浅析节能技术在高速公路的综合应用

2014-06-10张嶂安红军

科技创新导报 2014年7期

张嶂　安红军

摘要：目前我国高速公路处于大发展时期，加强高速公路节能系统的应用成为深入贯彻科学发展观、落实节约资源基本国策、建设节约型和谐社会的一项重要措施。高速公路运营管理是保障高速公路安全畅行的重要举措。文章结合实际，对高速公路运营管理中采用不同的节能措施、设备及方案进行论述，旨在降低运营成本，减少能耗，彰显现代科技带来的巨大效益，营造安全舒适的行车环境。

关键词：高速公路机电系统前端节能节能技术太阳能技术

中图分类号：U453 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0037-04

近些年，随着我国高速公路的迅速发展，大量电子监控设备及照明设备在的高速公路中广泛应用，虽然为车辆安全便利通行提供有力保障，但同时也使得运营成本大大增加，运营开支居高不下。

为响应国家节能减排号召，降低运营成本，本文以科学发展观为指导思想，分别从前端电压电流节能控制、相关设备的节能控制技术措施以及太阳能节能设备的使用三个方面介绍了高速公路节能系统，以下分别详细介绍。

1 前端电压电流节能控制

调压调流节能设备、稳压滤波及补偿技术应用、节能变压器等节能设备应用。

（1）调压调流节能设备

结合供电电压不稳定情况，将调压调流照明节电设备串入隧道供配电系统的低压照明回路中，主要采用的方法是将照明回路采用独立小母线形式分离出来，再将照明节电设备接入到照明回路中，通过照明节电设备的内部智能调压系统来实现实时智能的调控照明配电系统的运行电压。

通过招商局重庆交通科研设计院内200m实体隧道节能测试效果来看，当运行电压到达390 V时，照明节电设备投入隧道中整个照明系统节电约20.2%；当运行电压到达400V时，照明节电设备投入隧道中整个照明系统节电约25.3%；当运行电压到达410V时，照明节电设备投入隧道中整个照明系统节电约30.9%。如图1：

照明节电设备型号：PT-150KVA-N-L-P；PT-120KVA-N-L-P

（2）稳压滤波及补偿技术应用

将稳压、滤波及补偿装置并排设置在变压器低压端的母线排上。该技术可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿成都连续可调。补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件也不大。如图2所示。

谐波污染和无功功率等都会对隧道供电系统的质量和设备容量、使用寿命有着非常大的影响。研究结果显示，运用了稳压、滤波及补偿技术的隧道供配电系统，系统谐波得到了有效地降低，波形全部都可以得到明显改善。在设备容量之内补偿率大于75%；当超出设备补偿容量时，设备按照最大输出能力补偿。变压器电流畸变率均降低到了5%一下，电能质量得到有效提高，同时电能消耗得到有效地节约和控制靠近过谐波治理，设备运行总电流得到下降，节能达到10%以上。以下是稳压、滤波及补偿技术应用前后的图形对比，如图3：

有源电力滤波器型号：APF/70A-4L；APF/100A-4L；

（3）节能变压器应用方案

目前大部分隧道采用的都是干式变压器，如某隧道群采用的是SCB10型干式变压器。建议采用节能型非晶合金干式变压器（SCBH15型），它在减少空载损耗方面有相当优越性，如图4，图5所示。

从图4，图5两个表的计算结果可知，虽然非晶合金干式变压器初期投资费用高，但总费用低于SCB10型干式变压器。其投资回收年限通过两种变压器投资价差与两种变压器年耗电费用价差之比计算，考虑资金的时间价值，通过现值系数进行折算。以某隧道群为例，1台非晶合金变压器的投资回收期为10年左右，而变压器实际寿命可达30年，随着非晶变压器生产规模的扩大和电价的上涨，非晶合金变压器将总费用值变得更低。

