新型节能技术在安徽省高速公路隧道照明系统的应用实践

高速公路隧道是山区高速不可或缺的组成部分，但由于隧道自身客观因素的制约，进出洞的地段就成为交通事故的多发点。为了防止在隧道进出洞时，由于光线明暗变化导致的车祸问题，通常我们在隧道内部署隧道照明系统。通过对比洞外照度，调节隧道内照明亮度以避免这一问题。但随着照明系统的大量部署，随之产生了能源问题。
传统的高速公路隧道照明系统具有灯具多、功率高、耗能高等特点。虽然可以采用分级开灯来减小消耗，但是大多数隧道由于照明灯具的限定，大多都是根据照明回路中灯具数量的不同，组成隧道照明不同的照明等级，然后根据隧道洞外的光强选择满足其要求的照明等级。为了保证线路的清晰、控制的方便，在这些隧道照明中，一般只能分为晴天照明、阴天照明、基本照明等3~5个照明等级，而无法实现十几个、几十个甚至更多级别的划分，这也就造成在很大一部分时间内，当前照明等级提供的照度超过了实际的需要，导致了电力资源的浪费。
传统供电系统在安徽的多丘陵山区带来诸多的不便。近年来，如何节能安徽高速人在不断摸索中前行，安景高速、六潜高速这两条横跨皖西南山区的高速公路隧道照明系统，分别采用了无级照明控制技术和风光互补发电系统这样的新型节能技术，是安徽高速人在节能路上迈出的坚实一步。
１　无级照明控制技术
基于ＬＥＤ照明亮度无级照明控制技术的隧道照明系统主要由ＬＥＤ灯具、微波车检器、视频车检器、照度仪、ＰＬＣ本地控制器和ＬＥＤ控制器等组成。
其中ＬＥＤ灯具能够随着供电电压的变化，连续性地调整其发光功率。因此，只要处理好隧道洞外光强与ＬＥＤ灯的供电电压的映射关系，就能够使ＬＥＤ灯提供的照度最大限度地与实际需要保持一致，有效避免了过度照明所产生的电能浪费现象，做到资源的充分利用。
微波车检器安装于隧道入口前端，当有车辆来时产生“来车”信号，发送至ＰＬＣ.
视频车检器间隔安装于隧道内，为隧道内的“无车”检测提供依据。
照度仪安装于隧道人口的洞内、洞外，用于检测隧道洞内、洞外的光强，为隧道照明系统选择合适的照度提供依据。
ＰＬＣ本地控制器收集来车、无车信号以及照度检测值，并与ＬＥＤ控制器进行通讯，以实现ＬＥＤ灯的调节。
ＬＥＤ控制器根据ＰＬＣ提供的各个参数，自动调整ＬＥＤ灯具回路的供电电压，调整ＬＥＤ灯的发光效率。
无级照明中较之传统照明具有以下优点：
　　（１）无级照明通常采用的ＬＥＤ灯具效率高，光线质量好。
　　（２）亮度无级控制，比通常照明节约更多的电能。
　　（３）采用无级调节，合理调配灯具使用，变相延长灯具寿命。
　　（４）无级照明灯具整体变化，避免斑马效应；没有阶跃，保障行车安全。
　　（５）无级照明灯具接近自然光，为司机营造舒适环境；调节速度快，为无车模式提供保障。
　　总之，ＬＥＤ照明亮度无级照明控制技术拥有传统照明控制技术不可比拟的优势，加之该技术的日渐成熟，大规模的在高速公路隧道照明系统中的推广运用该技术已势在必行。
２　无级照明控制技术在前家山隧道照明系统中的应用
在安（庆）景（德镇）高速公路前家山隧道建设过程中，引入了ＬＥＤ照明亮度无级控制系统（见图1）。
作为无级照明的ＬＥＤ灯具能够随着供电电压的变化，连续性地调整其发光功率。因此，只要处理好隧道洞外光强与ＬＥＤ灯的供电电压的映射关系，就能够使ＬＥＤ灯提供的照度最大限度地与实际需要保持一致，有效避免了过度照明所产生的电能浪费现象，实现了按需照明，做到资源的充分利用。
３　前家山隧道照明系统的控制策略
在控制策略上，前家山隧道照明系统主要根据照度仪检测到的光强进行自动调节。首先根据洞内照度仪检测出单洞ＬＥＤ灯调整至特定功率（１０％、３０％、５０％、７０％、９０％）时隧道内的照度，再根据这些检测值拟合出ＬＥＤ灯功率与洞内照度的变化曲线，并写入ＰＬＣ中，隧道运营时，ＰＬＣ根据洞外照度仪采集的光强，配合之前拟合的曲线，计算出ＬＥＤ灯所需的功率，并将计算结果发送给ＬＥＤ控制器进行调节，此时隧道洞内、洞外的照度基本相当。
