CPV-LED隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)及智能調(diào)光方法研究

寧 鐸，趙東旭，鄭 普，李逸博

（1.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著綜合國(guó)力的提升和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特別是在“7918”國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃和西部大開發(fā)的歷史機(jī)遇下，公路隧道建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。近10年來(lái)，公路隧道年均增長(zhǎng)率達(dá)24%,遠(yuǎn)高于路與橋的增長(zhǎng)率，公路隧道的重要性日益凸顯。隨著我國(guó)公路網(wǎng)交通線不斷向崇山峻嶺、離岸深水延伸，公路隧道的總量和建設(shè)規(guī)模還在增大。截至2012年底，已通車公路隧道為10022座、里程8052.7km。近年來(lái)，公路隧道每年凈增里程1000km以上。目前，我國(guó)已成為世界上公路隧道最多、發(fā)展最快的國(guó)家。

當(dāng)駕駛員在白天進(jìn)入公路隧道時(shí)，此時(shí)隧道內(nèi)的亮度相對(duì)于隧道外的亮度驟減，由于隧道是一段管狀區(qū)域，人的視覺反應(yīng)滯后形成了“黑洞效應(yīng)”，很難辨別洞內(nèi)情況；而當(dāng)車輛駛出隧道，亮度驟增，超出人眼的適應(yīng)范圍，又形成了“白洞效應(yīng)”，造成強(qiáng)烈炫光，使得重疊的車輛很難被分辨，極易造成重大交通事故。因此，在公路隧道的進(jìn)出口需要加裝加強(qiáng)照明裝置，使亮度平穩(wěn)下降或上升，滿足人眼對(duì)亮度變化梯度的要求，有效防止交通事故的發(fā)生。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，隧道照明費(fèi)用要占到公路運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的30%左右，就世界上規(guī)模第一、長(zhǎng)度第二的秦嶺終南山公路隧道而言，其每月的照明費(fèi)用就高達(dá)120萬(wàn)元。儼然，隧道照明費(fèi)用已成為公路隧道照明運(yùn)營(yíng)中極大的一筆費(fèi)用。因此，在保證行車安全的前提下，對(duì)公路隧道節(jié)能的研究意義重大[1～5]。

1 PV-LED公路隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)

近年來(lái)，我們研制的PV-LED（Photovoltaic—Light-Emitting Diode，光伏發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光）公路隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)已成功應(yīng)用至績(jī)黃高速黃山玉臺(tái)隧道工程，工程實(shí)物圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由光伏電池組、控制器以及LED燈三部分組成[4,5]。雖然該系統(tǒng)能夠通過光伏電池板發(fā)電，直接驅(qū)動(dòng)LED燈對(duì)隧道進(jìn)行加強(qiáng)照明，減少了對(duì)市電的依賴。但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1）成本高、太陽(yáng)能利用效率低；

2）不能滿足隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)要求其亮度隨著隧道外部太陽(yáng)光強(qiáng)度而自動(dòng)變化（光強(qiáng)自適應(yīng)特性）的特點(diǎn)。

因此，全面仔細(xì)分析現(xiàn)有照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過查找大量文獻(xiàn)資料和反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行了較大改進(jìn)，對(duì)PV-LED公路隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)的大范圍推廣應(yīng)用具有十分重大的意義。

圖1 PV-LED照明系統(tǒng)工程實(shí)物圖

2 聚光型PV-LED公路隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)光伏技術(shù)具有發(fā)電效率低、成本高等劣勢(shì)，使得光伏發(fā)電一直很難充分打開市場(chǎng)，與常規(guī)電能相競(jìng)爭(zhēng)。但是隨著技術(shù)上的突破， 聚光光伏發(fā)電技術(shù)正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)光伏發(fā)電。聚光光伏系統(tǒng)因其用高效聚光太陽(yáng)能電池代替價(jià)格昂貴的硅電池，因此與傳統(tǒng)光伏發(fā)電相比，如表1所示，在發(fā)電成本和太陽(yáng)能利用率等方面具有其極為有利的一面。聚光型PV-LED隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)由聚光太陽(yáng)電池模塊、控制器和LED燈組三部分組成。聚光太陽(yáng)電池模塊又包括了聚光器、太陽(yáng)能電池、散熱器和太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器四部分[8～13]。

