基于太阳能的公路隧道照明方法

陆远迅，刘国贵，王 兴，张 倩

(重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

0 引言

截至2014年底，我国共建成公路隧道12 404座，约10 756.7 km。其中，特长隧道626座、约2 766.2 km，长隧道2 623座、约4 475.4 km［1］。伴随着我国公路隧道数量和规模的稳定增长，公路隧道照明的节能减排问题已成为“绿色交通”背景下交通工程领域的重点研究对象。传统公路隧道照明方法，采用在入口段、过渡段和出口段布设加强照明来克服洞内外亮度变化引起的“黑洞效应”和“白洞效应”。为了解决传统公路隧道照明方法运营成本高、能耗高等问题，遮光棚等减光技术在新城隧道、葫芦岩隧道、打浦路隧道等隧道工程中得到成功应用，且太阳能LED照明也在吉林、福建、山东、河北等地的隧道工程中得到成功运用［2］。针对遮光棚长度方面的研究，李英涛等［3］根据驾驶员视力恢复时间提出了遮光棚的长度计算模型，李靖等［4］根据照明段亮度和长度曲线建立了自然光采光段长度与节省电量的函数关系模型。但是，仅采用遮光棚的公路隧道，其节能、经济效益不明显;仅采用太阳能LED照明的公路隧道，其投资建设、维护管理成本过高，而且前述遮光棚长度计算模型未考虑遮光棚的经济性。

针对以上问题，本文采用遮光棚和太阳能LED照明，对传统隧道照明方法进行优化设计，并结合遮光棚的经济性提出遮光棚长度计算方法。

1 隧道照明系统总体设计

国内外对公路隧道照明段落的划分以国际照明委员会(CIE)提出的视觉适应性曲线为主。公路隧道照明段落可划分为入口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明及洞口接近段减光设施［5］。本文结合传统公路隧道照明段落划分方式，提出了新型公路隧道照明段落划分方式，如图1所示。该方式通过在隧道入口处和出口处架设遮光棚，以取代原有的入口段、过渡段和出口段照明，并在遮光棚内布设基本照明设施，以满足傍晚、夜间、黎明等时段安全行车的需要。因为中间段照明亮度需求最低，拟采用太阳能LED照明，以满足隧道停车视距内路面情况辨识以及视觉诱导的照明亮度需求。

2 隧道照明关键技术研究

2.1 遮光棚

隧道入口处架设遮光棚的主要目的是充分利用自然光降低洞外亮度，有效解决隧道洞内外亮度变化引起的“黑洞效应”。在保障行车安全的前提下，遮光棚能降低入口段和过渡段大功率加强照明灯具产生的能耗和运营费用。本文将结合视觉适应性曲线，探讨遮光棚的段落划分及其透光率，并且结合遮光棚的经济性讨论遮光棚长度计算方法。

2.1.1 遮光棚段落划分及透光率的确定

遮光棚段落划分及透光率的确定应结合隧道照明视觉适应性曲线，满足驾驶员视觉从洞外亮度L20(S)向中间段亮度Lin平缓过渡的需求。本文提出的公路隧道照明方法拟将遮光棚划分为入口段TH1、TH2和过渡段TR1、TR2，如图2所示。JTG/T D70/2－01－2014《公路隧道照明设计细则》［5］(以下简称《细则》)中规定，当TR3的亮度Ltr3不大于中间段亮度Lin的2倍时，可不设置过渡段TR3加强照明。因此，建议遮光棚结束处(即隧道洞口处)的亮度值为中间段亮度值的3倍，中间段亮度值应按《细则》规定取值。

图1 公路隧道照明系统段落划分图Fig.1 Scheme of section division of lighting system of highway tunnel

图2 遮光棚段落划分及透光率示意图Fig.2 Scheme of section division and transmittance of shading shed

