李晓卫

公路隧道一旦投入使用，正常状态下照明系统几乎处于长期点亮状态。隧道照明出、入口的用电量，远远大于隧道中间段的单位用电量，按照规范来计算两个长度100m的短隧道照明用电量，远远大于一个长度200m的中等隧道。从整个路网运营的经济成本考虑，地理位置偏远的短隧道存在铺设线路远、输电成本高等问题，往往困扰运营者。有些地方的照明条件根本无法达到规范的要求，这对于交通运输的安全存在重大隐患，而引入太阳能或风能发电就可以解决这一特殊问题［1］。考虑两者的光电转化效率不高，该种供电方式的输出采用直流供电的LED照明灯具，避免了直流电流向交流电流转化过程中的能量消耗问题。通过引入交通工程理论和控制理论工程的方法，提出了合理的控制方案。

1 风能发电的理论与应用

风能是太阳能在地球表面的另一种表现形式。由于地表湿度和空气湿度的温差而形成的风能是一种可再生资源，风力发电具有清洁、装机短等优点，被广泛应用于取电困难的偏远山区的供电。在隧道节能供电中，根据隧道所处地域的特点，应用风力发电进行隧道照明供电，是隧道机电节能中的一项重要技术。

1.1 风能发电的容量计算

根据前期采集的数据，获得当地的平均风速后，利用风能基本公式来计算发电

时风机的基本功率。基本公式如下：

其中，P为发电功率；C为风能利用系数，在实际过程中，风能利用系数因地取值范围为0.2～0.4之间；η为风力发电机组功率输出综合效率，通常取值范围为0.80～0.95；A为风轮扫掠面积，单位m2；ρ为空气密度；V为风速。

计算风力发电机的输出功率的理论值，可以根据当地采集的风资源数据推出月发电量，而根据风机功率和风速概率就可以计算出年发电量［2］。

1.2 关于风速概率的选择

首先将风速划分成若干个等级（以1m／s为例），利用函数计算出风速留在V1和V1＋1之间的概率，然后同该月的总小时数相乘，带入公式（1）中，就可以求出这个范围之间风力发电机输出功率。该功率与发电机和齿轮箱的传动效率（一般取值0.9）之积，就是风力发电机的输出电能。

目前应用比较广泛的风速概率确定方法有两个，瑞利分布和威布尔分布。考虑我国大部分隧道地处高山或者第二三阶梯，应用威布尔分布计算比较精确：

经过试验比较验证修改后的公式更加符合实际工况，

其中，K是形状参数，A是标度参数。这样风速落到该区间的概率就是

由此每天的发电量可准确求出，如果想求出更加精确的风机发电量，采用的风速间隔可以进一步细化。

2 太阳能理论与应用

风力发电系统是一种小型风力发电机，在实际生活中，并不是所有的隧道都能采用风能供电照明的，必须是同时满足一定地理和自然条件的短隧道。并且风能还有可靠性差、不能独立完成供电输出的缺点，所以引入了以太阳能光伏发电为主、风力发电为辅的风光互补技术，作为照明供电的输出。

公路隧道的太阳能供电，主要就是利用太阳能光伏发电系统为隧道交通工程附属设施提供直流电源。整个电源系统主要由太阳能光伏电池方阵、充放电控制模块、蓄电池组件、电源输出控制模块、电源检测应急和各接口组成。

2.1 太阳能发电系统构成

光伏发电系统主要由以下3个部分组成：

（1）光伏电池组件方阵，由太阳能电池组件按照系统设计串、并联而成。在太阳光照射下，该电池组将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心部件之一。在狭窄的山区应用高铁中太阳能供电思想，采用洞口山体展开布设方法获取太阳能。对于无法展开的洞口，采取山体采光好的位置获取太阳能，在隧道中部开洞布线方式提供电能。

（2）蓄电池，将太阳能光伏电池组件产生的电能储存起来，以满足负载的电能需求。

（3）控制器，对蓄电池的充、放电加以控制，按照光照条件控制太阳光伏电池或蓄电池提供电能，是整个系统核心控制部分。

太阳能光伏系统的工作原理就是在太阳光的照射下，由于物质吸收光能产生电动势的光生伏打效应，利用半导体内p－n结对外形成与势垒电场相反的光生电场，接通外电路，使p－n－结短路，就会产生电流。当把众多的这样小的太阳能光伏电池单元通过串联、并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。将太阳电池组件产生的电能，通过可控制器的控制，给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电。

2.2 电源控制系统

电源控制模块主要是由微型单片机组成，可以根据外界光照条件决定太阳能光伏板直接供电或是蓄电池供电，并采用稳压电子元件提供电能输出。同时联网通信，上传和下控各种信号，确保供电系统的正常运行［3］。

3 高亮白光LED照明的选取与应用

太阳能供电系统与LED照明系统有效地结合，主要是因为两者输出和输入均为直流电压，不需要转换，以减少能量损失。

3.1 高亮白光LED灯结构原理

考虑隧道中采用的环境和供电来源，本文中采用蓝光LED加荧光粉作为高亮LED实现方法。

蓝光LED加荧光粉。该方法成本低和显色性好占据主流，在蓝光LED加YAG荧光粉的如值Ra约为70，在室温下，正向电压3.6V，电流为200mA，发光强度达0.6cd，发光效率7.51m／w，色温6000K。目前，用LED可以制成最大亮度为的白色500cd／m2的白色光源［4］。

