隧道智能光伏照明系統方案設計研究

華實

摘要：考慮到傳統隧道照明存在耗能高、成本高等缺點，以新型光伏照明和智能控制為基礎，融合自然光照明、太陽能光伏發電、LED電源、智能照明控制等多項技術，設計研究了一種隧道智能光伏照明系統。該系統體現了安全、節能、低成本理念，實現了建設期零輸變電建設費用，運營期間零電費開支、零碳排放。

關鍵詞：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，人眼對環境適應性有所差異，故而對隧道整體照明應該進行有效控制和調整[1]?，F有的隧道照明控制以簡單、可靠的時序控制法為主，通過調整工作燈具的數量達到照明的目的，但是未能有效消除天氣變化、隧道通風等狀況變化以及交通量的變化對照明的影響[2]。LED照明燈的出現大大促進了隧道照明的研究，利用LED照明燈，通過有效設置可以實現自動連續調光，滿足不同的操作需求[3]。

本文以智能控制節能為基本理念，依托魏家灣隧道工程，通過對隧道的照明控制方式進行改進和優化，由回路控制變為實時調光控制，根據隧道外部環境變化對每個燈具的亮度進行調節，實現整個隧道照明功率降低而不改變隧道照明質量的目的。

1 智能光伏照明系統構件組成

隧道照明系統由自然光明洞、離網光伏發電系統、智能照明系統和遠程監控系統構成。隧道智能光伏照明系統設計結構如圖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構架形成，在一些用地緊張或無合適地址安裝光伏組件時，還可作為光伏組件的安裝基礎。明洞的照明亮度為洞外的10%～20%，因為有自然光明洞的存在，可以減少隧道入口端的加強照明功率，在確保隧道內行車舒適且安全的前提下達到節能的目的。

1.2? ? 離網光伏發電系統

該系統由光伏組件PV陣列、太陽能充電控制器、蓄電池組、高壓直流配電系統、柴油發電機等部件組成。

1.3? ? 智能照明系統

1.3.1? ? 控制方案

采用智能照明控制系統，實現燈光多級調節，配備時間控制器、光通量傳感器和車流量傳感器等多種控制器，能根據預設的照明時間段、洞外亮度變化和車流量，實現對燈具開關和照度的時間控制、光通量控制和車流量控制，從而實現燈光照明的按需供應，在保證行車舒適和安全的前提下最大限度地節約用電。

1.3.2? ? 照明設計

照明設計通過計算機仿真，合理布局隧道各段燈具間距，選擇合適的燈具功率，通過仿真結果達到規范所要求的照度值，避免了照度達不到要求或過度照明造成的能源浪費。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、顯色性好、光效高（光衰?。?、啟動時間短、環保等優勢。

1.4? ? 遠程監控系統

控制器集成了GPRS模塊，可實現基于云監控的遠程監控功能，對太陽能板發電量、蓄電池剩余電量及照明情況進行實時監控，提升公路隧道智能光伏照明系統的安全性、可靠性和先進性。

2 隧道智能光伏照明設計

2.1? ? 工程概況

魏家灣隧道屬于二級公路，隧道總長為230 m，隧道為雙向交通，行車速度為40 km/h。隧道標準路面寬度為8.75 m，兩邊檢修道寬0.75 m，隧道凈空高度7.6 m。隧道內部照明系統已投入使用，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的改進和優化，以取得更好的安全和節能效果。施工范圍為進口端向內50 m，施工內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、配電房控制系統安裝等。

2.2? ? 照明改造方案

本次改造方案是對隧道的照明控制方式進行改進和優化，由回路控制變為實時調光控制，根據隧道外部環境變化對每個燈具的亮度進行調節，實現整個隧道照明功率降低而不改變隧道照明質量的目的。

（1）控制單個燈具的照度，根據外部環境的變化進行調節，燈具的能耗功率實時變化，對整個系統實現節能。

（2）控制隧道內部所有燈具亮度進行實時變化，不改變照明間距和照明位置，調節過程中除平均照度根據要求實時變化外，照度均勻度和縱向均勻度均不發生變化，始終保證隧道的照明質量，提高隧道照明的安全性。

