隧道智能光伏照明系统方案设计研究

2020-10-21华实

机电信息 2020年8期

华实

摘要：考虑到传统隧道照明存在耗能高、成本高等缺点，以新型光伏照明和智能控制为基础，融合自然光照明、太阳能光伏发电、LED电源、智能照明控制等多项技术，设计研究了一种隧道智能光伏照明系统。该系统体现了安全、节能、低成本理念，实现了建设期零输变电建设费用，运营期间零电费开支、零碳排放。

关键词：智能光伏照明;LED;安全;低成本

0 引言

隧道照明是保证隧道行车安全的关键因素之一。隧道照明往往受隧道洞外亮度、车流量、车速等因素影响。由于隧道入口亮度和交通量不同，人眼对环境适应性有所差异，故而对隧道整体照明应该进行有效控制和调整[1]。现有的隧道照明控制以简单、可靠的时序控制法为主，通过调整工作灯具的数量达到照明的目的，但是未能有效消除天气变化、隧道通风等状况变化以及交通量的变化对照明的影响[2]。LED照明灯的出现大大促进了隧道照明的研究，利用LED照明灯，通过有效设置可以实现自动连续调光，满足不同的操作需求[3]。

本文以智能控制节能为基本理念，依托魏家湾隧道工程，通过对隧道的照明控制方式进行改进和优化，由回路控制变为实时调光控制，根据隧道外部环境变化对每个灯具的亮度进行调节，实现整个隧道照明功率降低而不改变隧道照明质量的目的。

1 智能光伏照明系统构件组成

隧道照明系统由自然光明洞、离网光伏发电系统、智能照明系统和远程监控系统构成。隧道智能光伏照明系统设计结构如图1所示。

1.1 自然光明洞

自然光明洞由隧道入口明洞或钢结构架形成，在一些用地紧张或无合适地址安装光伏组件时，还可作为光伏组件的安装基础。明洞的照明亮度为洞外的10%～20%，因为有自然光明洞的存在，可以减少隧道入口端的加强照明功率，在确保隧道内行车舒适且安全的前提下达到节能的目的。

1.2 离网光伏发电系统

该系统由光伏组件PV阵列、太阳能充电控制器、蓄电池组、高压直流配电系统、柴油发电机等部件组成。

1.3 智能照明系统

1.3.1 控制方案

采用智能照明控制系统，实现灯光多级调节，配备时间控制器、光通量传感器和车流量传感器等多种控制器，能根据预设的照明时间段、洞外亮度变化和车流量，实现对灯具开关和照度的时间控制、光通量控制和车流量控制，从而实现灯光照明的按需供应，在保证行车舒适和安全的前提下最大限度地节约用电。

1.3.2 照明设计

照明设计通过计算机仿真，合理布局隧道各段灯具间距，选择合适的灯具功率，通过仿真结果达到规范所要求的照度值，避免了照度达不到要求或过度照明造成的能源浪费。照明灯具选用隧道专用LED灯具，LED灯较高压钠灯具有能耗低、寿命长、显色性好、光效高（光衰小）、启动时间短、环保等优势。

1.4 远程监控系统

控制器集成了GPRS模块，可实现基于云监控的远程监控功能，对太阳能板发电量、蓄电池剩余电量及照明情况进行实时监控，提升公路隧道智能光伏照明系统的安全性、可靠性和先进性。

2 隧道智能光伏照明设计

2.1 工程概况

魏家湾隧道属于二级公路，隧道总长为230 m，隧道为双向交通，行车速度为40 km/h。隧道标准路面宽度为8.75 m，两边检修道宽0.75 m，隧道净空高度7.6 m。隧道内部照明系统已投入使用，原有照明灯具和照明线路均已安装完毕。

本次照明改造施工为原有照明系统的改进和优化，以取得更好的安全和节能效果。施工范围为进口端向内50 m，施工内容包括原有照明灯具拆卸、原有照明线路拆卸、新灯具的安装、新照明线路的安装、车流量传感器安装、配电房控制系统安装等。

2.2 照明改造方案

本次改造方案是对隧道的照明控制方式进行改进和优化，由回路控制变为实时调光控制，根据隧道外部环境变化对每个灯具的亮度进行调节，实现整个隧道照明功率降低而不改变隧道照明质量的目的。

