基于自动追踪的公路隧道太阳能光伏发电照明试验研究

张文俊，郑国平，范媛媛

（1.台州元合建设发展有限公司，浙江 台州 317205；2.杭州新奥土木工程技术有限公司，浙江 杭州 310051；3.浙江工业大学土木工程学院，浙江 杭州 310014）

0 引言

为了缓解汽车驶入隧道时的黑洞效应和驶出隧道时的“白洞”效应，根据《公路隧道照明设计细则》（JTG/TD 70/2-01—2014）的要求，长度在100～200 m的光学长隧道以及长度大于200 m的高速公路和一级公路隧道中设置电光照明。隧道照明系统并非公路隧道中安装功率最大的系统，但由于照明系统通常处于全天候开启状态，因此，在隧道用电费用中占比最大。有欧洲学者对典型隧道的照明能耗做过统计，尽管其安装功率仅占隧道内所有机电设施安装功率的14%，但其能耗却占总能耗的53%。太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源，因此，基于太阳能光伏发电技术研究照明系统的节能技术对于推动公路隧道低碳、节能运营具有重要意义，也契合国家的“双碳”战略。

太阳能的利用方式主要分为直接照明和光伏发电。直接照明通过光学元件直接输送太阳光到需要照明的地方，如光纤传导技术和投射照明技术，光伏发电将太阳能转化为电能，为隧道照明系统进行供电。在众多公路隧道利用太阳能的研究中，卢世杰等[1]提出在短隧道中采用太阳光光纤照明技术；邓路[2]建立了隧道加强段太阳能递归照明节能控制系统；张世平等[3]将太阳能薄膜光伏技术与遮光棚技术合二为一，实现隧道照明节能和供电功能统一；袁立等[4]结合车流量预测提出基于太阳光照明的按需照明节能控制方案；张龙[5]采用“菲涅尔透镜+抛物面反射镜”的新型投射照明系统将太阳光投射到隧道内部。

目前，对于太阳能光伏发电用于隧道照明的应用方兴未艾，对太阳光强度、光伏板输出功率和LED灯照明效果之间的关系认识是最大限度利用太阳能的基础。为此，本文分析隧道照明功率与光伏发电之间的配比关系，建立太阳光强度、光伏板输出功率和LED灯组功率三者之间的关系式，并对比带自动追踪功能的光伏发电试验和安装角度固定的光伏发电试验结果，定量分析自动追踪功能的对太阳能光伏发电利用率的提高和该模式的节能效果。

1 隧道光伏照明系统试验设计

1.1 试验装置

本文先后开展了两类光伏发电照明系统的对比试验，分别为带自动追踪功能的光伏发电试验和安装角度固定的光伏发电试验。前者配置了太阳光自动追踪装置，能够实时追踪太阳光并自动调节光伏板的安装方向，使光伏电池板与太阳光线入射角之间的夹角始终保持在90°，从而提高了太阳能的发电利用率；后者则不带太阳光自动追踪装置，太阳能光伏板的安装方向和角度固定不变。通过对两者进行试验对比，比较两者的发电能效和稳定性。

试验装置包括太阳能供电系统和隧道照明系统两个部分（图1），前者包括照度计a、太阳能光伏组件、功率表a、太阳能充放电控制器、蓄电池5个组件，其中太阳能光伏组件由太阳光跟踪系统和光伏发电板构成，光伏板峰值功率为20 W，工作电压为18.18 V，工作电流为1.1 A，开路电压为22.32 V，短路电流为1.15 A。本试验采用了双轴太阳光跟踪系统，能够在垂直和水平两个方向上同时进行转动或倾斜，使太阳光的入射角始终保持在90°，从而实现在有限面积接收到更多的太阳能辐射。跟踪系统的核心元件是光感器，它能实时测量出太阳光的入射角，然后指示跟踪控制器旋转光伏组件的角度使之垂直太阳光入射角。充放电控制器实现对蓄电池充电和放电过程进行控制，并根据用电器的电源要求，指示蓄电池对用电器释放电能，充电控制采用脉宽调制技术控制，放电控制的功能是在蓄电池过度放电或者系统出现故障时及时切断开关。蓄电池的作用是以化学能的方式储存光伏电池所获得的电能，需要时将化学能逆向转化成电能，起到稳定电源的作用，采用阀控密封式铅酸蓄电池，浮充电压13.5 V，充电电流≤0.15C20，均衡充电电压14.1 V。照度计a用于测量室外照度，功率表a用于测量电能输出功率。

图1 太阳能光伏发电照明系统

隧道照明系统包括功率表b、LED灯组和照度计b。功率表b用于测量LED功率，LED灯组用于暗房内照明，照度计b用于测量暗房内的照度。由于试验暗房空间较小（尺寸为2.16 m×1.95 m×1.5 m），不适合安装点状的LED隧道灯，考虑到线型光源照明均匀度更好，故本次试验截取了两条各50 cm长的LED灯带，对称粘贴于暗房顶板中间位置。LED灯带采用双层铜板材质，灯组密度为60珠/m，额定功率为18 W/m。照度计选用TASI品牌，型号为TA8120，量程和分辨率分别为20万Lux和1 Lux。