（3）本方案對隧道照明控制可實現遠程實時監控功能，對隧道的運營管理提供了很大便利。

2.3? ? 光伏供電系統設計

2.3.1? ? 系統組件配置

根據設計經驗，系統裝機容量為負載的3倍，即約為32 kW，日發電量=32×3.2×0.712≈72.9 kWh，由此確定系統配置。

2.3.1.1? ? 光伏組件配置

根據當地地理位置的布局、施工維護方便性及發電效率、占地面積等，確定使用250 Wp CY-TD250光伏板。組件數量N=32×103/250=128塊，取整數130塊。為滿足直流總線電壓要求，組件連接采用10串13塊并聯方式，組件選用250 Wp型單晶硅組件。

2.3.1.2? ? 離網逆變器配置

總負載峰值功率按32 kW計算，考慮高海拔、低溫等因素，選用40 kW離網逆變電源1臺。離網逆變器質量和穩定性直接影響光伏發電系統的發電質量和系統穩定性，建議采用擁有先進光伏逆變技術的生產廠家的成熟產品，建議選用南京冠亞生產的GN-30KFT型離網逆變電源。

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，所以采用長壽命膠體蓄電池，而系統直流總線電壓達220 V。蓄電池總節數為110節，連接方式為110串并聯，電池規格為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能電池方陣，實現蓄電池組的充放電管理功能，依據蓄電池組端電壓的變化趨勢自動控制太陽能電池方陣的依次接通或切離，既可充分利用寶貴的太陽能電池資源，又可保證蓄電池組安全、可靠的工作。本系統選用南京冠亞生產的GS-200F型光伏控制器。

2.3.1.5? ? 柴油發電機

設計柴油機只滿足基本段照明負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，基本段照明負載功率為1.68 kW，則總功率為18.18 kW，考慮柴油機發電效率為0.9及冗余度為0.8，則柴油機功率=18.18 kW÷0.8÷0.9=25.25 kW，參考市場產品規格選取30 kW/380 V/50 Hz柴油機（帶自啟動功率及ATS模塊）。

2.3.2? ? 照明控制設計

燈光控制方式中，雙向隧道將照明分為入口段、過渡段1、過渡段2和基本段。其中，入口段、過渡段1、過度段2的基本照明采用1個回路，入口段、過渡段1、過渡段2的加強照明采用4個回路，進行調光控制，基本段采用2個回路控制，在自動模式下根據照度儀測量反饋的數據調節如下：

2.3.2.1? ? 入口段、過渡段1、過渡段2

（1）當照度儀采集值>52 500 lx時，4個回路全部開啟。

（2）當52 500 lx>照度儀采集值>39 375 lx時，開啟3個回路。出口段照明亮度取基本段的5倍，取值10 cd/m2，長度取60 m。

（3）當39 375 lx>照度儀采集值>26 250 lx時，開啟2個回路。

（4）當26 250 lx>照度儀采集值>13 125 lx時，開啟1個回路。

2.3.2.2? ? 基本段

基本段采用2個回路控制，08：00—22：00正常情況下2個回路全部開啟，22：00—08：00根據車輛傳感器采集的車輛信息自動關閉或啟動隧道內一路基本照明，當5 min內無任何車流量時自動關閉一路基本照明燈，達到節能效果。

3 結語

本文提出的智能光伏照明控制系統可以實現隧道照明的安全、低能耗、低成本控制。通過對隧道的照明控制方式進行改進和優化，由回路控制變為實時調光控制，根據隧道外部環境變化對每個燈具的亮度進行調節，可以降低整個隧道照明的功率，保證隧道的照明質量。

[參考文獻]

[1] 楊劍.鐵路客運專線隧道照明設計[J].鐵道標準設計，2010（1）：131-135.

[2] 劉洪春.新型LED鐵路隧道照明燈具性能和應用分析[J].中國照明電器，2012（2）：21-23.

[3] 張玲，郝翠霞.LED隧道照明控制系統的研究與開發[J].照明工程學報，2011，22（4）：36-40.

收稿日期：2020-03-05

作者簡介：華實（1987—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：機電工程。