公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究報(bào)告簡(jiǎn)本一、項(xiàng)目研究目的意義由于我國(guó)山地眾多,幅員遼闊，為了縮短公路里程,提高運(yùn)輸效益,節(jié)省用地和保持生態(tài)環(huán)境，公路建設(shè)中越來越重視隧道建設(shè).公路隧道具有其功能特殊性，確定了其建設(shè)復(fù)雜性.照明系統(tǒng)是隧道機(jī)電工程中最重要的設(shè)施之一，也是整個(gè)隧道機(jī)電工程總投資最大的一個(gè)系統(tǒng).公路隧道照明，不論白天還是夜間都很重要，并且白天照明問題比夜間更復(fù)雜。為了滿足公路隧道運(yùn)行要求，隧道燈具應(yīng)適應(yīng)公路隧道使用特點(diǎn)，節(jié)約能源，提高照明效果，保證行車安全性、舒適性，能有效地進(jìn)行營(yíng)運(yùn)管理。隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速延伸，地形復(fù)雜、人口稀少地區(qū)電力資源貧乏，電力成本巨大的問題日益突出，尤其是公路隧道照明系統(tǒng)的供電問題更趨嚴(yán)重。依據(jù)國(guó)家規(guī)范400米以上的公路隧道需設(shè)照明設(shè)施，因此開發(fā)一種既可降低工程造價(jià)，又能降低運(yùn)營(yíng)管理成本的適應(yīng)此發(fā)展需求的公路隧道太陽能照明系統(tǒng)就已十分迫切.為了能夠利用豐富太陽能資源及有效的太陽能技術(shù),為西部及邊遠(yuǎn)地區(qū)公路隧道提供一種有效的照明及供電手段，保障公路隧道運(yùn)營(yíng)安全,提高公路隧道交通安全可靠性和有效性，項(xiàng)目組在國(guó)家交通部和吉林省交通廳支持下進(jìn)行了《公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究》。本項(xiàng)目研究的主要目的是設(shè)計(jì)制造能耗低而適宜公路隧道的照明系統(tǒng)及研究與其匹配的太陽能供電系統(tǒng).二、國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀公路隧道照明研究現(xiàn)狀目前全國(guó)已建和在建公路隧道已達(dá)1000多公里，并以飛快的速度發(fā)展。但公路隧道安裝照明系統(tǒng)的非常少，大都不設(shè)置照明或設(shè)置照明系統(tǒng)并不使用，因此照明質(zhì)量非常低。我國(guó)公路隧道照明燈具研制起步較晚，基礎(chǔ)較差，特別是針對(duì)隧道照明燈具要求和特性方面的深入研究極其缺乏，設(shè)計(jì)、制造的燈具與國(guó)外存在較大差距。近年來，雖然復(fù)旦大學(xué)、上海燈具研究所、重慶交通科研設(shè)計(jì)院、浙江交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院等少數(shù)單位擁有研究條件和一定試驗(yàn)設(shè)備，重視隧道燈具研究外,大部分燈具廠家沒有公路隧道燈具研究條件和試驗(yàn)設(shè)備，自主開發(fā)隧道燈具能力差。國(guó)內(nèi)隧道燈具廠多為小廠或主要從事其他領(lǐng)域照明器材生產(chǎn)，技術(shù)、工藝和裝備落后，生產(chǎn)分散，專業(yè)化水平低，效益不高.2004年交通部提出了《公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究》并在西部發(fā)展科技項(xiàng)目中立項(xiàng)，要求國(guó)內(nèi)企業(yè)研究以降低照明系統(tǒng)功耗為支撐,滿足太陽能供電需求的基礎(chǔ)上改進(jìn)燈具。公路隧道燈具的開發(fā)方面缺乏足夠認(rèn)識(shí)和必要投入，與國(guó)外照明電器工業(yè)生產(chǎn)集中度相比，遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)規(guī)模；另一方面國(guó)內(nèi)使用的隧道燈具大多存在光帶窄,配光質(zhì)量不夠，能耗高,質(zhì)量穩(wěn)定性差，壽命短，檔次不高的問題，直接導(dǎo)致公路隧道照明效果不佳，不能滿足公路隧道照明要求，嚴(yán)重影響行車安全性。隧道照明的光源應(yīng)滿足隧道特定環(huán)境下的光效、光通量、壽命、光色和顯色性要求;同時(shí)還能保證在汽車排放形成的煙霧中有良好的能見度。隧道照明的效果必須依靠可靠的光源來實(shí)現(xiàn)。公路隧道一旦投入使用，正常狀態(tài)下照明系統(tǒng)幾乎處于長(zhǎng)期點(diǎn)亮狀態(tài)，因此選擇一種適宜的光源,是隧道照明的重要環(huán)節(jié)。