2.1 聚光器

聚光器按光學(xué)原理可分為反射聚光器和折射聚光器[6,7]。鑒于菲涅爾透鏡具有質(zhì)量輕、厚度薄，比傳統(tǒng)連續(xù)透鏡可以有更大口徑，制作材料可以是塑料或者有機(jī)玻璃，便宜輕便、方便批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，在聚光光伏折射聚光器中應(yīng)用較為普遍。為了提高聚光比，采用配備二維跟蹤的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡。

2.2 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。與普通的太陽(yáng)能電池相比，聚光太陽(yáng)能電池在高強(qiáng)度的太陽(yáng)光和高溫度的條件下工作，接收到的電流密度是普通太陽(yáng)能電池的幾十到幾百倍。根據(jù)聚光程度的不同，聚光太陽(yáng)能電池主要有特制的單晶硅聚光電池和Ⅲ-Ⅴ族多結(jié)聚光電池兩種。高性能的砷化鎵（GaAs）聚光太陽(yáng)能多結(jié)電池因其具有極高的光電轉(zhuǎn)換效率，高倍的聚光倍率，并且具有很好的耐高溫特性，在高輻射照度下仍具有很高的轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，成為目前聚光電池研究的熱點(diǎn)，被國(guó)際公認(rèn)為最具發(fā)展前途和最具有商用價(jià)值的新一代太陽(yáng)能器件。因此，采用砷化鎵聚光太陽(yáng)能多結(jié)電池作為本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池。

2.3 散熱系統(tǒng)

在聚光條件下，聚光太陽(yáng)電池組件的溫度會(huì)上升，由于太陽(yáng)電池的效率溫度系數(shù)是負(fù)值，溫度升高時(shí)，太陽(yáng)電池的功率就要下降。為減小因電池溫升而造成的效率降低，必須考慮散熱問題，可以在太陽(yáng)電池下面安裝散熱器，使太陽(yáng)電池的溫度保持在一定范圍內(nèi)，保證輸出效率最大化。散熱方式分為主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱。主動(dòng)散熱就是通過流動(dòng)的水或者其它介質(zhì)將聚光組件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，以達(dá)到冷卻的目的;被動(dòng)散熱是指不借助任何主動(dòng)工作元件，僅靠空氣對(duì)流和輻射將太陽(yáng)電池產(chǎn)生的熱量直接散發(fā)到空氣中。但是，主動(dòng)散熱方式在成本、維護(hù)和可靠性等方面有許多限制，所以被動(dòng)散熱方式是聚光太陽(yáng)電池首選的降溫方式。提高散熱效率需遵循散熱規(guī)律，盡量減少導(dǎo)熱層，以減少接觸熱阻。所以，采用的被動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)使太陽(yáng)電池?zé)崃恳来瓮ㄟ^如下介質(zhì)層：太陽(yáng)電池芯片—芯片封裝貼片粘結(jié)材料—覆銅陶瓷基板—導(dǎo)熱膠—散熱器—表面熱交換或者熱輻射到外界。

2.4 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器

由于采用了點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡作為聚光器，所以就必須為之配備一套具有二維（太陽(yáng)方位角和高度角）跟蹤的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

圖2 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器結(jié)構(gòu)圖

表1 聚光光伏系統(tǒng)與傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)特性對(duì)比

本跟蹤系統(tǒng)主要由陽(yáng)光傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置、主控制器、驅(qū)動(dòng)電路、聚光太陽(yáng)電池模塊、電源接入接口、按鍵顯示接口和串口通信接口組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。陽(yáng)光傳感器輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置輸出端連接主控制器輸入端，主控制器輸入端連接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路輸出端再連接聚光太陽(yáng)電池模塊，主控制器還連接有電源輸入接口，按鍵顯示接口和串口通信接口。陽(yáng)光傳感器由8個(gè)性能參數(shù)完全一致的光敏電阻組成，光敏電阻分布圖如圖3所示。1～4號(hào)光敏電阻分布在外側(cè)，作為“粗調(diào)”單元，幫助系統(tǒng)大范圍尋找太陽(yáng)，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行快速定位；5～8號(hào)光敏電阻分布在內(nèi)側(cè)，作為“細(xì)調(diào)”單元，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤太陽(yáng)。陽(yáng)光傳感器采集太陽(yáng)光位置并將其轉(zhuǎn)為電信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)送入Atmega32單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)偏差信號(hào)計(jì)算出太陽(yáng)位置，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)，保證聚光太陽(yáng)電池模塊始終與太陽(yáng)光垂直，從而實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、快速跟蹤太陽(yáng)目的。按鍵顯示接口連接按鍵模塊，用于安裝、調(diào)試、維修。