3.2 高亮白光LED照明系统驱电路

高亮LED是经过处理的PN结半导体，正向偏置时发光，同时表现出类似二极管的伏安特性，具有较高的结压降，到达正向电压UF时，电流迅速上升的现象。为确保LED正常工作，本文采用限流措施的驱动电路，以MAX5033为核心，外围电路连接DC／DC转换器、开关电路和反馈取样电路组成驱动电路［5］。

4 互补供电关键技术的讨论

太阳能供电系统的稳定性至关重要，如何在恶劣天气中提供稳定的电能是整个太阳能供电技术的关键所在，讨论如下。

（1）蓄电池的 充 放 电技 术［6］［7］。蓄 电 池 充 电主要采用3种方式：：“循环制、浮充制和带有循环成分的浮充制”。由于光照能量的不稳定性，采用带有循环成分的浮充制。该方法主要由主充电、限流充电和浮充3个阶段工作。主充电阶段，充分利用风光互补技术进行大电流充电，使蓄电池电压迅速上升。当电压接近预先设计阀值U时进入限流阶段，此时为降低电流充电，是电流逐渐达到电流阀值I开始浮充充电，采用涓流形式对蓄电池进行浮充点，维持蓄电池荷电。三阶段可能 因为设备工况的变化出现蓄电池放电现象，但是端电压能保持稳定的值域，该方法因减少了循环充放电次数而延长了蓄电池的寿命，同时提高了蓄 电池的电能效率。

表1 各种追踪最大功率法比较

由于这种工作方式基本处于浮充状态，电压的选择至关重要。电压过大会导致电流呈指数关系增大，电池发热量大，电池温度升高又会导致电流加剧，如此循环电池会报废；电压过小电流也呈现指数关系减小，造成充电不足，蓄电池会因长期酸碱化而失效［8］。经过长期试验对比，浮充电压取值为全组电池浮充电压平均值加上各单元电池浮充电压标准差的1.5倍时充电效果最佳。另外，对于进行充电的蓄电池必须进行温度补偿，只有温度补偿后的电压才能正确表征蓄电池荷电状态，为系统提供稳定的电能［9］。

（2）蓄电池容量的设计。太阳能蓄电池容量计算公式理论值很多。经过大量实验和测试，采用修正后的公式计算，负载和蓄电池容量的关系见公式（5）：

其中：P为标准状态（AM1.5，日照强度1000W／m2，25℃）下太阳能输出功率，kW；H为某时期光伏阵列获取日照量，kW／m2；G为标准状态日照量；E为某时刻耗电量；D为负载对光伏系统依存率，中国地区取0.095～1.050（光弱～光强）；R为设计冗余系数（查询气象部门日照量和说明书进行环境补正）；K为综合设计系数（测量试验获得对组件偏差补正，包括线路损失即设备损失的加权和）［10］。

5 隧道照明特点及应用

按照规范的定义和实际的应用，这里的短隧道是指长度为100m～500m的隧道，根据出口的通透性和交通量等因素确定照明要求。短隧道由于具有穿越时间短、受洞外影响大和无中间照明等特点，因而短隧道照明的主要难题，在于消除驾驶员短时间内的黑框效应和亮洞效应，消除安全隐患。

为了合理利用电能，同时消除安全隐患，经过试验对比，建议在短隧道中添加诱导设施。诱导设施从眼生理学的理论出发，采用LED诱导灯点亮一系列亮点，增加视觉强度和长度。诱导分为主动诱导LED灯和被动诱导反光标识，通过亮度的不同和 闪烁的模式来共同完成隧道内的诱导调节［1］。

目前，利用太阳能照明已在中、短隧道中大面积推广。简单列举一个实例说明利用太阳能所取得的节约、环保的效益。如某座利用太阳能照明的隧道，全长270m，净宽9.5m，净高5m，灯具按规范分4段对称布置，共68盏总功率2.18kW。系统设计平均每天照明10h，晚上关闭，在阴雨连绵的条件下可持续照明3d，使用寿命25a。该系统比用火力发电照明系统节约费用853.2万元，节约标准煤968t，减少二氧化碳2 730t、二氧化硫23t。

［1］JTJ 026.1－1999，公路隧道通风照明设计规范［S］.

［2］韩 直，方建勤，洪伟鹏.公路隧道节能技术［M］.北 京：人民交通出版社，2010.

［3］赵忠杰，陈广交.风光互补技术及高亮LED系统在公路隧道照明中的应用［J］.公路交通科技，2012，4（29）：96－100.

［4］杨 恒.LED照明驱动电路设计与实例精选［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［5］史光国.半导体发光二极管及固体照［M］.北京：科学出版社，2006.

［6］杨清德，康 娅.LED及其工程应用［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［7］司俊丽.第三代太阳能电池的效率计算［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［8］也秋香.光伏电池最大功率跟踪器的模糊控制［D］.上海：东华大学，2006.

［9］张嘉英.光伏发电自动跟踪系统［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学，2006.

［10］陈广交.太阳能在高速公路监控中的应用［D］.西安：长安大学.