CPV-LED隧道加强照明系统及智能调光方法研究

宁 铎，赵东旭，郑 普，李逸博

（1.陕西科技大学 电气与信息工程学院，西安 710021；2.西安热工研究院有限公司，西安 710032）

0 引言

进入21世纪以来，随着综合国力的提升和国民经济的高速发展，特别是在“7918”国家高速公路网规划和西部大开发的历史机遇下，公路隧道建设进入了一个高速发展的时期。近10年来，公路隧道年均增长率达24%,远高于路与桥的增长率，公路隧道的重要性日益凸显。随着我国公路网交通线不断向崇山峻岭、离岸深水延伸，公路隧道的总量和建设规模还在增大。截至2012年底，已通车公路隧道为10022座、里程8052.7km。近年来，公路隧道每年净增里程1000km以上。目前，我国已成为世界上公路隧道最多、发展最快的国家。

当驾驶员在白天进入公路隧道时，此时隧道内的亮度相对于隧道外的亮度骤减，由于隧道是一段管状区域，人的视觉反应滞后形成了“黑洞效应”，很难辨别洞内情况；而当车辆驶出隧道，亮度骤增，超出人眼的适应范围，又形成了“白洞效应”，造成强烈炫光，使得重叠的车辆很难被分辨，极易造成重大交通事故。因此，在公路隧道的进出口需要加装加强照明装置，使亮度平稳下降或上升，满足人眼对亮度变化梯度的要求，有效防止交通事故的发生。据有关数据表明，隧道照明费用要占到公路运营费用的30%左右，就世界上规模第一、长度第二的秦岭终南山公路隧道而言，其每月的照明费用就高达120万元。俨然，隧道照明费用已成为公路隧道照明运营中极大的一笔费用。因此，在保证行车安全的前提下，对公路隧道节能的研究意义重大[1～5]。

1 PV-LED公路隧道加强照明系统

近年来，我们研制的PV-LED（Photovoltaic—Light-Emitting Diode，光伏发电直接驱动发光二极管发光）公路隧道加强照明系统已成功应用至绩黄高速黄山玉台隧道工程，工程实物图如图1所示。该系统主要由光伏电池组、控制器以及LED灯三部分组成[4,5]。虽然该系统能够通过光伏电池板发电，直接驱动LED灯对隧道进行加强照明，减少了对市电的依赖。但是在实际应用中发现存在以下问题：

1）成本高、太阳能利用效率低；

2）不能满足隧道加强照明系统要求其亮度随着隧道外部太阳光强度而自动变化（光强自适应特性）的特点。

因此，全面仔细分析现有照明系统的特点，通过查找大量文献资料和反复试验，对其进行了较大改进，对PV-LED公路隧道加强照明系统的大范围推广应用具有十分重大的意义。

图1 PV-LED照明系统工程实物图

2 聚光型PV-LED公路隧道加强照明系统

由于传统光伏技术具有发电效率低、成本高等劣势，使得光伏发电一直很难充分打开市场，与常规电能相竞争。但是随着技术上的突破， 聚光光伏发电技术正在逐渐代替传统光伏发电。聚光光伏系统因其用高效聚光太阳能电池代替价格昂贵的硅电池，因此与传统光伏发电相比，如表1所示，在发电成本和太阳能利用率等方面具有其极为有利的一面。聚光型PV-LED隧道加强照明系统由聚光太阳电池模块、控制器和LED灯组三部分组成。聚光太阳电池模块又包括了聚光器、太阳能电池、散热器和太阳自动跟踪器四部分[8～13]。

2.1 聚光器

聚光器按光学原理可分为反射聚光器和折射聚光器[6,7]。鉴于菲涅尔透镜具有质量轻、厚度薄，比传统连续透镜可以有更大口径，制作材料可以是塑料或者有机玻璃，便宜轻便、方便批量生产等优势，在聚光光伏折射聚光器中应用较为普遍。为了提高聚光比，采用配备二维跟踪的点聚焦菲涅尔透镜。

