光伏LED照明系统在公路隧道中的应用

光伏LED照明系统在公路隧道中的应用摘要：根据我国公路隧道多处于山区且多为中短隧道的特点，结合光伏发电的发展现状，以及LED照明技术的成熟并广泛应用，结合国内近年来光伏发电在隧道照明中的应用实例，分析探讨了光伏发电与LED照明技术在公路隧道照明中的应用。关键词：隧道照明；LED；光伏1刖言由于我国山地众多，75%左右的国土都是山地。随着我国交通基础建设的飞速发展，公路隧道的里程也在逐年增加。数据显示，截至2019年我国公路隧道数量为19067座，隧道总长度达到18966.6千米，同比增长10%。其中公路特长隧道数量增长至1175座，长度达到5217.5千米；公路长隧道数量达到4784座，隧道总长度为8263.1千米，大多数隧道为中短隧道。目刖我国已是世界上公路隧道最多、发展最快的国家。隧道照明也随之越来越受重视，在大气污染、偏远山区隧道供电成本高的大背景下，在公路隧道中应用一种既可减少环境污染、降低工程造价，又能节约运营成本的照明系统具有重要意义。2国内发展及研究现随着我国隧道照明技术的不断成熟，隧道照明系统的形式也越来越多样化。更多的高科技和新技术应用其中，这不仅使得隧道照明的效果得以大力提升，而且还可以节约大量的能源，减少对环境的破坏。由于公路隧道大多建设在一些偏远山区，其周围的地方电力基础设施较为薄弱，照明系统的供电成为最大的难题。为了解决这一难题，国内许多科研机构和企业都相继以光伏发电与LED照明在隧道中的应用为课题进行了深入研究，一些项目已经得以实施，且初具成效。如2014年峡湖金公路隧道光伏照明系统，2015年怀化淑浦叶子坳隧道智能光伏照明工程，2019年贵州盘兴高速司家寨隧道光伏照明系统，2020年江苏溧宁高速靖居口隧道光伏照明系统。除此之外还有一些科研机构和政府实施了隧道光伏照明示范工程，近年来实施的隧道光伏照明系统呈现越来越多越来越热的趋势。随着隧道照明需求的大增，公路隧道光伏照明系统将会面临更多的发展机遇。3、技术条件及可行性分析隧道用电负荷的大小直接影响到光伏照明系统的成本，如果在保证系统可靠性的情况下负荷过大，就会导致光伏发电系统的成本过高，导致项目难以实施。依据《公路隧道照明设计细则》中的要求，长度L>200m的高速公路隧道、一级公路隧道应设置照明；长度100mVLW200m的高速公路光学长隧道、一级公路光学长隧道应设置照明；长度500mVLW1000m的二级公路隧道宜设置照明；结合目前国内公路隧道设施配置现状，一般短隧道（长度<500米的隧道）用电设备主要为照明负载，在长或特长隧道以及部分中隧道内设有机械通风设施及监控设施，而隧道中的机械通风设备多为三相大功率风机，同时启动电流大，这对于光伏发电系统来说需提高逆变设备及控制器的性能，建设成本增加。所以在保证照明稳定性和可靠性及控制建设成本的情况下，光伏照明系统在长或特长公路隧道中应用的可行性仍待验证。就目前国内已经实施的公路隧道光伏照明系统的案例来看，主要集中为短隧道，且隧道长度为200〜300米的较多，对于一些自然通风条件较好，无需人为通风的短公路隧道，凭借光伏发电系统建设周期短、投入成本低、机动灵活的优势，采用光伏发电系统配套高光效的LED隧道灯具用来照明的可实施性非常强。公路隧道照明采用光伏供电方案需重点考虑隧道实际用电负荷需求、隧址区地形及日照资料。光伏LED隧道照明系统的组成如下图所示：主要包括太阳能电池板、汇流箱、蓄电池组、光伏控制器、逆变器，照明配电箱等部分组成。