公路隧道照明通常依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范把隧道分為入口段、過渡段、中間段和出口段設(shè)計(jì),其中過渡段有兩個(gè)，分別設(shè)計(jì)在中間段前后。各段的長(zhǎng)度和照度從全年行車安全要求出發(fā),對(duì)洞內(nèi)最大照度的設(shè)計(jì)是以全年洞外最大亮度和最高行車時(shí)速來確定隧道內(nèi)各段的燈具功率和燈具分布密度.實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)控制的也是非常有限的控制，通常因線路布線回路的限制，只能做到2~3級(jí)人工或自動(dòng)控制，對(duì)于如天氣、車速、車流量等參數(shù)只是在設(shè)計(jì)階段給予以最大值考慮，最終各段照明的長(zhǎng)度和照度也始終是處于最大值狀態(tài)。對(duì)于天氣、車速、車流量等時(shí)變參數(shù)無法從宏觀上對(duì)整個(gè)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)方式的調(diào)節(jié)控制。因此，從這一點(diǎn)上講,目前這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用的隧道照明系統(tǒng)存在著大量電能的浪費(fèi)問題。LED照明研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著國(guó)外LED技術(shù)研究水平的不斷提高，相關(guān)照明研究也逐步深入。在LED技術(shù)研究方面，美國(guó)波士頓LightResearchCenter研究中心研發(fā)出了一種藍(lán)、黃波長(zhǎng)的半導(dǎo)體光源，其所發(fā)出光令人感覺為白光。這種LED光效與目前市場(chǎng)上LED相比高10倍甚至更高，但目前尚未商品化。另一公司0SRAM0S公司開發(fā)的薄型MD，只有6mm高,沿邊安裝（s5de—mounted)將光射入一個(gè)導(dǎo)光材料（Hght—guidemateria），其光均勻地分布表面。這種模塊可以為燈具廠生產(chǎn)商所用，內(nèi)置于產(chǎn)品，作通道、走廊、劇場(chǎng)或影院座號(hào)定向照明，其模塊能耗從一瓦到幾瓦不等。由于國(guó)外政府在節(jié)能環(huán)保的巨大壓力下,采取相關(guān)政策鼓勵(lì)和推廣LED照明產(chǎn)品應(yīng)用。美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家皆由政府成立專項(xiàng)，編列預(yù)算與計(jì)劃推行：日本的“21世紀(jì)光照明”計(jì)劃從1998年～2002年,耗費(fèi)50億日元推行半導(dǎo)體照明;美國(guó)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃”從2000年～2010年，投資5億美元；歐盟的“彩虹計(jì)劃”，在2000年7月啟動(dòng),通過歐共體資助推廣應(yīng)用白光LED。而對(duì)LED相關(guān)產(chǎn)品，奧地利照明設(shè)計(jì)公司采用14000只白光和彩色LED混合照明整個(gè)房間，光照水平達(dá)到600～700Lux，足夠一普通辦公室照明.用計(jì)算機(jī)計(jì)算白光、藍(lán)光、藍(lán)／綠光、琥珀和紅光二極管混合效果，以獲得2500～3000K暖色溫，其顯色指數(shù)非常接近最好的熒光燈。在瑞典,SwedZshNationalRoadAdminZstration采用LED作交通信號(hào)燈,以減少對(duì)發(fā)熱量大的傳統(tǒng)交通信號(hào)燈的需求.2005年,美國(guó)、日本、歐洲八大集團(tuán)公司共同組成的固態(tài)照明系統(tǒng)及科技聯(lián)盟ASSIST制定了“普通照明用LED壽命”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了普通LED壽命的定義、器件和系統(tǒng)測(cè)量方法.2005年12月日本出臺(tái)改善與提高能源使用的促進(jìn)稅法,明確規(guī)定企業(yè)或機(jī)構(gòu)使用LED照明取代白熾燈照明,可獲得投資額130%超額折舊，或者是投資額7％的稅率減免。歐盟2006年7月開始實(shí)施ROHS法案（全稱是《在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令》），限制含汞的熒光燈管的使用；美國(guó)加州立法者提議到2012年實(shí)行白熾燈禁止令；2007年2月澳大利亞政府宣布將逐步淘汰白熾燈。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)LED僅處于照明應(yīng)用的初級(jí)階段，為使LED真正進(jìn)入照明領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)界還要做很多工作.