基于太阳能的LED公路隧道照明系统的研究

宁铎+杨婷+张博+赵彬

摘要：为解决公路隧道照明运营费用的高昂，提出了基于太阳能的LED公路隧道照明系统，根据外部调光传感器测得的隧道外亮度、车速和车流量等信息，计算隧道各区段照明的亮度需求，动态调节隧道各区段LED光源组的亮度，实现按需照明，避免因分级控制等传统控制方法造成的能源浪费，在保证安全的基础上，达到节能减排的目的。

关键词：太阳能；LED照明；照明节能；公路隧道

近年来，我国公路隧道发展迅速，公路隧道不仅缩短了城市之间的距离，还加强了各个区域之间人员，文化等各方面的交流，提升了资源的优化配置，促进国民经济的大力发展。

但随着公路网络的不断完善，在西部等偏远地区，电力条件不足，对公路隧道的运行成本要求较高，尤其是公路隧道照明系统，要满足驾驶人员在白天和黑夜的正常通行，供电问题更趋突出。如何设计出满足工程技术指标，并且降低工程造价的公路隧道照明系统便显得格外重要。太阳能作为一种绿色无污染的免费天然能源，如果可以加以利用，使其充分应用到生产生活中去，不仅响应国家节能的政策，而且将带来可观的经济效益。因此，本设计将着手研究一种利用太阳能供电LED来实现公路隧道照明的基本需求，为西部等偏远地区的公路隧道照明提供解决方案，节约成本。

1系统的设计方案

如图1所示为太阳能LED隧道照明系统的结构框图，系统包含太阳能供电系统和LED隧道照明调光系统两个部分。太阳能电池板吸收太阳光的辐射，将太阳能转化为电能，再利用蓄电池充电控制器将电能储存至蓄电池中，以供LED隧道照明系统的使用。本设计选用LED作为照明灯具，同时根据公路隧道外部调光传感器，使主控制器和各LED调光控制器进行通讯调光，满足隧道照明的实时需求，以保障公路隧道驾驶员的行车安全。

1.1太阳能供电系统

太阳能供电系统主要包含太阳能电池板、蓄电池充电控制器、蓄电池三个部分。白天，当太阳光照射到太阳能电池表面时，太阳能电池板产生的电能通过蓄电池充电控制器对蓄电池进行充电；夜晚，太阳能电池板停止工作，蓄电池释放余下储存的电能，供给LED灯组。

太阳能LED公路隧道照明主要分为为四个路段进行供电，人口段照明、过渡段照明、中间段照明、出口段照明来控制公路隧道照明的正常运行，LED隧道照明结构示意图如图2所示。

在蓄电池充放电控制器的充电控制策略上，仅仅利用传统的充电方式无法达到马斯最佳充电曲线，所以本设计选用四阶段充电方式，涓流充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、浮充充电阶段。四阶段充电法电流电压曲线如图3所示，当蓄电池开始充电时，蓄电池电压处于严重欠电压状态，蓄电池开始接受的电流较小，以防止损伤蓄电池，进行涓流充电阶段，同时测量蓄电池的电压大小；当蓄电池达到设置的大电流充电电压时，进行第二阶段恒流充电阶段，此阶段蓄电池处于欠电压状态，充电电流较大，使蓄电池电压快速上升；当恒流充电方式达到蓄电池的过充限制电压时，进入第三个阶段恒压充电阶段，此时充电电流变小，充电电压上升速度减慢；当蓄电池电压接近饱和状态时，进入第四个阶段，浮充充电方式，使得充电方式最接近蓄电池的充电特性，延长蓄电池寿命。

1.2 LED隧道照明调光系统

LED隧道照明调光控制系统是为解决公路隧道产生“白洞”和“黑洞”现象，通过检测隧道洞外亮度、车流量、车速等信息，跟踪隧道各区段照明亮度的需求，动态调节隧道各区段LED灯的亮度，实现按需照明，避免因分级控制等传统控制方法造成的照明浪费，在保证驾驶员正常运行的基础上减少隧道照明能耗。LED隧道照明调光控制系统组成原理图如图4所示，系统由洞外亮度检测器、隧道内照度检测器、微波车检器、主控制器、LED调光控制器、LED隧道灯等组成。主控制器通过总线与检测设备、各区段LED调光控制器相连接，根据检测设备的各项数据信息，实时分析计算隧道各区段的所需亮度信息，下发调光指令到各LED调光控制器。主控器可对各LED调光控制器地址进行分组，如人口段组、过渡段组、中间段组、出口段组，每组的工作状态都不相同。同时具有人机交互功能，可直接查看各LED调光控制器的工作状态，及时排除系统故障，也可手动下发调光控制命令到各LED调光控制器。

LED隧道照明调光控制系统中LED调光控制器是重要的组成部分，通过总线与主控制器连接，本设计采用PWM调光技术对LED隧道灯的亮度进行调节。主控制器不仅接受外部调光传感器发回的调光需求，向LED隧道照明调光控制器下发调光指令调节LED隧道灯的亮度，同时当上位机需要对工作状态进行监控时，主控制器及时反馈隧道各区段的LED隧道灯亮度情况，车流量、洞外亮度、车速、通讯状态等信息。

2系统优势

太阳能LED公路隧道照明系统放弃傳统的市电供电模式，采用太阳能供电实现了绿色环保，节约能源的目的。同时还结合智能控制技术，对公路隧道LED进行智能调光，提供更好的驾驶环境，建立上位机对隧道照明系统进行实时的监控。具体优势有以下几个方面：

①太阳能作为免费能源，减少后续公路隧道照明系统的资金投入，解决公路隧道照明在偏远地区无电的困难，大大节约了运营费用。

②太阳能是一种新兴绿色能源，对环境没有任何污染的清洁能源，降低了不可再生能源的消耗，体现人与自然和谐相处的宗旨。

③实现隧道照明节能，本设计选用LED作为隧道灯，同时利用智能无极控制方式，大大节约了能源。

④解决“黑洞”、“白洞”的视觉问题，确保行车安全，公路隧道在白天的人口段和出口段会产生“白洞”和“黑洞”效应，通过对LED动态调节，消除视觉问题，保证行驶人员的安全。

⑤实现智能照明，我国大多采用分级方式实现隧道照明，其照明利用效率低，费用高，采用智能调节LED达到亮度需求，节约电能，保证驾驶员行车安全并提升舒适性。

⑥灯具使用寿命长，采用LED隧道照明调光控制系统的隧道，LED隧道灯可减少全功率工作的时长，减少灯具因温度过高造成电光转换效率下降以及不可恢复的光衰，延长其使用寿命，降低灯具损坏的故障发生率。

⑦便于维护管理，LED隧道照明调光控制系统能实时显示隧道车流量、车速、洞外亮度、LED隧道灯、LED调光控制器工作状态、及时发现故障并排除，确保公路隧道照明系统的正常。

3结束语

设计太阳能LED公路隧道照明系统，改变利用市电供能隧道照明的传统概念，解决西部地区用电不便的困境，大大利用西部地区的天然优势，实现太阳能LED公路隧道照明，并且很大程度上降低了隧道照明的运营费用，节约能源、保护环境。