照明控制是隧道照明的重要组成部分，近年来隧道照明的控制发展越来越成熟，控制方式已由原来简单的定时开关灯发展为通过洞外光敏探头感知洞外亮度及天气情况来整体调光，通过红外加声控采集车流量控制灯具亮度，根据经纬度全天分段调光等多种模式；控制方式有有线控制和无线控制两大类，有线控制方式多采用电力载波、RS485总线、DALI、C-BUS、KNX等，无线控制方式主要为ZigBee、NB-IoT、LoRa、GPRS等；受隧道无线信号传输信号受环境影响较大的制约，目前公路隧道及城市隧道多采用有线控制的方式。有线控制组成如下图所示，通常由集中控制器、远程控制主机、带控制接口的单灯控制器组成，远程控制主机通过无线信号与集中控制器进行通信，集中控制器通过控制线与单灯控制器进行通信，进而调节灯具亮度，通过智能调光可以最大限度的节约电能，保障光伏发电系统的稳定性。隧道照明灯具的选择关系到隧道的最终照明效果，也直接决定了隧道的照明用电负荷。随着近年来国内外LED照明技术的成熟和快速发展，LED照明技术已经广泛应用各种场合。LED灯具不仅种类繁多，而且与前几年相比在光效、显色性等性能等方面都有显著提高，知名品牌的隧道灯具整灯光效基本可达到130lm/W以上，显色性高Ra>75。同时LED隧道灯还具有寿命长、启动迅速、无频闪等优势，LED照明灯具的寿命目前可以达到5万小时以上，具有较高的可靠性，这大大减轻了灯具维护次数，减少维护成本的同时减轻了对交通造成的影响。LED隧道灯的配光更合理，通过合理的布置可以在增大布灯间距的情况下仍然能够避免暗斑，提高照度均匀度，同时可根据隧道的空间尺寸及布灯间距选择相适应的配光透镜或配置防眩光格栅，使隧道照度均匀无眩光；基于LED照明灯具的种种技术优势，目前隧道照明系统中已很少应用传统气体放电光源，LED的节能不仅节省了电能，降低负荷的特点更可以减少太阳能电池板的配置数量，同时减小逆变器、控制器的规格，缩减供电线缆的截面，降低系统造价成本。但LED灯具光线的穿透能力欠佳，在多雾地区隧道不宜采用。光伏LED照明系统在公路隧道中运行的可靠性是重要因素，为保证系统的可靠性，就需要选择转化效率高的单晶光伏组件，同时要加强维护。光伏发电设备系统效率主要决定于太阳能电池板的光电转换率，光电转换率是评价太阳能电池板的重要因素。除光照强度外，温度也是影响光电转换率的重要因素，当温度升高时，光电转换率明显下降，所以光伏阵列宜选在通风条件好的场合。由于光伏发电受太阳日照条件的影响最为明显，隧道区能否采用太阳能受到隧址区太阳日照时数影响很大，设计和策划前期需结合本地区具体日照和气象条件，充分分析当地冬夏季日照差别及连续阴雨天气情况，结合隧道照明的亮灯时间和负荷变化，合理选择相应的光伏电站安装容量和蓄电池组的容量。规划和设计光伏阵列及设备安装场所时，需重点考虑隧址区日照条件和隧道洞口地形是否满足要求，要合理利用山势地形减少建设成本，在尽量减少破坏植被的情况下减少植被对光线的影响，做好防火及防止泥石冲刷措施，同时要建在坡度不大便于维护的地方。4、结论和存在的问题目前国内外LED照明技术已经取得非常显著的成绩，凭借着LED的优越照明特性，采用电网供电的LED照明隧道已经占据很大比例。随着近几年来国内光伏产业的跨越式发展，在环境问题及偏远山区供电困难的背景下，通过光伏发电技术与LED照明技术相结合的公路隧道照明技术具有很强的可行性。不过，仍有一些重要问题需要解决，一是系统建设成本，由于隧道照明需昼夜不间断工作，用电量较大，系统一次性投入较大；二是系统的可靠性，由于春冬季节日照时间较短，容易因发电量不足造成闪灯或灭灯，从而难以保证系统的可靠性。总体来讲，我国公路隧道照明采用光伏发电和LED照明相结合的系统的研究与应用具有很好的应用前景。参考文献：JTG/TD70/2-01