目前在國(guó)家“863”計(jì)劃新材料領(lǐng)域資助下,LED產(chǎn)業(yè)取得了重大的進(jìn)展,氮化鎵基半導(dǎo)體材料和器件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.一些科研院所，如中國(guó)科學(xué)院物理所和長(zhǎng)春光機(jī)與物理所、北京大學(xué)、北京有色金屬研究院、石家莊十三所等單位也相繼開展了這方面的研究工作。目前已取得了可喜的進(jìn)步,正在縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距.當(dāng)前市場(chǎng)上的白光LED大都是國(guó)內(nèi)LED廠家采用進(jìn)口芯片和熒光粉自行封裝的。由于技術(shù)力量和自主開發(fā)能力薄弱,藍(lán)光芯片的選用和白光LED的性能受到一定限制和影響。目前，半導(dǎo)體照明燈已逐漸對(duì)傳統(tǒng)照明燈具發(fā)起了挑戰(zhàn)，已有幾家著名公司先后推出此類光源樣品。由于技術(shù)、工藝、生產(chǎn)成本等因素的影響,目前應(yīng)用最多的是光轉(zhuǎn)換型，其次是多色組合型.以發(fā)展的眼光來看,多量子阱型和“光子再循環(huán)”當(dāng)是未來的發(fā)展趨勢(shì).但由于技術(shù)限制，生長(zhǎng)不同結(jié)構(gòu)的量子阱相對(duì)困難得多，在短時(shí)間內(nèi)還不能產(chǎn)業(yè)化.在我國(guó)LED起步于二十世紀(jì)七十年代,至今已三十多年。全國(guó)約有100多家企業(yè)，其中95%廠家都從事后道封裝生產(chǎn)，所需管芯幾乎全部來自臺(tái)灣地區(qū)或從國(guó)外進(jìn)口。通過幾個(gè)“五年計(jì)劃”的技術(shù)改造、技術(shù)攻關(guān)、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和部分關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)LED的生產(chǎn)技術(shù)已向前跨進(jìn)了一步.我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)是世界LED及管芯的主要產(chǎn)地，年產(chǎn)LED約40億只，產(chǎn)品品種規(guī)格齊全，性能達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平，所生產(chǎn)的管芯也大量出口日本等國(guó)。目前，一方面我國(guó)是照明燈具產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，對(duì)于半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)多年發(fā)展已相對(duì)完善，具備了一定基礎(chǔ)，另一方面政府和業(yè)界適當(dāng)協(xié)調(diào),發(fā)展半導(dǎo)體LED照明事業(yè)大有可為。光伏發(fā)電研究現(xiàn)狀我國(guó)光伏供電系統(tǒng)研究主要包括太陽能電池、逆變器、控制器等相關(guān)開發(fā)。近年來，太陽能電池研究主要集中于太陽能電池用材料研究和國(guó)產(chǎn)化，其研究機(jī)構(gòu)主要在大學(xué)和研究所，如北京市太陽能研究所、信息產(chǎn)業(yè)部第18研究所、上海811研究所、中科院半導(dǎo)體所、上海交通大學(xué)、四川大學(xué)等等。自2005年以后，光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，質(zhì)量和產(chǎn)量提高迅速,2008年光伏組件產(chǎn)量已居世界第一，隨著硅材料解決和薄膜太陽電池的發(fā)展，價(jià)格迅速下降，為大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。國(guó)內(nèi)企業(yè)研究和開發(fā)能力迅速增強(qiáng)，已有多家單獨(dú)或以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合方式建立了研發(fā)中心［1]。太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其封裝用材料EVA膜及PVF復(fù)合膜等的改性、絲網(wǎng)印刷用漿料國(guó)產(chǎn)化等研制已經(jīng)開展.