圖3 陽(yáng)光傳感器光敏電阻分布圖

聚光太陽(yáng)能電池模塊原理示意圖如圖4所示。這種安裝方式有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以充分發(fā)揮菲涅爾透鏡質(zhì)量輕、厚度薄、透光率高及成本低的優(yōu)點(diǎn)；二是匯聚了更多的太陽(yáng)光能量，克服了太陽(yáng)輻射能流密度低的先天缺陷，獲得更多的電能輸出；三是菲涅爾透鏡有一定的強(qiáng)度和抗風(fēng)沙能力，使透鏡和外罩共同起到保護(hù)太陽(yáng)電池的作用；四是在電池下方安裝散熱器，使散熱器處于電池外罩的陰影里，不被太陽(yáng)直射，散熱效果更好。

圖4 聚光太陽(yáng)能電池模塊原理示意圖

3 智能調(diào)光控制方法

如圖5所示，聚光型PV-LED隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)主要包括聚光太陽(yáng)電池模塊、控制器和LED燈組三部分。針對(duì)公路隧道進(jìn)出口段加強(qiáng)照明的具體亮度需滿足人眼亮度適應(yīng)曲線，能隨著隧道外部太陽(yáng)光照強(qiáng)弱的變化而自動(dòng)變化（光強(qiáng)自適應(yīng)性）。根據(jù)電路中將相同元器件串聯(lián)起來(lái)可以增大電壓，并聯(lián)起來(lái)可以增大電流這條基本特性，設(shè)計(jì)了一種聚光太陽(yáng)電池智能連接電路，通過控制常開型繼電器觸點(diǎn)的開閉，使聚光太陽(yáng)電池合理連接，從而調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池的輸出電壓和電流，即LED燈的輸入電壓和電流，實(shí)現(xiàn)LED燈的智能調(diào)光，滿足隧道加強(qiáng)照明光強(qiáng)自適應(yīng)性的要求。但是為了保證負(fù)載LED燈正常工作，在控制器內(nèi)LED燈的線路上安裝了穩(wěn)壓保護(hù)裝置。具體控制方法如下（以三塊太陽(yáng)電池舉例，更多太陽(yáng)電池原理相同）：

圖5 太陽(yáng)能電池控制電路

1）在晴天太陽(yáng)光強(qiáng)的情況下，控制器中的太陽(yáng)光信號(hào)采集器采集太陽(yáng)電池的相應(yīng)光伏電信號(hào)提供給控制芯片，由控制芯片控制常開型繼電器KM1、KM3、KM4、KM6的觸點(diǎn)閉合， KM2、KM5觸點(diǎn)斷開，此時(shí)太陽(yáng)電池全部并聯(lián)連接，輸出電壓與一塊電池板電壓相同，但電壓足以點(diǎn)亮LED燈，輸出電流是一塊電池板的三倍，加強(qiáng)了LED燈的亮度，滿足隧道加強(qiáng)照明要求隨洞外光強(qiáng)的加強(qiáng)而變亮的要求。

2）在太陽(yáng)光強(qiáng)度中等的情況下，控制芯片根據(jù)接收到太陽(yáng)光信號(hào)采集器傳來(lái)的電信號(hào)，控制常開型繼電器KM1、KM3、KM5觸點(diǎn)閉合，KM2、KM4觸點(diǎn)斷開，此時(shí)太陽(yáng)能電池板混聯(lián)連接，兩塊電池板并聯(lián)再與第三塊串聯(lián)，輸出電壓提高兩倍，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)亮，輸出電流也提高至兩倍，使LED燈稍微增亮一些。

