基于太陽能的公路隧道照明方法

陸遠迅，劉國貴，王 興，張 倩

(重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

截至2014年底，我國共建成公路隧道12 404座，約10 756.7 km。其中，特長隧道626座、約2 766.2 km，長隧道2 623座、約4 475.4 km［1］。伴隨著我國公路隧道數(shù)量和規(guī)模的穩(wěn)定增長，公路隧道照明的節(jié)能減排問題已成為“綠色交通”背景下交通工程領(lǐng)域的重點研究對象。傳統(tǒng)公路隧道照明方法，采用在入口段、過渡段和出口段布設(shè)加強照明來克服洞內(nèi)外亮度變化引起的“黑洞效應(yīng)”和“白洞效應(yīng)”。為了解決傳統(tǒng)公路隧道照明方法運營成本高、能耗高等問題，遮光棚等減光技術(shù)在新城隧道、葫蘆巖隧道、打浦路隧道等隧道工程中得到成功應(yīng)用，且太陽能LED照明也在吉林、福建、山東、河北等地的隧道工程中得到成功運用［2］。針對遮光棚長度方面的研究，李英濤等［3］根據(jù)駕駛員視力恢復(fù)時間提出了遮光棚的長度計算模型，李靖等［4］根據(jù)照明段亮度和長度曲線建立了自然光采光段長度與節(jié)省電量的函數(shù)關(guān)系模型。但是，僅采用遮光棚的公路隧道，其節(jié)能、經(jīng)濟效益不明顯;僅采用太陽能LED照明的公路隧道，其投資建設(shè)、維護管理成本過高，而且前述遮光棚長度計算模型未考慮遮光棚的經(jīng)濟性。

針對以上問題，本文采用遮光棚和太陽能LED照明，對傳統(tǒng)隧道照明方法進行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合遮光棚的經(jīng)濟性提出遮光棚長度計算方法。

1 隧道照明系統(tǒng)總體設(shè)計

國內(nèi)外對公路隧道照明段落的劃分以國際照明委員會(CIE)提出的視覺適應(yīng)性曲線為主。公路隧道照明段落可劃分為入口段照明、過渡段照明、中間段照明、出口段照明及洞口接近段減光設(shè)施［5］。本文結(jié)合傳統(tǒng)公路隧道照明段落劃分方式，提出了新型公路隧道照明段落劃分方式，如圖1所示。該方式通過在隧道入口處和出口處架設(shè)遮光棚，以取代原有的入口段、過渡段和出口段照明，并在遮光棚內(nèi)布設(shè)基本照明設(shè)施，以滿足傍晚、夜間、黎明等時段安全行車的需要。因為中間段照明亮度需求最低，擬采用太陽能LED照明，以滿足隧道停車視距內(nèi)路面情況辨識以及視覺誘導(dǎo)的照明亮度需求。

2 隧道照明關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 遮光棚

隧道入口處架設(shè)遮光棚的主要目的是充分利用自然光降低洞外亮度，有效解決隧道洞內(nèi)外亮度變化引起的“黑洞效應(yīng)”。在保障行車安全的前提下，遮光棚能降低入口段和過渡段大功率加強照明燈具產(chǎn)生的能耗和運營費用。本文將結(jié)合視覺適應(yīng)性曲線，探討遮光棚的段落劃分及其透光率，并且結(jié)合遮光棚的經(jīng)濟性討論遮光棚長度計算方法。

2.1.1 遮光棚段落劃分及透光率的確定

遮光棚段落劃分及透光率的確定應(yīng)結(jié)合隧道照明視覺適應(yīng)性曲線，滿足駕駛員視覺從洞外亮度L20(S)向中間段亮度Lin平緩過渡的需求。本文提出的公路隧道照明方法擬將遮光棚劃分為入口段TH1、TH2和過渡段TR1、TR2，如圖2所示。JTG/T D70/2－01－2014《公路隧道照明設(shè)計細則》［5］(以下簡稱《細則》)中規(guī)定，當(dāng)TR3的亮度Ltr3不大于中間段亮度Lin的2倍時，可不設(shè)置過渡段TR3加強照明。因此，建議遮光棚結(jié)束處(即隧道洞口處)的亮度值為中間段亮度值的3倍，中間段亮度值應(yīng)按《細則》規(guī)定取值。

圖1 公路隧道照明系統(tǒng)段落劃分圖Fig.1 Scheme of section division of lighting system of highway tunnel

圖2 遮光棚段落劃分及透光率示意圖Fig.2 Scheme of section division and transmittance of shading shed