隨著太陽能電池的逐步成熟，與之配套的儲(chǔ)能產(chǎn)品—蓄電池的研發(fā)也漸漸引起重視,但市場(chǎng)上蓄電池仍然缺乏全部滿足以下要求的產(chǎn)品：耐過充電和過放電能力強(qiáng);比能量盡可能高；維護(hù)簡(jiǎn)單,不需要補(bǔ)水；無酸霧溢出，無需隔離放置；低溫性能好（野外使用，無人值守)；價(jià)格便宜.這是由于國(guó)內(nèi)目前很少開展這方面工作，導(dǎo)致了太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)專用蓄電池存在一定問題，尚須進(jìn)一步研制開發(fā)。光伏供電系統(tǒng)建立后，控制器好壞將影響系統(tǒng)功效發(fā)揮是否充分，尤其國(guó)內(nèi)與國(guó)際的技術(shù)水平在小型戶用電源控制器上尚有一定差距,主要原因并非技術(shù)能力,而是戶用電源集成商迫于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力,不肯選用高檔控制器。如上可知，我國(guó)光伏供電系統(tǒng)尚需不斷改進(jìn)，以提高普及應(yīng)用能力,滿足無供電條件或條件不好時(shí)照明系統(tǒng)應(yīng)用。在此背景下,國(guó)家科技部通過《國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃》、《863計(jì)劃》、《973計(jì)劃》等支持較大的光伏研究課題，以支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。三、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線研究?jī)?nèi)容現(xiàn)場(chǎng)勘察公路隧道的地形、地貌，收集溫度、濕度、太陽能和風(fēng)能資源、災(zāi)害性氣象、地理特點(diǎn)以及車流特點(diǎn)；研制與車流相關(guān)的信息化智能照明系統(tǒng),采用動(dòng)態(tài)節(jié)能照明,滿足標(biāo)書要求;采用白光、黃光和紅光 LED經(jīng)過配色后作為隧道照明，尋求最合理配色研究；滿足區(qū)段照明亮度分布與LED帶狀燈配置的合理性研究;適應(yīng)招標(biāo)文件要求車速下的LED燈亮度及允許亮度變化時(shí)間研究；聲控/光控/紅外線控制相結(jié)合的智能/節(jié)能型LED信息控制系統(tǒng)研究；各區(qū)段地面亮度自動(dòng)檢測(cè)信息系統(tǒng)研究；全直流供電系統(tǒng)及交直混合供電系統(tǒng)可行性比較研究；減少隧道內(nèi)表面吸收,增加反射(如地面涂白漆），對(duì)適應(yīng)性及節(jié)能效果影響的研究；進(jìn)行滿足智能化照明系統(tǒng)的太陽能發(fā)電/風(fēng)力發(fā)電/油機(jī)發(fā)電/蓄電池合理匹配的研究;研究太陽能供電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的遙測(cè)、遙信、搖控“三遙”系統(tǒng)，增加整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和先進(jìn)性。技術(shù)路線本項(xiàng)目研究主要從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析入手，從照明系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)與實(shí)施等四個(gè)方面進(jìn)行研究。1、進(jìn)行公路隧道太陽能照明系統(tǒng)的研究。這部分研究，主要包括:公路隧道照明光源、燈具和智能控制系統(tǒng)等三部分。2、根據(jù)公路隧道照明系統(tǒng)的配置功率，進(jìn)行太陽能供電系統(tǒng)研究。這部分研究主要包括:試驗(yàn)室試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、國(guó)內(nèi)類似工程對(duì)比分析、供電系統(tǒng)優(yōu)化配置等三部分。3、進(jìn)行試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)根據(jù)上面的研究成果,搭建了包括照明系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)三部分的試驗(yàn)室模擬系統(tǒng)。4、根據(jù)研究成果進(jìn)行依托工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施。四、項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)LED性能特點(diǎn)照明燈具點(diǎn)陣布設(shè)合理性通過光學(xué)計(jì)算，解決LED參數(shù)離散性問題,使LED照明燈具點(diǎn)陣布設(shè)距離最合理，照明效果最好。