部光照進行智能調光。

該控制方法省去了蓄電池，使得使用成本大大降低，無需再來回更換壽命較短的蓄電池，同時避免了太陽電池發出的電力因為進出蓄電池而造成的接近30%的損耗。并且充分利用了通常所說的光伏發電（太陽電池—蓄電池—負載）在陰雨天由于散射太陽光能量相對較小導致達不到充電基本要求（如閾值電壓）而無法充入蓄電池而被白白浪費掉的能量，對隧道直接進行加強照明，大大提高了對太陽能的利用率。同時，滿足了隧道加強照明自適應性的要求，使駕駛員進出隧道視線更加清晰，既有效減少了交通事故的發生，又實現了隧道照明方面的節能降耗。

4 結束語

本文所設計的聚光型PV-LED公路隧道加強照明系統中，所采用菲涅爾透鏡作為聚光器，對太陽電池進行聚光，大大提高了太陽能利用率、減少了成本，并且通過太陽電池智能控制電路，實現LED燈智能調光，使其滿足隧道加強照明自適應性的要求。本系統具有很大的可行性，且其安裝方法簡單易行，系統電路簡單，實現同樣照明效果成本低廉，實用高效，節能環保，在當前倡導節能減排的背景下具有很大的推廣價值。

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