2 相关设备的节能控制技术措施

2.1 LED灯节能控制技术

（1）LED背景概述

LED（Light EmitTIng Diode，发光二极管）是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED光源具有节能、环保、寿命长、体积小、稳定性高、响应时间短等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明、城市夜景、高速公路隧道照明等领域。交通部为贯彻落实《国务院关于加强节能工作的决定》（国发【2006】28号文），于2007年6月启动交通行业节能示范活动，高速公路隧道节能照明由此拉开序幕。

（2）隧道LED灯控制系统原理

高速公路隧道照明分为加强照明段、过渡照明段、基本照明段。通过智能控制系统对隧道内不同照明段内LED照明灯具进行调光控制，在不影响车辆通行效果前提下，达到节能减排功效。公路隧道LED灯无极调光是通过控制LED等电源的输出电流，调节其输出功率，可实现256级亮度调节，调光级数多、范围大，可应用于对亮度调节级数要求较高的公路隧道照明控制工程中。

（3）公路隧道LED灯无极调光控制系统构成

隧道LED灯无极调光控制系统由照明监控计算机、光亮度检测仪、车辆检测器（公用）、光端机、无极调光控制器及配套的公路隧道LED灯、光（电）缆等组成。其系统结构图如图6所示。

2.2 风机变频节能技术

传统风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用档板、风门、回流、起停电机等方式控制，无法形成闭环回路控制，也较不考虑省电的观念。电气控制采用直接或Y-△起动，无法具有软起动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪音较大，需要的电源容量大，功率因数较低等是其主要的问题点。

从流体力学原理得知，风机风量与转速及电机功率相关。当风量减少风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低。例如风量下降到80%时，转速也下降到80%，其轴功率则下降到额定功率的51%；若风量下降到50%时，轴功率将下降到额定功率20%。采用变频调速，改变风机电动机的输入频率从而改变电动机、风机转速，达到调节空气流量的目的，既满足生产工艺变化的要求，又节省电能，是一举多得的最佳措施。endprint

风机调速后的理论节能效果如图7所示。

由此可见风机变频调速确实具有节能优点，总结如下：

（1）应用变频器后，电机的电压、电流明显下降，电机输入功率明显减少。（2）风机转速调速范围不宜太大，通常应不低于额定转速的50%，最好在70%～80%之间。（3）当转速低于额定转速的40%～50%是，风机本身的效率明显下降，不经济。同时应避免开机时祭祖的机械临界点，否则会损坏机组。（4）运行工况点明显改善，风门可以全部打开，完全由转速调节流量，对生产操作极为方便，而且有利于风机的维护保养，延长使用寿命。（5）变频器直接控制电机，通过调速来驱动风机工作，从而提高了风机的转动效率。（6）由于变频器加减速时间可以任意设定，避免了风机全负荷启动时的大电流冲击，有利于延长设备使用寿命。（7）操作方便，控制精度高，响应速度快，使整个系统工作平稳。（8）节电率在20%～70%之间，具有巨大的节能效益，设备投资回收期短。具体使用设备为：变频器或者变频控制柜。

2.3 太阳能技术运用

随着化石能源日趋紧缺和环保压力不断加大，各国都在积极探讨新能源、可再生能源特别是太阳能。由于太阳能具有储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和逐渐显现的经济性等优势，使其成为人类最为理想的替代能源。因此，研究和开发太阳能发电已成为世界各国实现可持续发展的能源战略决策。

太阳能发电分热发电和光伏发电两种基本形式，近年又形成若干个分支，以异乎寻常的速度得到快速发展，太阳能技术也在高速公路上得到应用。

（1）太阳能光伏发电

由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、无机械转动部件、故障率低、维护简便、无人值守、建站周期短、规模大小随意和无需架设输电线路、方便与建筑物结合等特点，它已成为太阳能发电最基本、最普遍和最有前景的应用形式。

太阳能光伏发电技术是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器和用户负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，用户负载为系统终端。

高速公路外场监控所采用的主要设备有外场监控摄像机、光端机、微波车检器、气象检测器等。而大部分设备的供电电压为5V～24V。采用太阳能供电系统能够完全满足这一要求。在高速公路外场设备设置点上，太阳能光伏发电系统一般设置在电缆输电线路远、采光好、日照平均时长超过8小时的地点，即能节省投资又施工、维护方便。