LED光源為點(diǎn)光源，中心照度較高,邊緣則銳減，因此在使用時(shí)中心亮度過剩，白白損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，LED一般都是直立安裝,其光線近似為以LED發(fā)光中心為頂點(diǎn),以LED的光軸為中軸的倒圓錐體，因此LED分布位置直接影響照明效果。單個(gè)LED相互間距離減少時(shí)，區(qū)域疊加面積增大，亮度提高,反之則小。相鄰LED混合時(shí),根據(jù)其相互間距離，混合分布可產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)波峰，而使得局部亮度高.附近LED的光也有一部分射到該區(qū)域，但由于強(qiáng)度很小,對(duì)波峰和波谷的影響很小。當(dāng)相鄰幾個(gè)LED產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的波峰時(shí)，可以將這幾個(gè)LED看作一個(gè)發(fā)光單元。故在排列LED管時(shí)，應(yīng)使各發(fā)光單元分布均勻，分布距離適當(dāng).電路設(shè)計(jì)過程中，綜合點(diǎn)光源疊加后電壓、電流影響、亮度水平、照明穩(wěn)定性等諸多因素，研究合理匹配電路,以實(shí)現(xiàn)減低功耗,提高光效目的。利用智能控制系統(tǒng)降低能耗的研究利用智能控制系統(tǒng)采集各種傳感器信息,經(jīng)過計(jì)算，通過照明控制執(zhí)行組合對(duì)隧道各個(gè)區(qū)段的亮度和照明燈具亮、滅時(shí)間進(jìn)行控制,同時(shí)通過GPRS模塊將有效信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心服務(wù)器處,管理人員可以監(jiān)測(cè)到各種數(shù)據(jù)，并能根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行人為的控制。它利用時(shí)下覆蓋面最廣的GPRS公共信息網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它可以提供高于固定因特網(wǎng)速率的無線數(shù)據(jù)接入方式,由于GPRS具有保持永遠(yuǎn)在線的功能,使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。利用太陽能供電系統(tǒng)中太陽能板在不同太陽光照射變化的規(guī)律，選擇太陽能板做為亮度計(jì)，建立各區(qū)段地面亮度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng).在實(shí)體工程中，采集太陽能變化規(guī)律，做為判定各區(qū)段地面亮度的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)能耗控制，完成太陽能供電系統(tǒng)與照明系統(tǒng)功耗合理匹配的研究。五、項(xiàng)目的主要成果照明系統(tǒng)方案論證、設(shè)計(jì)及試驗(yàn)的研究電路設(shè)計(jì)在電路設(shè)計(jì)過程中,綜合點(diǎn)光源疊加后電壓、電流影響、亮度水平、照明穩(wěn)定性等諸多因素,研究合理匹配電路，以實(shí)現(xiàn)減低功耗，提高光效目的。研究保護(hù)電路，減少LED串聯(lián)、并聯(lián)引起的多點(diǎn)損壞。LED點(diǎn)陣布設(shè)是多個(gè)LED通過串聯(lián)、并聯(lián)組成的陣列，在使用過程中只要有一個(gè)LED短路或開路，都會(huì)導(dǎo)致整條或多個(gè)LED熄滅.分析電路設(shè)計(jì)和電路布局合理性，研究散熱方法，以提高LED使用壽命和保持良好工作狀態(tài).LED管芯結(jié)溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減.為解決這一問題，從電路設(shè)計(jì)和布局著手研究,提出合理設(shè)計(jì)方案以促進(jìn)LED保持良好工作狀態(tài)、使用壽命延長(zhǎng).研究交/直流電源對(duì)LED影響,選擇適宜的電源方式.LED供電方式不同，將影響使用性能，尤其是交流供電本身有變頻易引起LED閃爍，因此選擇合適的LED可以提高照明效果。研究防止燒毀部分LED的合適驅(qū)動(dòng)電路。LED點(diǎn)陣布設(shè)由多個(gè)LED管組成，在使用中偶爾會(huì)因能量集中而燒壞部分LED,合適的驅(qū)動(dòng)電路可以一定程度上減輕相關(guān)現(xiàn)象的發(fā)生.