（1）控制单个灯具的照度，根据外部环境的变化进行调节，灯具的能耗功率实时变化，对整个系统实现节能。

（2）控制隧道内部所有灯具亮度进行实时变化，不改变照明间距和照明位置，调节过程中除平均照度根据要求实时变化外，照度均匀度和纵向均匀度均不发生变化，始终保证隧道的照明质量，提高隧道照明的安全性。

（3）本方案对隧道照明控制可实现远程实时监控功能，对隧道的运营管理提供了很大便利。

2.3 光伏供電系统设计

2.3.1 系统组件配置

根据设计经验，系统装机容量为负载的3倍，即约为32 kW，日发电量=32×3.2×0.712≈72.9 kWh，由此确定系统配置。

2.3.1.1 光伏组件配置

根据当地地理位置的布局、施工维护方便性及发电效率、占地面积等，确定使用250 Wp CY-TD250光伏板。组件数量N=32×103/250=128块，取整数130块。为满足直流总线电压要求，组件连接采用10串13块并联方式，组件选用250 Wp型单晶硅组件。

2.3.1.2 离网逆变器配置

总负载峰值功率按32 kW计算，考虑高海拔、低温等因素，选用40 kW离网逆变电源1台。离网逆变器质量和稳定性直接影响光伏发电系统的发电质量和系统稳定性，建议采用拥有先进光伏逆变技术的生产厂家的成熟产品，建议选用南京冠亚生产的GN-30KFT型离网逆变电源。

2.3.1.3 蓄电池配置

由于本站地处高速公路边沿，维修不便，所以采用长寿命胶体蓄电池，而系统直流总线电压达220 V。蓄电池总节数为110节，连接方式为110串并联，电池规格为2 V/300 Ah。

2.3.1.4 光伏控制器配置

光伏控制器必须能控制多路太阳能电池方阵，实现蓄电池组的充放电管理功能，依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制太阳能电池方阵的依次接通或切离，既可充分利用宝贵的太阳能电池资源，又可保证蓄电池组安全、可靠的工作。本系统选用南京冠亚生产的GS-200F型光伏控制器。

2.3.1.5 柴油发电机

设计柴油机只满足基本段照明负载用电并向蓄电池充电，4 h可完成充电。蓄电池充电模块充电电流为75 A，则充电功率为75 A×220 V=16.5 kW，基本段照明负载功率为1.68 kW，则总功率为18.18 kW，考虑柴油机发电效率为0.9及冗余度为0.8，则柴油机功率=18.18 kW÷0.8÷0.9=25.25 kW，参考市场产品规格选取30 kW/380 V/50 Hz柴油机（带自启动功率及ATS模块）。

2.3.2 照明控制设计

灯光控制方式中，双向隧道将照明分为入口段、过渡段1、过渡段2和基本段。其中，入口段、过渡段1、过度段2的基本照明采用1个回路，入口段、过渡段1、过渡段2的加强照明采用4个回路，进行调光控制，基本段采用2个回路控制，在自动模式下根据照度仪测量反馈的数据调节如下：

2.3.2.1 入口段、过渡段1、过渡段2

（1）当照度仪采集值>52 500 lx时，4个回路全部开启。

（2）当52 500 lx>照度仪采集值>39 375 lx时，开启3个回路。出口段照明亮度取基本段的5倍，取值10 cd/m2，长度取60 m。

（3）当39 375 lx>照度仪采集值>26 250 lx时，开启2个回路。

（4）当26 250 lx>照度仪采集值>13 125 lx时，开启1个回路。

2.3.2.2 基本段

基本段采用2个回路控制，08：00—22：00正常情况下2个回路全部开启，22：00—08：00根据车辆传感器采集的车辆信息自动关闭或启动隧道内一路基本照明，当5 min内无任何车流量时自动关闭一路基本照明灯，达到节能效果。

3 结语

本文提出的智能光伏照明控制系统可以实现隧道照明的安全、低能耗、低成本控制。通过对隧道的照明控制方式进行改进和优化，由回路控制变为实时调光控制，根据隧道外部环境变化对每个灯具的亮度进行调节，可以降低整个隧道照明的功率，保证隧道的照明质量。

[参考文献]