基于太阳能风泵的隧道通风节能系统的设计

2018-05-05宁铎，刘昕，李珏

科技与创新 2018年9期

宁铎，刘昕，李珏

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021）

随着我国公路隧道里程的迅速增加，隧道通风方式随之不断更新，良好的通风方式不但满足正常运营时的安全性、舒适性需求，而且运营成本低、能耗小。目前，我国大多数公路隧道采用竖井与机械通风相结合的方式[1]，这种方式通风质量好、效率高，但是耗电量巨大，给隧道的运营和管理带来了沉重的经济负担。

本文所提出的隧道通风节能系统，在有太阳光照射期间，利用太阳辐射的热能加热风泵系统内的空气，通过“烟囱效应”使隧道内空气不断向上流动，从而达到隧道通风换气的目的；在无太阳光或太阳光照不足时，采用电力驱动的通风系统进行补偿通风，两者相互弥补，实现隧道全天候的通风功能。此外，利用涡轮发电机将同步通风后剩余的风能转化为电能并储存，在实现能源循环利用的同时达到节能减排的目标。

1 系统的总体设计

系统的总体设计结构图如图1所示。隧道通风节能系统主要由太阳能风泵系统、电力驱动的机械通风系统和风力发电系统组成。在太阳光照充足时，利用太阳能风泵系统强化自然通风；在光照不足或无太阳光时，风流量传感器将检测信号传至控制器，控制器根据信号的变化控制风机的启、停以及调速，对隧道进行补偿通风，二者相互弥补，实现隧道全天候的通风功能。此外，在满足通风条件的基础上，将同步通风后剩余的风能转换为电能并网或存储，在无太阳光照射时，驱动风机进行隧道通风，从而实现节能减排的目标。

2 太阳能风泵系统设计及原理

太阳能风泵系统主要由太阳能集热器和烟囱构成，为了尽可能地利用太阳能加大集热器内外空气温差[2]，增加竖井负压，本系统采用圆平面型集热器。太阳能集热器主要由透光层、吸热层和保温层3部分构成。太阳能经过透光层进入集热器；吸热层吸收太阳辐射的热能并且对流过其表面的空气进行加热，为了提高太阳能热利用效率，在其上方加装散热齿，便于热交换；为了降低风阻，利用通风管道将竖井出口处空气输送到集热器后再均匀流出。图2为太阳能风泵系统简图。

图2 太阳能风泵系统简图

3 机械通风系统设计

本文设计了太阳光照不足或无太阳光时补偿通风的机械通风系统。该系统硬件部分主要包括传感器、控制器、变频器等器件。由于PLC在工业控制中具有安全、可靠的优势，本系统采用S7-200PLC作为控制器[3]。通过设置在通风竖井中的传感器检测风速情况，然后通过PLC进行分析处理，最后通过输出量来控制变频器，进而控制风机的转速，最终实现调节隧道通风量的目标。图3为系统硬件结构图。

图3 系统硬件结构图

3.1 系统的I/O分配

系统I/O分配是系统硬件设计的主要依据，控制系统中地址分配[4]及功能说明如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 PLC原理接线图

PLC原理接线图如图4所示。

图4 PLC接线原理图

3.3 系统流程

根据《公路隧道通风设计细则》的要求，通风竖井内风速宜设计在13～20 m/s范围内；当隧道内车流量密度达到210辆/km[5]时，将造成堵塞；当隧道内由于火灾等情况引起温度升高且达到45℃时，启动所有变频器。按照系统的控制要求，电力通风系统的流程图如图5所示。

图5 电力通风系统流程图

4 风力发电系统

根据实际工程条件，在方便设置太阳能风泵的时候，将同步通风后剩余的风能转换为电能并网或者存储在蓄电池中，以便在无太阳光照射时为风机提供电能，从而在降低隧道通风运营成本的同时，实现节能减排的目的。风力发电系统硬件部分主要包括风轮机、发电机、控制器、逆变器等器件[6]；通过设置在通风竖井中的传感器检测风速情况，在满足隧道通风基本要求的条件下通过风轮机将剩余的风能转化为机械能，然后利用发电机将机械能转化为电能，在无太阳光照射期间驱动风机实现通风功能。图6为风力发电系统硬件结构图。