不同密度照明單元密度調(diào)低后,照明燈具照度降低，功率減小，但電路板燒焦現(xiàn)象仍未根本解決,研究人員分析認(rèn)為點(diǎn)光源運(yùn)行中工作電流迅速增加，溫度上升是導(dǎo)致電路板燒焦和點(diǎn)光源老化的原因。改進(jìn)后照明燈具通過電路上改進(jìn)，研究人員既解決了散熱問題，又使其工作電流比原設(shè)計(jì)方案降低了近10mA，整個(gè)公路隧道照明單元功率6W左右，降低了功耗,從而使公路隧道照明太陽能供電系統(tǒng)低成本應(yīng)用成為可能。照明燈具設(shè)計(jì)照明燈具是指能透光、分配和改變光源分布的器具，包括除光源外所有用固定和保護(hù)光源所需的全部零、部件，以及與電源連接所必需的線路附件。不同場(chǎng)所對(duì)燈具要求不同,本項(xiàng)目燈具應(yīng)用在公路隧道中，要求具有較強(qiáng)耐腐蝕性，不易老化，防潮、防噴流.項(xiàng)目組從三個(gè)方面入手，一方面解決電路板安裝及拆卸方便性,另一方面針對(duì)走線、散熱、防潮性能設(shè)計(jì)，最后透光材料選擇，從而研制的照明燈具達(dá)到安全防護(hù)等級(jí)，散熱良好，拆卸比較方便，滿足了使用要求。第四代燈具太陽能供電系統(tǒng)研究及方案設(shè)計(jì)的研究本項(xiàng)目根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電；同時(shí)，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，以降低功耗，從而為解決太陽能供電系統(tǒng)在特定時(shí)間內(nèi)的嚴(yán)重虧電問題奠定基礎(chǔ).本項(xiàng)目針對(duì)不同混合光伏系統(tǒng)計(jì)算，分析柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)為輔助電源滿足惡劣天氣下系統(tǒng)電力需求的成本和效果，選取有利方案保證隧道內(nèi)照明系統(tǒng)供電。太陽能光伏發(fā)電輔助小型油機(jī)發(fā)電“太陽能光伏發(fā)電輔助小型油機(jī)發(fā)電“三遙”智能控制儀蓄電池儲(chǔ)能LED照明燈公路隧道太陽能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖太陽能供電系統(tǒng)主要包括光伏組件（陣列)、蓄電池、逆變器、控制器：光伏組件：把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置接線箱：匯總太陽電池組件的配線。內(nèi)裝有防雷器、回流防止器和開關(guān)等。充電控制器：蓄電池的過充電保護(hù)裝置。逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成220V50Hz的交流電.內(nèi)裝輸入電壓控制、過載保護(hù)裝置等。蓄電池:電能儲(chǔ)藏裝置.根據(jù)吉林省年日照時(shí)數(shù)大于2000h，輻射總量高于586kJ／cm2·a，是我國(guó)太陽能資源較豐富地區(qū)的特點(diǎn),本項(xiàng)目采用混合光伏系統(tǒng).公路隧道太陽能照明系統(tǒng)研究中照明系統(tǒng)為直流220V供電,因此其供電系統(tǒng)不需要采用逆變器進(jìn)行直交流轉(zhuǎn)換。選擇太陽電池組件時(shí)，要求有一定的標(biāo)稱工作電流輸出功率,工作壽命能正常工作20—30年，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,能經(jīng)受在運(yùn)輸、安裝和使用過程中發(fā)生的沖突、振動(dòng)及其它應(yīng)力，組合引起的電性能損失小，成本低。室內(nèi)模擬試驗(yàn)的研究智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)根據(jù)車流狀況和隧道口照度適時(shí)調(diào)整隧道內(nèi)照明狀況,以滿足交通部關(guān)于隧道照明的要求，同時(shí)可以將隧道內(nèi)各種狀態(tài)通過GPRS傳送到中央控制計(jì)算機(jī)上，方便統(tǒng)一管理。三遙系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用干電池、可變電阻制作成一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬電路，這個(gè)電路用來代替實(shí)際電路中從電流/電壓傳感器輸出的0～5V信號(hào)。記錄該電路輸出的電壓和遙測(cè)的結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于GPRS技術(shù)的遙測(cè)系統(tǒng)的可行性。車流控制照明實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)發(fā)出仿真車流信號(hào)，并以此信號(hào)控制隧道照明.