整个系统的工作原理为：光伏组件接收太阳光的辐射，将太阳能转换成电能，太阳能充放电控制器将电能存储到电池中，用于LED隧道照明系统和跟踪系统。

1.2 试验步骤

首先，在暗房地面上划分6×5个照度测量点网格，每个网格的尺寸为36 cm×39 cm；其次，连接各个组件，将蓄电池与控制器连接，然后将控制器连接到LED上，再将控制器连接到太阳能光伏板上；再次，调整照度计探头，使其面向阳光并与太阳能光伏板平行；最后，等到功率计读数稳定后，测量室外太阳光强度值，记录光伏板和LED灯的功率值，并测量暗房中各个测点的照度值，进而算出平均照度。

安装角度固定的光伏发电试验的步骤与上述过程类似，不同的是拆卸了太阳光自动追踪装置，因此，太阳能板的朝向是固定的，分别使其面朝东、西、南3个方向各做一组测试进行对比试验，光伏板平面与水平地面的夹角为40°。

2 试验数据结果与分析

2.1 带自动追踪功能的光伏发电试验

本试验总计开展了7 d，每天的测试时间段为8:00—16:00，每个整点时间点读取一次数据，包括室外太阳光照强度、室内照度、光伏板电压电流及LED电压电流，一天读取9组数据。根据电流值和电压值计算出功率值，最后采用线性拟合得到太阳光强度与光伏板功率之间的曲线关系式为：y=0.0001x+0.0709，相关指数R2为0.9504，即太阳光强度与光伏板功率呈正相关趋势，光伏板输出功率的大小一定程度上取决于太阳光强度的强弱。同时，也得到了LED灯组功率与室内平均照度的线性关系为y=2.7269x+3.8063，相关指数R2=0.8415，即LED功率与室内照度之间呈正相关趋势，随着LED功率的增大，室内照度随之增强。

太阳光强度与LED照明灯组工作功率的曲线关系如图2所示。可见，太阳光强度的变化趋势与LED灯组的工作功率基本一致：13:00前，太阳光强度随时间逐渐增加，LED灯组功率也相应增加；13:00左右，太阳光强度达到峰值，LED灯组功率也达到一天内最大值；13:00后，太阳光强度随时间变化逐渐降低，LED灯具功率相应降低。

图2 太阳光强度、LED功率与时间关系曲线

2.2 安装角度固定的光伏发电试验

作为对比，同时开展了3个朝向下的固定式太阳能发电照明试验，得到了太阳光强度与光伏板功率的曲线关系。太阳光强度与光伏板功率呈正相关，且朝南时的发光效率最佳，其次是朝西，朝东最差。另外，当光伏板朝东时，太阳光照强度和LED照明灯组功率均在10:00达到当天峰值；光伏板朝西时，太阳光照强度和LED照明灯组功率均在13:00达到当天峰值；光伏板朝南时，室外光强度曲线和LED灯组功率曲线几近重合，两者在11:00左右达到当天峰值。

3 自动追踪系统能效分析

图3为4种试验模式下LED平均功率、最大功率、功率均方差的统计对比。就平均功率而言，自动追踪模式（4.56 W）＞朝西固定模式（4.31 W）＞朝南固定模式（3.38 W）＞朝东固定模式（3.06 W）；就最大功率而言，朝西固定模式（5.97 W）＞朝东固定模式（5.76 W）＞自动追踪模式（5.42 W）＞朝南固定模式（4.50 W）。均方差指标表征了太阳能发电的稳定性，统计结果为：自动追踪模式（0.37 W）＜朝西固定模式（0.66 W）＜朝南固定模式（0.84 W）＜朝东固定模式（2.22 W）。如果简单地采用平均功率来表示节能效果的话，那么自动追踪模式相对于朝东固定模式可以提高能效49.2%，相对于朝东固定模式可以提高能效5.9%，相对于朝南固定模式可以提高能效35.0%。另外，自动追踪模式的发电稳定性是最稳定的。

图3 4种试验模式结果对比

4 结语

本文开展了安装角度固定的太阳能光伏发电和带自动追踪功能的光伏发电照明试验，通过实测太阳光强度、光伏板功率、LED功率数据，对三者之间的关系进行了分析和公式拟合，并比较了不同安装模式下的发电能效和稳定性，得到如下结论。

（1）太阳光强度、光伏板功率和LED灯功率三者之间呈线性正相关，有较好的光照条件时，太阳能板为蓄电池充电，同时也为LED灯组供电，当晚上和阴雨天气光伏板不受光照时，蓄电池向LED灯组供电，故试验过程中LED灯组始终保持点亮状态。

（2）当太阳能光伏板安装角度固定时，朝向东、向西、向南情况下，太阳光强度和LED灯组功率达到当日峰值的时间点分别为10:00、13:00和11:00。

（3）就发光能效和稳定性而言，自动追踪模式均体现出明显优势。

该试验为公路隧道利用太阳能光伏发电为洞口加强段照明供电提供指导，但因为本试验主要是在夏天暑假期间开展，相关结论是否适用于一年四季尚需要开展长期的监测和试验工作。