按照高速公路道路监控系统及公安部安防等相关规范，在重要路段、特大桥、隧道出入口、收费站互通立交等重点监控地点应当安装道路监控设备。有些重点监控区域由于距离有源供电点远，无法实施供电电缆供电，太阳能供电系统的应用就显得尤为重要，另外根据供电距离的远近，太阳能供电系统一次性投资较电缆供电而言能够节约相当成本。

以陕西某高速公路道路监控项目为例，该高速公路途经地区气候适宜，日照充足，具备使用太阳能设备条件，经过认真调研分析，得出以下数据，如图8所示：

通过实际测算，当外场监控设备距离收费站箱变2500 m时，仅太阳能供电系统每套一次性投资能够节约成本近1.8万元，项目合计节约投资近30万元。综合各方面原因考虑，比如供货周期、施工难度、安全防盗、监控点设置必要性等因素，在进行系统设计时，当外场设备距离收费站点距离大于2500m时，考虑使用太阳能供电系统供电，距离小于2500m时，使用供电电缆供电。该方案既能满足系统方案设计需要，又能够达到降本增效的目的，通过后期实际运行情况看，效果相当显著，达到并超出设计要求。

（2）太阳能集热系统应用

太阳集热系统主要包括太阳能热水器、储热水箱及循环系统，是利用太阳的能量将水从低温度加热到高温度的装置，是一种热能产生系统。太阳热水器是由全玻璃真空集热管、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管，由它吸收太阳的辐射热能，加热冷水提供给人们在生活、生产中使用的节能设备。

在高速公路主要应用于沿线各收费站点的生活用水，由于各收费站距离市区较远，以前主要靠煤炭、电能等资源维持日常生活所需。由于太阳能集热系统的普及，该项节能技术也逐渐运用到高速公路上。太阳能热水器的采光面积及使用数量与集热器的热性能、使用期间的气象条件、用户所需的水量和水温等诸多因素有关，太阳能热水器联接方式为并联的集热器组并联，该系统具有自动补水功能，无人值班，通过自动控制的水泵循环换热。其原理图如图9所示。

以陕西某高速公路二级收费站为例，收费站平均人数40人，平均每人每天使用生活热水0.05 t，全站平均每天使用生活热水2 t，陕西省全年平均气温11 ℃，考虑到管道传输热量流失，热水加热至温度56 ℃，通过以上基础数据，得出以下结果，如图10。

以上采用宏观的平均算法（数字相对保守），经过初步核算，使用太阳能集热系统供应日常生活用水，能够有效降低运营成本。按照平均每15 km一个收费站，陕西高速已突破4000 km，共计近270个收费站，保守估计每年能够节约金额近90余万元，起到了较好的降本增效的效果。

总之，太阳能作为一种新型能源，集环保、节能、绿色等特点于一身。普遍的推广太阳能技术，对于改善植被、减少水土流失、降低温室效应对地球温度的影响、降低环境污染等，都有很重要的意义，当然对于降低高速公路投资及运营成本也有非常重要的意义。

4 结语

目前，高速公路节能技术还有许多研究可做，除了本文讨论的前端电压电流节能控制、相关设备的节能控制技术措施以及太阳能节能设备的使用外，开展照明系统的节能控制、节能设备应用的研究等等同样也是高速公路运营节能的有效途经，也会带来巨大的经济效益。因此，我们应该树立通过充分运用现代科技技术的进步来提高节能的设计水平和质量，而不能通过降低设计标准来达到节能目的的理念。随着高速公路的建设逐步深入，运营节能将越来越受到社会公众及相关管理部门的重视。更需要及时、认真地研究和解决相关技术和管理问题，使节能效果真正在实际运营中得以显现。

参考文献

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[3] 高远望，冯杰.隧道供配电及照明系统中节能技术综合应用探索[J].公路交通科技，2006（6）.