基于太阳能供电的隧道LED智能照明系统

徐韶华

（广西交通科学研究院，广西 南宁 530007）

0 引言

近年来随着公路建设不断向西部及边远山区的推进，我国公路隧道的修建量越来越多。依据现行国家规范规定，100m以上的公路隧道需要照明设施，但有些边远地区尤其是西部地区，人口稀少，远离电网，隧道照明用电难以获取。再加上昂贵的后期运营费用，使得边远地区的隧道照明问题日益严重。因此为保证这些地区的隧道行车安全，研究发展适应这种条件下的隧道供电照明系统显得非常迫切和必要。

本文旨在提出一种既可自身解决电力供应，又能满足隧道照明要求并且同时能降低运营管理成本的隧道LED智能照明系统。该系统能够充分利用丰富的太阳能资源及LED照明系统优势，为西部及边远地区公路隧道提供一种有效的供电及照明手段，保障公路隧道运营安全。

1 系统的提出

目前国内隧道机电系统供电基本都采用常规电网供电，其高昂的高压供电线路建设费用和后期照明运营费用已成为导致我国现有远离电网的中短隧道无照明设施的主要原因，该现象在二级公路隧道更加明显。要从根本上解决此问题，则需尽可能降低隧道供电电网建设及后期运营费用成本。

太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源。利用太阳能发电已成为目前用电负荷集中且功率需求不是很大的场合的不二之选。我国西部边远地区由于受地理环境、交通等因素制约，常规电力不易进入，但这些地方具有日照时间长、日射强度大的优点，为太阳能发电提供了得天独厚的条件。建立太阳能发电的隧道供电系统，既省去了极大部分的运营成本，又缓解了常规能源的短缺，并且不会造成环境污染。

虽然太阳能供电优势明显，但是缺点也明显。太阳能发电效率的低下以及连续阴雨天需要的大量蓄电成本的投入使得太阳能供电的用电负荷不能太大，否则前期投入过大，造成很大的成本浪费。而智能供电控制器、智能无级调光控制器及LED灯具的配合使用，在保证隧道连续阴雨天的照明需求的前提下有效降低了前期的蓄电成本，促成了隧道太阳能供电照明系统的完美实现。

本文提出的基于太阳能供电的隧道LED智能照明系统，能根据洞外亮度及连续阴雨天的状态自动调节照明亮度大小和控制照明供电回路，在满足隧道内照明需求的前提下大大减少隧道照明运营成本。

2 系统构成

基于太阳能供电的隧道LED智能照明系统主要分为太阳能供电子系统和隧道照明子系统两部分。其组成框图如图1所示。

图1 太阳能供电的隧道LED智能照明系统结构框图

整个系统工作过程为：太阳能光伏电池方阵通过智能充电控制器将所接收的光能转换为存储在蓄电池组中的电能，为隧道内照明及其他设备提供电源。风力发电作为太阳能供电的补充，可以保证隧道照明系统在连续阴雨天气过长时，仍可通过风力发电来供应电力，并给蓄电池提供充电保证。蓄电池充电后通过一个智能供电控制器来根据天气状况对各供电回路来进行选择性供电，从而尽可能地延长系统在连续阴雨天状况下的工作连续性。在设计中采用LED作为照明灯具，配套使用智能无级调光控制系统，其工作状态可根据外界光线大小和车流量实现自动开关和亮度调节。整个系统的运行状态可通过有线或者无线通信系统上传至控制中心，控制中心也可以根据突发事件的需求，来主动控制隧道内LED灯的运行状态。

以下就太阳能供电子系统和隧道照明子系统作出详细的说明。

2.1 太阳能供电子系统

太阳能供电照明系统主要由太阳能电池组、蓄电池、智能充电控制器、智能供电控制器、故障智能监测报警子系统及辅助风力发电子系统等组成。

太阳能电池组是隧道太阳能照明系统的主要电力输入来源。在白天光照条件下，太阳能光伏电池方阵将所接收的光能转换为电能并经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，风力发电可作为太阳能供电的补充。在系统中，当白天光照条件很好的情况下，智能充电控制器可自动进行大电流充电，在蓄电池的电量快速接近充满的情况下，大电流充电自动转换为涓流充电，该技术可保证在较短时间内蓄电池能充满电，尽可能地适应变化多端的天气状况。

在太阳能供电子系统中，隧道照明通常分入口加强照明、出口加强照明、基本（应急）照明三个回路，由智能供电控制器来根据外部天气及蓄电池蓄电水平来控制这些照明回路及其他供电回路，当外部连续阴雨天和蓄电池电量较低时，及时关断加强照明及其他供电回路，并且配合智能无级调光系统从而保证基本（应急）照明回路的最长时间运行。该智能供电控制器的应用使得前期蓄电池的容量无需与整体照明功率相匹配，从而大大降低了电池的配套容量，降低了前期工程的整体投入。