2.2 太阳能电池

太阳能电池是将光能转换为电能的器件。与普通的太阳能电池相比，聚光太阳能电池在高强度的太阳光和高温度的条件下工作，接收到的电流密度是普通太阳能电池的几十到几百倍。根据聚光程度的不同，聚光太阳能电池主要有特制的单晶硅聚光电池和Ⅲ-Ⅴ族多结聚光电池两种。高性能的砷化镓（GaAs）聚光太阳能多结电池因其具有极高的光电转换效率，高倍的聚光倍率，并且具有很好的耐高温特性，在高辐射照度下仍具有很高的转换效率等特点，成为目前聚光电池研究的热点，被国际公认为最具发展前途和最具有商用价值的新一代太阳能器件。因此，采用砷化镓聚光太阳能多结电池作为本系统的太阳能电池。

2.3 散热系统

在聚光条件下，聚光太阳电池组件的温度会上升，由于太阳电池的效率温度系数是负值，温度升高时，太阳电池的功率就要下降。为减小因电池温升而造成的效率降低，必须考虑散热问题，可以在太阳电池下面安装散热器，使太阳电池的温度保持在一定范围内，保证输出效率最大化。散热方式分为主动散热和被动散热。主动散热就是通过流动的水或者其它介质将聚光组件工作时产生的热量带走，以达到冷却的目的;被动散热是指不借助任何主动工作元件，仅靠空气对流和辐射将太阳电池产生的热量直接散发到空气中。但是，主动散热方式在成本、维护和可靠性等方面有许多限制，所以被动散热方式是聚光太阳电池首选的降温方式。提高散热效率需遵循散热规律，尽量减少导热层，以减少接触热阻。所以，采用的被动散热结构使太阳电池热量依次通过如下介质层：太阳电池芯片—芯片封装贴片粘结材料—覆铜陶瓷基板—导热胶—散热器—表面热交换或者热辐射到外界。

2.4 太阳自动跟踪控制器

由于采用了点聚焦菲涅尔透镜作为聚光器，所以就必须为之配备一套具有二维（太阳方位角和高度角）跟踪的太阳自动跟踪系统。

图2 太阳自动跟踪控制器结构图

表1 聚光光伏系统与传统光伏系统特性对比

本跟踪系统主要由阳光传感器、模数转换装置、主控制器、驱动电路、聚光太阳电池模块、电源接入接口、按键显示接口和串口通信接口组成。其结构图如图2所示。阳光传感器输出端连接模数转换输入端，模数转换装置输出端连接主控制器输入端，主控制器输入端连接驱动电路，驱动电路输出端再连接聚光太阳电池模块，主控制器还连接有电源输入接口，按键显示接口和串口通信接口。阳光传感器由8个性能参数完全一致的光敏电阻组成，光敏电阻分布图如图3所示。1～4号光敏电阻分布在外侧，作为“粗调”单元，帮助系统大范围寻找太阳，对太阳进行快速定位；5～8号光敏电阻分布在内侧，作为“细调”单元，实现高精度跟踪太阳。阳光传感器采集太阳光位置并将其转为电信号，通过模数转换后，将数字信号送入Atmega32单片机，单片机根据偏差信号计算出太阳位置，并输出相应的控制信号，经过驱动电路控制电机，保证聚光太阳电池模块始终与太阳光垂直，从而实现大范围、高精度、快速跟踪太阳目的。按键显示接口连接按键模块，用于安装、调试、维修。

图3 阳光传感器光敏电阻分布图

聚光太阳能电池模块原理示意图如图4所示。这种安装方式有以下四个优点：一是可以充分发挥菲涅尔透镜质量轻、厚度薄、透光率高及成本低的优点；二是汇聚了更多的太阳光能量，克服了太阳辐射能流密度低的先天缺陷，获得更多的电能输出；三是菲涅尔透镜有一定的强度和抗风沙能力，使透镜和外罩共同起到保护太阳电池的作用；四是在电池下方安装散热器，使散热器处于电池外罩的阴影里，不被太阳直射，散热效果更好。