为了能有效地改善遮光棚内的光环境，拟采用逐级减光的方式确定透光率。结合隧道照明视觉适应性曲线，将遮光棚划分为入口段TH1、入口段TH2、过渡段TR1和过渡段TR2。入口段TH1均分为2个段落，其确定透光率的依据为:停车视距20°视场范围内的亮度分别达到入口段TH1亮度的100%和80%。入口段TH2均分为2个段落，其确定透光率的依据为:停车视距20°视场范围内的亮度分别达到入口段TH1亮度的60%和40%。过渡段TR1均分为2个段落，其确定透光率的依据为:停车视距20°视场范围内的亮度分别达到入口段TH1亮度的25%和15%。过渡段TR2均分为2个段落，其确定透光率的依据为:停车视距20°视场范围内的亮度分别达到入口段TH1亮度的7%和5%，如图2所示。

为了克服傍晚、夜间、黎明等时段自然光不足的情况，遮光棚内应设置基本照明以保障行车安全。通常基本照明应同中间段照明一致，即满足《细则》规定的中间段亮度表，而且基本照明设施可兼作应急照明设施，当出现故障或者停电时，可以利用不间断应急电源为照明系统提供应急供电。基本照明的灯具宜采用显色指数Ra≥65、色温介于3 500～6 500 K的LED灯或单端无极荧光灯［5］。公路隧道基本照明的控制方案宜结合交通量、洞外亮度、时间、天气状况等参数进行动态调光控制，以达到安全、节能、经济、高效的照明效果。

2.1.2 遮光棚长度计算模型

遮光棚的长度不仅与遮光棚段落划分有关，而且需要满足隧道建设运营的经济性和节能性需求，其主要决定因素包括洞外照度、洞内照度、驾驶员的视觉适应时间、隧道设计速度、道路纵面线形等。隧道入口处遮光棚长度Ls的计算公式为

式中:vt为隧道设计速度，km/h;Tin为驾驶员驶入隧道内所需的视觉适应时间，s，相关研究表明，可用式(2)计算得出［3］。

式中:Eout为隧道洞外照度，lx;Ein为隧道洞内中间段照度，lx。

但是，架设遮光棚需要兼顾节能性和经济性。遮光棚的经济性即在全寿命周期T内，同未架设遮光棚的公路隧道照明方法(以下简称方案1)相比，架设遮光棚的公路隧道照明方法(以下简称方案2)的建设、运营全过程总费用更少，即方案2的总费用C2与方案1的总费用C1的差Δ≤0，可表示为:

式中:C棚，C中′，C入，C过依次为方案2的遮光棚(包含遮光棚内的照明设施)建设费和增加中间段的照明设施建设费、方案1的入口段建设费和过渡段照明设施建设费，万元;P棚，P中′，P入，P过依次为方案2遮光棚的年均运营费和增加中间段照明设施的年均运营费、方案1入口段和过渡段的年均运营费，万元/年;T为遮光棚设计使用寿命，年。

其中，遮光棚(包含遮光棚内的照明设施)建设费与遮光棚长度、建筑材料以及设置形式等相关。根据上部结构材料的不同，遮光棚可采用钢筋混凝土结构、钢结构以及混凝土与钢组合结构等［6］。遮光棚应结合工程实际情况确定建筑材料以及设置形式，从而确定单位长度遮光棚的建设费。可表示为:

由式(3)和式(4)可推算出遮光棚长度Ls应满足的条件，可表示为:

由式(1)、式(2)和式(5)可推算出遮光棚长度的计算模型，表示为:

2.2 太阳能LED照明

2.2.1 太阳能LED照明基本原理

太阳能作为一种清洁的可再生能源，具有取之不尽用之不竭的特点。将太阳能光伏发电和LED照明结合并应用于公路隧道照明中具有安全、节能、环保等优点。太阳能LED照明由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池组、LED灯控制器、LED灯组等构成［7－9］。太阳能LED照明的基本原理为:太阳能电池方阵将太阳能转换成电能，通过充放电控制器控制蓄电池组的充放电过程，然后LED灯控制器根据交通量、洞外亮度、时间、天气状况等参数控制应急照明、基本照明以及紧急停车带和横通道照明，如图3所示。其中，DC/DC转换模块通过控制开关器件的导通和关断时间，配合电感、电容或高频变压器等元件连续改变和控制，以输出稳定电压［9］。充放电控制器则根据充放电条件保护太阳能电池组，防止蓄电池过度充电或放电。LED灯控制器则根据气候条件、照度、速度及交通量等参数，对应急照明和基本照明进行动态调光控制。