为了进一步节能降耗，根据安景高速当前车流量较小（特别是夜间）的实际情况，前家山隧道照明系统采用了无车模式控制策略。该控制策略根据隧道内安装的视频车检器做出隧道内“无车”的判断，将隧道内的ＬＥＤ灯的功率调整至最低（１０％），此时ＬＥＤ灯的功率不受洞外光强的影响。当安装于隧道前方的微波车检器检测到“来车”时，发送信号给ＰＬＣ恢复照度控制模式，在车辆到达洞口前，ＬＥＤ灯按洞外照度仪检测的光强调节至合适的功率工作。
４　风光互补发电系统
伴随着近年来新能源技术的发展，许多独立于传统的油煤发电的新能源技术也不断成熟起来，鉴于高速公路铺设的地段，采用新能源给设备供电，可以节省大量的能源。在安徽省２００９年１２月建成的六潜高速公路的隧道照明工程中就引入了新型的风光互补发电技术。　
４．１　风能太阳能发电的原理
众所周知，根据风能发电的基本公式： ，其中ρ为空气密度，Ｓ为通风截面积，ｖ为风速，由此可见风能的多少与风速ｖ成立方关系。随着风速的增加，风速成立方关系增长，幅度很大。因此，在风速大的地区，风能资源储备丰富，在我们日益发展的高速公路事业的道路上，越来越多的隧道深入山区，而山区多风的地理环境也给我们隧道采用风能发电提供了一个良好的基础前提。
另外，根据太阳能发电系统年间发电量公式：ｋＷｈ＝（ＵＰｍＰＨｐＨｉＨｃ）/Ｐｏ，其中Ｕ是日射量；Ｐｍ是单块太阳电池组输出功率；Ｐ是太阳电池组数量；Ｈｐ是太阳电池板参数；Ｈｉ是功率调节器效率；Ｈｃ是线路损耗系数；可见太阳能发电系统除了和太阳能电池组自身参数有关之外，外界理想影响参数只有日射量Ｕ一个，且成正比关系。可见在日照较好的山区采用太阳能发电具备良好的前景。
４．２　风光互补发电系统的原理
风光互补发电系统是鉴于高速公路山区路段光能和太阳能储备丰富的特点，利用风能和太阳能资源的互补性，用于替代传统的能源发电方式，是具有较高性价比的一种新型能源发电系统。
系统中太阳能电池板和风能发电机同时工作，使用共同的充放电系统和蓄电池系统，充分利用太阳能和风能发电各自的优势，以弥补对方的劣势。如在多雨阴天天气里以风能发电为主，以弥补因为阴雨天阳光照射不足的缺点；而在阳光充足但风力较小的时期，以太阳能发电为主，以弥补因风力不足而造成的风能发电不足问题。实践表明，通过风光互补发电系统的建设，可以很好地解决高速公路山区路段机电设备的用电问题。通过风光互补发电系统，既节省了电能，又降低了发电设备的配置和成本，同时又相对提高了照明灯的使用寿命。图２为风光互补发电系统的基本原理构成。
风光互补发电系统，较之以往的隧道照明传统发电系统具备以下特点：
（１）绿色能源，属于国家大力发展和推广的新技术
风能、太阳能的风光互补发电系统是一种新型的绿色环保电源系统，风光互补发电系统的能量来源是自然界的太阳能和风能。
（２）适宜山区高速的地理环境
单独的太阳能或风能系统，由于受时间和地域的约束，很难全天候利用太阳能或风能资源。而太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，白天光照强时风小，夜间光照弱时，风能由于地表温差变化大而增强。在山区，太阳能和风能在时间上的互补性是风光互补发电系统在资源利用上的最佳匹配。
（３）电源线缆不易被盗，减少运营成本
风光互补发电系统是就地的独立电源系统，除了节约用电、减少运营成本之外，不需要再额外敷设外场线缆，减少了线缆被盗的风险，同时也节约了系统维护费用。虽然在建设初期设备一次性投入成本相对较大，但随着长期的运营成本减少，很快就会收回前期投入，达到省钱省力的目的。
４．３　风光互补发电系统在狮子尖隧道照明系统中的应用
２００９年底，安徽高速公路建设史上施工难度最大的六潜高速修成通车，在狮子尖隧道照明工程中，首次采用了风光互补发电系统，同时是也是我国第一次在高速公路建设中引入风光互补发电系统（如图３所示）。
５　结束语
鉴于山区风能、太阳能储备丰富的特点，结合新能源、新技术在安徽省安景和六潜的应用，可以清晰地发现新节能技术在高速公路隧道照明系统中具有很强的可行性和实用性。在不久的将来，无级照明控制技术和风光互补发电技术等先进技术会不断地发展，这些新节能技术将会在高速公路隧道照明乃至整个机电系统中扮演更为重要的角色。

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