图4 聚光太阳能电池模块原理示意图

3 智能调光控制方法

如图5所示，聚光型PV-LED隧道加强照明系统主要包括聚光太阳电池模块、控制器和LED灯组三部分。针对公路隧道进出口段加强照明的具体亮度需满足人眼亮度适应曲线，能随着隧道外部太阳光照强弱的变化而自动变化（光强自适应性）。根据电路中将相同元器件串联起来可以增大电压，并联起来可以增大电流这条基本特性，设计了一种聚光太阳电池智能连接电路，通过控制常开型继电器触点的开闭，使聚光太阳电池合理连接，从而调节太阳电池的输出电压和电流，即LED灯的输入电压和电流，实现LED灯的智能调光，满足隧道加强照明光强自适应性的要求。但是为了保证负载LED灯正常工作，在控制器内LED灯的线路上安装了稳压保护装置。具体控制方法如下（以三块太阳电池举例，更多太阳电池原理相同）：

图5 太阳能电池控制电路

1）在晴天太阳光强的情况下，控制器中的太阳光信号采集器采集太阳电池的相应光伏电信号提供给控制芯片，由控制芯片控制常开型继电器KM1、KM3、KM4、KM6的触点闭合， KM2、KM5触点断开，此时太阳电池全部并联连接，输出电压与一块电池板电压相同，但电压足以点亮LED灯，输出电流是一块电池板的三倍，加强了LED灯的亮度，满足隧道加强照明要求随洞外光强的加强而变亮的要求。

2）在太阳光强度中等的情况下，控制芯片根据接收到太阳光信号采集器传来的电信号，控制常开型继电器KM1、KM3、KM5触点闭合，KM2、KM4触点断开，此时太阳能电池板混联连接，两块电池板并联再与第三块串联，输出电压提高两倍，驱动LED点亮，输出电流也提高至两倍，使LED灯稍微增亮一些。

3）在阴雨天或者傍晚太阳光很弱的情况下，控制芯片接收到太阳光信号采集器传来光照很弱的电信号，控制常开型继电器KM2、KM5触点闭合， KM1、KM3、KM4触点断开，此时太阳能电池板全部串联连接，用以提高LED灯的输入电压，驱动其点亮。输入电流较小，导致LED灯较暗，与隧道外部光照很弱的具体情况相同，使LED灯实现随隧道外部光照进行智能调光。

该控制方法省去了蓄电池，使得使用成本大大降低，无需再来回更换寿命较短的蓄电池，同时避免了太阳电池发出的电力因为进出蓄电池而造成的接近30%的损耗。并且充分利用了通常所说的光伏发电（太阳电池—蓄电池—负载）在阴雨天由于散射太阳光能量相对较小导致达不到充电基本要求（如阈值电压）而无法充入蓄电池而被白白浪费掉的能量，对隧道直接进行加强照明，大大提高了对太阳能的利用率。同时，满足了隧道加强照明自适应性的要求，使驾驶员进出隧道视线更加清晰，既有效减少了交通事故的发生，又实现了隧道照明方面的节能降耗。

4 结束语

本文所设计的聚光型PV-LED公路隧道加强照明系统中，所采用菲涅尔透镜作为聚光器，对太阳电池进行聚光，大大提高了太阳能利用率、减少了成本，并且通过太阳电池智能控制电路，实现LED灯智能调光，使其满足隧道加强照明自适应性的要求。本系统具有很大的可行性，且其安装方法简单易行，系统电路简单，实现同样照明效果成本低廉，实用高效，节能环保，在当前倡导节能减排的背景下具有很大的推广价值。

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