為了能有效地改善遮光棚內(nèi)的光環(huán)境，擬采用逐級減光的方式確定透光率。結(jié)合隧道照明視覺適應(yīng)性曲線，將遮光棚劃分為入口段TH1、入口段TH2、過渡段TR1和過渡段TR2。入口段TH1均分為2個段落，其確定透光率的依據(jù)為:停車視距20°視場范圍內(nèi)的亮度分別達到入口段TH1亮度的100%和80%。入口段TH2均分為2個段落，其確定透光率的依據(jù)為:停車視距20°視場范圍內(nèi)的亮度分別達到入口段TH1亮度的60%和40%。過渡段TR1均分為2個段落，其確定透光率的依據(jù)為:停車視距20°視場范圍內(nèi)的亮度分別達到入口段TH1亮度的25%和15%。過渡段TR2均分為2個段落，其確定透光率的依據(jù)為:停車視距20°視場范圍內(nèi)的亮度分別達到入口段TH1亮度的7%和5%，如圖2所示。

為了克服傍晚、夜間、黎明等時段自然光不足的情況，遮光棚內(nèi)應(yīng)設(shè)置基本照明以保障行車安全。通常基本照明應(yīng)同中間段照明一致，即滿足《細則》規(guī)定的中間段亮度表，而且基本照明設(shè)施可兼作應(yīng)急照明設(shè)施，當(dāng)出現(xiàn)故障或者停電時，可以利用不間斷應(yīng)急電源為照明系統(tǒng)提供應(yīng)急供電。基本照明的燈具宜采用顯色指數(shù)Ra≥65、色溫介于3 500～6 500 K的LED燈或單端無極熒光燈［5］。公路隧道基本照明的控制方案宜結(jié)合交通量、洞外亮度、時間、天氣狀況等參數(shù)進行動態(tài)調(diào)光控制，以達到安全、節(jié)能、經(jīng)濟、高效的照明效果。

2.1.2 遮光棚長度計算模型

遮光棚的長度不僅與遮光棚段落劃分有關(guān)，而且需要滿足隧道建設(shè)運營的經(jīng)濟性和節(jié)能性需求，其主要決定因素包括洞外照度、洞內(nèi)照度、駕駛員的視覺適應(yīng)時間、隧道設(shè)計速度、道路縱面線形等。隧道入口處遮光棚長度Ls的計算公式為

式中:vt為隧道設(shè)計速度，km/h;Tin為駕駛員駛?cè)胨淼纼?nèi)所需的視覺適應(yīng)時間，s，相關(guān)研究表明，可用式(2)計算得出［3］。

式中:Eout為隧道洞外照度，lx;Ein為隧道洞內(nèi)中間段照度，lx。

但是，架設(shè)遮光棚需要兼顧節(jié)能性和經(jīng)濟性。遮光棚的經(jīng)濟性即在全壽命周期T內(nèi)，同未架設(shè)遮光棚的公路隧道照明方法(以下簡稱方案1)相比，架設(shè)遮光棚的公路隧道照明方法(以下簡稱方案2)的建設(shè)、運營全過程總費用更少，即方案2的總費用C2與方案1的總費用C1的差Δ≤0，可表示為:

式中:C棚，C中′，C入，C過依次為方案2的遮光棚(包含遮光棚內(nèi)的照明設(shè)施)建設(shè)費和增加中間段的照明設(shè)施建設(shè)費、方案1的入口段建設(shè)費和過渡段照明設(shè)施建設(shè)費，萬元;P棚，P中′，P入，P過依次為方案2遮光棚的年均運營費和增加中間段照明設(shè)施的年均運營費、方案1入口段和過渡段的年均運營費，萬元/年;T為遮光棚設(shè)計使用壽命，年。

其中，遮光棚(包含遮光棚內(nèi)的照明設(shè)施)建設(shè)費與遮光棚長度、建筑材料以及設(shè)置形式等相關(guān)。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)材料的不同，遮光棚可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土與鋼組合結(jié)構(gòu)等［6］。遮光棚應(yīng)結(jié)合工程實際情況確定建筑材料以及設(shè)置形式，從而確定單位長度遮光棚的建設(shè)費?？杀硎緸?