图3 太阳能LED照明系统框架图Fig.3 Chart of solar LED lighting system

2.2.2 蓄电池容量的确定

蓄电池作为太阳能LED照明的储能装置，不仅要求满足夜晚照明的需求，而且要求满足连续阴雨天气状况下的照明需求;因此，蓄电池容量的确定是连续供电的重要保证。蓄电池容量Bc的计算公式为:

式中:A为安全系数，取1.1～1.4;QL为负载日平均耗电量，(A·h)，为工作电流乘以日工作小时数;NL为最长连续阴雨天数;T0为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2; Cc为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。

2.2.3 太阳能电池功率的确定

2.2.3.1 平均峰值日照时数的确定

太阳能电池方阵上的平均峰值日照时数Tm为全年平均日太阳能辐射总量HT(Wh/m2)与标准日光强度(通常取1 000(W/m2))之商，即:

2.2.3.2 太阳能电池方阵最佳电流的确定

太阳能电池方阵输出的最佳电流Im应介于最小电流Imin和最大电流Imax之间。其中，Imin，Imax可由式(9)和式(10)计算得出。

式中:Q为负载每天总耗电量，kW;η1为蓄电池充电效率;η2为太阳能电池方阵表面由于污染或老化引起的修正系数，通常取0.9～0.95;η3为太阳能电池方阵组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，通常可取0.9～0.95。

在Imin和Imax之间取某一值I，每月太阳能电池方阵输出的发电量Q出和负载消耗量Q负可分别由式(11)和式(12)计算得出。

式中:N为当月天数。

当Δ=Q出-Q负为正时，表示太阳能电池方阵能给蓄电池充电，反之，则需要用蓄电池储蓄的电能来补充。如果蓄电池全年荷电状态低于原定放电深度(取值通常小于0.5)，则应增加太阳能电池方阵输出电流，反之，则降低输出电流，也可通过改变蓄电池容量或太阳能电池方阵倾角来确定最佳输出电流Im。

2.2.3.3 太阳能电池方阵工作电压的确定

太阳能电池方阵的工作电压U需要保证蓄电池能有效充电，计算公式为:

式中:Uf为蓄电池浮充电压，V;Ud为阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降，V;Ui为温度升高引起的压降，V。

2.2.3.4 太阳能电池方阵功率的确定

太阳能电池的输出功率会随着环境温度的升高而下降，但是，为了保证最高温度下能正常运行，在标准测试温度下(25℃)太阳能电池方阵的输出功率

式中:α为太阳能电池功率的温度系数，硅太阳能电池取0.5%;tmax为太阳能电池工作最高温度，℃;U为太阳能电池方阵工作电压，V;Im为太阳能方阵最佳电流，A。

根据蓄电池容量、太阳能电池方阵的最佳电流、工作电压、输出功率以及蓄电池和太阳能电池组件的性能参数，就可选取合适的组件型号和规格，并据此确定太阳能电池组件的串联数和并联数［12］。

3 讨论

在“绿色交通”背景下，本文结合传统隧道照明方法，提出了一种结合遮光棚、太阳能LED照明的新型隧道照明方法，并且结合遮光棚的经济性提出了遮光棚的长度计算模型。本文提出的隧道照明方法在隧道运营节能减排、降低运营成本等方面具有优势，且具有长远的应用前景;但是，太阳能LED照明和遮光棚的投资建设成本较高，且太阳能电池光电转换率偏低、遮光棚的透光率与物理模型的关系等问题仍未得到解决。随着太阳能LED照明技术、遮光棚应用技术的日趋成熟，其关键技术将会得到广泛应用，隧道“绿色照明”目标也将会实现。

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