3）在陰雨天或者傍晚太陽(yáng)光很弱的情況下，控制芯片接收到太陽(yáng)光信號(hào)采集器傳來(lái)光照很弱的電信號(hào)，控制常開型繼電器KM2、KM5觸點(diǎn)閉合， KM1、KM3、KM4觸點(diǎn)斷開，此時(shí)太陽(yáng)能電池板全部串聯(lián)連接，用以提高LED燈的輸入電壓，驅(qū)動(dòng)其點(diǎn)亮。輸入電流較小，導(dǎo)致LED燈較暗，與隧道外部光照很弱的具體情況相同，使LED燈實(shí)現(xiàn)隨隧道外部光照進(jìn)行智能調(diào)光。

該控制方法省去了蓄電池，使得使用成本大大降低，無(wú)需再來(lái)回更換壽命較短的蓄電池，同時(shí)避免了太陽(yáng)電池發(fā)出的電力因?yàn)檫M(jìn)出蓄電池而造成的接近30%的損耗。并且充分利用了通常所說的光伏發(fā)電（太陽(yáng)電池—蓄電池—負(fù)載）在陰雨天由于散射太陽(yáng)光能量相對(duì)較小導(dǎo)致達(dá)不到充電基本要求（如閾值電壓）而無(wú)法充入蓄電池而被白白浪費(fèi)掉的能量，對(duì)隧道直接進(jìn)行加強(qiáng)照明，大大提高了對(duì)太陽(yáng)能的利用率。同時(shí)，滿足了隧道加強(qiáng)照明自適應(yīng)性的要求，使駕駛員進(jìn)出隧道視線更加清晰，既有效減少了交通事故的發(fā)生，又實(shí)現(xiàn)了隧道照明方面的節(jié)能降耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的聚光型PV-LED公路隧道加強(qiáng)照明系統(tǒng)中，所采用菲涅爾透鏡作為聚光器，對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行聚光，大大提高了太陽(yáng)能利用率、減少了成本，并且通過太陽(yáng)電池智能控制電路，實(shí)現(xiàn)LED燈智能調(diào)光，使其滿足隧道加強(qiáng)照明自適應(yīng)性的要求。本系統(tǒng)具有很大的可行性，且其安裝方法簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)同樣照明效果成本低廉，實(shí)用高效，節(jié)能環(huán)保，在當(dāng)前倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下具有很大的推廣價(jià)值。

[1] 公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京:中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部,2014.

[2] 王少飛,鄧欣,吳小麗.公路隧道照明控制技術(shù)綜述[J].公路交通技術(shù),2010,02:132-138,146.

[3] 楊超,王志偉.公路隧道照明節(jié)能技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,02:102-108.

[4] 王少飛,涂耘,張琦,鄧欣,陳建忠,李科.“低碳經(jīng)濟(jì)”背景下公路隧道照明節(jié)能策略[J].公路,2011,09:226-233.

[5] 陳仲林.高速公路隧道照明節(jié)能研究[J].燈與照明,2008,03:6-16,30.

[6] 馮曉?shī)?寧鐸,陳國(guó)慶.基于PV-LED的公路隧道照明系統(tǒng)及控制方法研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,10:3196-3198.

[7] 張劍莉.基于PV-LED的隧道直接照明系統(tǒng)的研究[D].西安:陜西科技大學(xué),2013.

[8] 袁愛誼,王亮興.聚光光伏發(fā)電技術(shù)研究與展望[J].上海電力,2009,01:13-18.

[9] 陳諾夫,白一鳴.聚光光伏系統(tǒng)[J].物理,2007,11:862-868.

[10] 劉華,盧振武,朱瑞,張洪鑫.聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展及未來(lái)趨勢(shì)[J].中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué),2008,Z1:49-56.

[11] 孫英波.獨(dú)立式太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué):孫英波,2010.

[12] 劉名芳.太陽(yáng)能LED隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[13] 李志強(qiáng),吳冠.LED燈在公路隧道照明中的節(jié)能應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè),2009,12:108-110.