由式(3)和式(4)可推算出遮光棚長度Ls應(yīng)滿足的條件，可表示為:

由式(1)、式(2)和式(5)可推算出遮光棚長度的計算模型，表示為:

2.2 太陽能LED照明

2.2.1 太陽能LED照明基本原理

太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有取之不盡用之不竭的特點。將太陽能光伏發(fā)電和LED照明結(jié)合并應(yīng)用于公路隧道照明中具有安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點。太陽能LED照明由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池組、LED燈控制器、LED燈組等構(gòu)成［7－9］。太陽能LED照明的基本原理為:太陽能電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，通過充放電控制器控制蓄電池組的充放電過程，然后LED燈控制器根據(jù)交通量、洞外亮度、時間、天氣狀況等參數(shù)控制應(yīng)急照明、基本照明以及緊急停車帶和橫通道照明，如圖3所示。其中，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊通過控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，配合電感、電容或高頻變壓器等元件連續(xù)改變和控制，以輸出穩(wěn)定電壓［9］。充放電控制器則根據(jù)充放電條件保護太陽能電池組，防止蓄電池過度充電或放電。LED燈控制器則根據(jù)氣候條件、照度、速度及交通量等參數(shù)，對應(yīng)急照明和基本照明進行動態(tài)調(diào)光控制。

圖3 太陽能LED照明系統(tǒng)框架圖Fig.3 Chart of solar LED lighting system

2.2.2 蓄電池容量的確定

蓄電池作為太陽能LED照明的儲能裝置，不僅要求滿足夜晚照明的需求，而且要求滿足連續(xù)陰雨天氣狀況下的照明需求;因此，蓄電池容量的確定是連續(xù)供電的重要保證。蓄電池容量Bc的計算公式為:

式中:A為安全系數(shù)，取1.1～1.4;QL為負載日平均耗電量，(A·h)，為工作電流乘以日工作小時數(shù);NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù);T0為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2; Cc為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。

2.2.3 太陽能電池功率的確定

2.2.3.1 平均峰值日照時數(shù)的確定

太陽能電池方陣上的平均峰值日照時數(shù)Tm為全年平均日太陽能輻射總量HT(Wh/m2)與標準日光強度(通常取1 000(W/m2))之商，即:

2.2.3.2 太陽能電池方陣最佳電流的確定

太陽能電池方陣輸出的最佳電流Im應(yīng)介于最小電流Imin和最大電流Imax之間。其中，Imin，Imax可由式(9)和式(10)計算得出。

式中:Q為負載每天總耗電量，kW;η1為蓄電池充電效率;η2為太陽能電池方陣表面由于污染或老化引起的修正系數(shù)，通常取0.9～0.95;η3為太陽能電池方陣組合損失和對最大功率點偏離的修正系數(shù)，通?？扇?.9～0.95。

在Imin和Imax之間取某一值I，每月太陽能電池方陣輸出的發(fā)電量Q出和負載消耗量Q負可分別由式(11)和式(12)計算得出。

式中:N為當(dāng)月天數(shù)。

當(dāng)Δ=Q出-Q負為正時，表示太陽能電池方陣能給蓄電池充電，反之，則需要用蓄電池儲蓄的電能來補充。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原定放電深度(取值通常小于0.5)，則應(yīng)增加太陽能電池方陣輸出電流，反之，則降低輸出電流，也可通過改變蓄電池容量或太陽能電池方陣傾角來確定最佳輸出電流Im。

2.2.3.3 太陽能電池方陣工作電壓的確定

太陽能電池方陣的工作電壓U需要保證蓄電池能有效充電，計算公式為:

式中:Uf為蓄電池浮充電壓，V;Ud為阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降，V;Ui為溫度升高引起的壓降，V。

2.2.3.4 太陽能電池方陣功率的確定

太陽能電池的輸出功率會隨著環(huán)境溫度的升高而下降，但是，為了保證最高溫度下能正常運行，在標準測試溫度下(25℃)太陽能電池方陣的輸出功率

式中:α為太陽能電池功率的溫度系數(shù)，硅太陽能電池取0.5%;tmax為太陽能電池工作最高溫度，℃;U為太陽能電池方陣工作電壓，V;Im為太陽能方陣最佳電流，A。

根據(jù)蓄電池容量、太陽能電池方陣的最佳電流、工作電壓、輸出功率以及蓄電池和太陽能電池組件的性能參數(shù)，就可選取合適的組件型號和規(guī)格，并據(jù)此確定太陽能電池組件的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)［12］。

3 討論

在“綠色交通”背景下，本文結(jié)合傳統(tǒng)隧道照明方法，提出了一種結(jié)合遮光棚、太陽能LED照明的新型隧道照明方法，并且結(jié)合遮光棚的經(jīng)濟性提出了遮光棚的長度計算模型。本文提出的隧道照明方法在隧道運營節(jié)能減排、降低運營成本等方面具有優(yōu)勢，且具有長遠的應(yīng)用前景;但是，太陽能LED照明和遮光棚的投資建設(shè)成本較高，且太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率偏低、遮光棚的透光率與物理模型的關(guān)系等問題仍未得到解決。隨著太陽能LED照明技術(shù)、遮光棚應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，其關(guān)鍵技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用，隧道“綠色照明”目標也將會實現(xiàn)。

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