基于自動追蹤的公路隧道太陽能光伏發電照明試驗研究

張文俊，鄭國平，范媛媛

（1.臺州元合建設發展有限公司，浙江 臺州 317205；2.杭州新奧土木工程技術有限公司，浙江 杭州 310051；3.浙江工業大學土木工程學院，浙江 杭州 310014）

0 引言

為了緩解汽車駛入隧道時的黑洞效應和駛出隧道時的“白洞”效應，根據《公路隧道照明設計細則》（JTG/TD 70/2-01—2014）的要求，長度在100～200 m的光學長隧道以及長度大于200 m的高速公路和一級公路隧道中設置電光照明。隧道照明系統并非公路隧道中安裝功率最大的系統，但由于照明系統通常處于全天候開啟狀態，因此，在隧道用電費用中占比最大。有歐洲學者對典型隧道的照明能耗做過統計，盡管其安裝功率僅占隧道內所有機電設施安裝功率的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，基于太陽能光伏發電技術研究照明系統的節能技術對于推動公路隧道低碳、節能運營具有重要意義，也契合國家的“雙碳”戰略。

太陽能的利用方式主要分為直接照明和光伏發電。直接照明通過光學元件直接輸送太陽光到需要照明的地方，如光纖傳導技術和投射照明技術，光伏發電將太陽能轉化為電能，為隧道照明系統進行供電。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；鄧路[2]建立了隧道加強段太陽能遞歸照明節能控制系統；張世平等[3]將太陽能薄膜光伏技術與遮光棚技術合二為一，實現隧道照明節能和供電功能統一；袁立等[4]結合車流量預測提出基于太陽光照明的按需照明節能控制方案；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將太陽光投射到隧道內部。

目前，對于太陽能光伏發電用于隧道照明的應用方興未艾，對太陽光強度、光伏板輸出功率和LED燈照明效果之間的關系認識是最大限度利用太陽能的基礎。為此，本文分析隧道照明功率與光伏發電之間的配比關系，建立太陽光強度、光伏板輸出功率和LED燈組功率三者之間的關系式，并對比帶自動追蹤功能的光伏發電試驗和安裝角度固定的光伏發電試驗結果，定量分析自動追蹤功能的對太陽能光伏發電利用率的提高和該模式的節能效果。

1 隧道光伏照明系統試驗設計

1.1 試驗裝置

本文先后開展了兩類光伏發電照明系統的對比試驗，分別為帶自動追蹤功能的光伏發電試驗和安裝角度固定的光伏發電試驗。前者配置了太陽光自動追蹤裝置，能夠實時追蹤太陽光并自動調節光伏板的安裝方向，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電利用率；后者則不帶太陽光自動追蹤裝置，太陽能光伏板的安裝方向和角度固定不變。通過對兩者進行試驗對比，比較兩者的發電能效和穩定性。

試驗裝置包括太陽能供電系統和隧道照明系統兩個部分（圖1），前者包括照度計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個組件，其中太陽能光伏組件由太陽光跟蹤系統和光伏發電板構成，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。本試驗采用了雙軸太陽光跟蹤系統，能夠在垂直和水平兩個方向上同時進行轉動或傾斜，使太陽光的入射角始終保持在90°，從而實現在有限面積接收到更多的太陽能輻射。跟蹤系統的核心元件是光感器，它能實時測量出太陽光的入射角，然后指示跟蹤控制器旋轉光伏組件的角度使之垂直太陽光入射角。充放電控制器實現對蓄電池充電和放電過程進行控制，并根據用電器的電源要求，指示蓄電池對用電器釋放電能，充電控制采用脈寬調制技術控制，放電控制的功能是在蓄電池過度放電或者系統出現故障時及時切斷開關。蓄電池的作用是以化學能的方式儲存光伏電池所獲得的電能，需要時將化學能逆向轉化成電能，起到穩定電源的作用，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 太陽能光伏發電照明系統

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

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

1.2 試驗步驟

首先，在暗房地面上劃分6×5個照度測量點網格，每個網格的尺寸為36 cm×39 cm；其次，連接各個組件，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，調整照度計探頭，使其面向陽光并與太陽能光伏板平行；最后，等到功率計讀數穩定后，測量室外太陽光強度值，記錄光伏板和LED燈的功率值，并測量暗房中各個測點的照度值，進而算出平均照度。

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

2 試驗數據結果與分析

2.1 帶自動追蹤功能的光伏發電試驗

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

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

圖2 太陽光強度、LED功率與時間關系曲線

2.2 安裝角度固定的光伏發電試驗

作為對比，同時開展了3個朝向下的固定式太陽能發電照明試驗，得到了太陽光強度與光伏板功率的曲線關系。太陽光強度與光伏板功率呈正相關，且朝南時的發光效率最佳，其次是朝西，朝東最差。另外，當光伏板朝東時，太陽光照強度和LED照明燈組功率均在10:00達到當天峰值；光伏板朝西時，太陽光照強度和LED照明燈組功率均在13:00達到當天峰值；光伏板朝南時，室外光強度曲線和LED燈組功率曲線幾近重合，兩者在11:00左右達到當天峰值。

3 自動追蹤系統能效分析

圖3為4種試驗模式下LED平均功率、最大功率、功率均方差的統計對比。就平均功率而言，自動追蹤模式（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）＞自動追蹤模式（5.42 W）＞朝南固定模式（4.50 W）。均方差指標表征了太陽能發電的穩定性，統計結果為：自動追蹤模式（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能效果的話，那么自動追蹤模式相對于朝東固定模式可以提高能效49.2%，相對于朝東固定模式可以提高能效5.9%，相對于朝南固定模式可以提高能效35.0%。另外，自動追蹤模式的發電穩定性是最穩定的。

圖3 4種試驗模式結果對比

4 結語

本文開展了安裝角度固定的太陽能光伏發電和帶自動追蹤功能的光伏發電照明試驗，通過實測太陽光強度、光伏板功率、LED功率數據，對三者之間的關系進行了分析和公式擬合，并比較了不同安裝模式下的發電能效和穩定性，得到如下結論。

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

（2）當太陽能光伏板安裝角度固定時，朝向東、向西、向南情況下，太陽光強度和LED燈組功率達到當日峰值的時間點分別為10:00、13:00和11:00。

（3）就發光能效和穩定性而言，自動追蹤模式均體現出明顯優勢。

該試驗為公路隧道利用太陽能光伏發電為洞口加強段照明供電提供指導，但因為本試驗主要是在夏天暑假期間開展，相關結論是否適用于一年四季尚需要開展長期的監測和試驗工作。