2.2 隧道照明子系统

隧道照明子系统主要包含LED灯具及智能无级调光系统。

在系统中，因蓄电池输出为直流电源，而LED灯具的供电电源也为直流，所以系统中隧道LED灯具的供电电源直接采用直流电源供电方式，该方式不但能节约直流电逆变和交流电整流的能耗，更因为无需整流电路而增加了灯具电源自身的稳定性与可靠性，从而降低LED灯具的故障率。

在隧道照明领域，按需照明一直是不断追求的理想形式，由于传统光源亮度难以控制，而设计时又必须考虑足够的设计冗余，因此公路隧道普遍存在过度照明、电能浪费巨大的现象。而本文中智能无级调光控制器的使用无疑能解决这些能源浪费问题，进而达到按需照明。该部分的系统框图如图2所示。

图2 智能无级调光系统图

该系统可分为手动调光、时间调光、自动调光模式，并且能根据外设传感器状态自动切换状态，并将故障上报中心。本控制系统的调光信号采用PWM模式，目前LED调光控制系统采用控制总线的方式比较繁多，例如：485总线、DALI总线、0～10V、0～5V、PWM等等。485总线及DALI总线在系统架构上有单灯寻址、单灯巡检等优势，但是系统构成复杂，维护工作繁琐，系统可靠性不高；0～10V、0～5V的控制方式具有系统搭建简单，施工方便等优势，但是该种模拟调光方式因调光电源吸入电流的存在，无可避免地存在控制信号压降的问题，导致灯具亮度不一致的现象；而PWM调光则集成了数字调光和模拟调光的优势使得系统简单可靠，实现精准调光。

3 本系统的技术优势

本太阳能供电隧道LED智能照明系统不仅利用太阳能光伏发电代替了传统的发电模式，而且还利用现代照明控制技术和远程监测技术，实现照明的自动化控制，满足了隧道照明要求，减少交通事故，降低运营管理成本，从而为具有丰富太阳能资源的西部地区提供一种有效的公路隧道照明方案。具体技术优势有如下几个方面。

3.1 太阳能供电方面

（1）利用太阳能光伏发电，节约了不可再生能源，有利于保持人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展，并且有利于治理污染，改善环境。

（2）太阳能发电，有利于远离电网地区隧道的电力获取，从而减少远距离架设电缆的成本浪费。

（3）太阳能发电，能有效解决边远地区因电力缺乏而导致的隧道照明电力缺口。

（4）依托太阳能光伏发电，隧道后续运营无需支付高昂的供电费用，大大减少运营成本。

3.2 隧道照明方面

（1）照明采用LED灯具，具有很好的节能效果。LED灯具亮度的调节采用无级控制方式，这种方式比分级控制的同类灯具更节能30%左右。

（2）可根据隧道外光线的强弱和车辆检测实现隧道内部LED灯具发光强度的无级调控，能更好地控制照明亮度，给司机提供一个更为安全、舒适的驾车环境。

（3）因灯具亮度跟随洞外亮度大小调节，所以大多数时间LED灯具均未满负荷工作，平均工作在40%左右。这使得灯具和电源的工作温度较低，不仅可大幅减小LED的光衰，还延长了灯具的寿命。

（4）当隧道未达到设计车流量时，可依据规范对洞内照明强度进行相应折减，以确保在满足规范的前提下最大限度地避免过度照明。

（5）系统稳定可靠，可自动根据传感器状态切换工作状态，并且将故障信息及时上传至监控中心，通知维护人员及时解决故障问题。

4 本系统推广的经济效益

基于太阳能供电的隧道LED智能照明系统的应用，有效地解决了因常规电力缺乏或者不易进入而导致隧道照明困难的问题，带来了很好的经济效益。

以2km隧道为例，现把本系统与规范中建议的高压钠灯六级调光照明系统（即晴天、云天、阴天、重阴天、夜晚、深夜）进行投资运营费用的对比。

采用太阳能供电的LED灯无级调光与采用市电供电的钠灯六级调光控制方案的投资运营费用分析表见下页表1。

表1 投资运营费用分析表

从表1中可以看出，太阳能供电方案的造价要比钠灯六级调光系统高，但由于太阳能方案每年可节省90多万元电费，并且年维护费用也要比钠灯方案低。若隧道在设计车流量条件下按规范要求开灯，则不到3年即可收回增加的投资。太阳能隧道照明方案一次性投资比较大，但大大减少了后续的资金投入，取得了很好的经济效益。

5 结语

作为21世纪中国六大发展战略之一，“西部大开发”广为瞩目。公路作为西部的主导性交通基础设施，是促进西部地区全面、协调、可持续发展的重要基础和保障，加快其建设是西部当前乃至今后一段时期的“第一要务”。将太阳能发电系统应用于隧道照明这一技术方案的提出，既是一项非常时新有效的技术，又将带来良好的经济效益和社会效益，为企业乃至整个行业的科技进步起着良好的带头作用。

［1］JTG D70／2－2014，公路隧道设计规范［S］.

［2］陈 志，徐韶华.基于无级调光的隧道LED照明节能控制系统［J］.西部交通科技，2013.7：77－80.