本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證照明控制邏輯的正確性,并檢驗(yàn)軟件的質(zhì)量六、項(xiàng)目的依托工程依托工程的實(shí)施地點(diǎn)選擇在位于吉林省靖宇縣內(nèi)的朝長(zhǎng)公路花園隧道。朝長(zhǎng)公路花園隧道，是山嶺區(qū)二級(jí)公路隧道，全長(zhǎng)824米，計(jì)算行車速度為40公里/小時(shí)，設(shè)計(jì)交通量5469輛/日。其地理位置在東經(jīng)127。05°，北緯42.30°。隧道所在地歷年各月平均最低氣溫-18。7℃,極端最低氣溫為-37。7℃，最大凍深為126cm，最大平均自然風(fēng)速3。6m/s，最小平均風(fēng)速0.8m/s，洞外自然亮度3000cd/m照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)總功率為8千瓦，太陽能供電系統(tǒng)21KW.在試驗(yàn)工程開始前，項(xiàng)目組對(duì)燈具進(jìn)行改進(jìn),每盞燈功率為6W左右。824米隧道設(shè)置燈具812套,總功率近5.4千瓦,經(jīng)計(jì)算太陽能供電系統(tǒng)為18千瓦.朝長(zhǎng)公路花園隧道全長(zhǎng)824米,試驗(yàn)工程采用LED太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)將針對(duì)朝長(zhǎng)公路花園隧道照明工程的實(shí)際情況（地理、氣象及負(fù)荷等條件)，在首先保證系統(tǒng)安全、可靠、負(fù)荷能夠滿足正常使用的前提下，使系統(tǒng)各部分的容量設(shè)計(jì)達(dá)到合理配置。通過對(duì)相關(guān)隧道減光設(shè)施的調(diào)研，參照國(guó)內(nèi)減光設(shè)施設(shè)計(jì)理念，依據(jù)公路隧道照明設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)朝長(zhǎng)公路花園隧道依托工程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了加快項(xiàng)目進(jìn)度，在小盤嶺隧道進(jìn)行了實(shí)施。小盤嶺隧道減光及隧道內(nèi)照明效果左圖為小盤嶺隧道減光設(shè)施。方案采用了陽光棚設(shè)置，通過側(cè)面漏光解決洞口亮度漸變。在小盤嶺隧道實(shí)施后，減光效果并不理想，未達(dá)到減光效果.在朝長(zhǎng)公路花園隧道洞口兩側(cè)均為彎道，不適宜進(jìn)行減光系統(tǒng)實(shí)施，因此本試驗(yàn)工程未進(jìn)行減光系統(tǒng)實(shí)施，并參照復(fù)興東路隧道減光段設(shè)計(jì),對(duì)依托工程減光設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，為以后其他工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).太陽能供電系統(tǒng)照片安裝照明系統(tǒng)后的花園隧道依托工程充分利用了LED長(zhǎng)壽命、能耗低的特點(diǎn)，成功地解決了公路隧道照明系統(tǒng)能耗過大,太陽能供電成本較高的問題;較好地采用了項(xiàng)目室內(nèi)試驗(yàn)中積累的太陽能供電系統(tǒng)配置指標(biāo)，解決了實(shí)際工程中公路隧道照明系統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)配置優(yōu)化問題，既保障公路隧道照明質(zhì)量,又降低了工程造價(jià)，對(duì)依托工程起到了良好的支撐作用。通過依托工程的修建，以及對(duì)其一年的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，不僅驗(yàn)證了室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，并且解決了室內(nèi)試驗(yàn)研究成果在實(shí)踐工程中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題，加速了研究成果的轉(zhuǎn)化，完成了項(xiàng)目合同規(guī)定的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。七、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益分析社會(huì)效益在2001年以后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,電力需求以每年超過20％的速度增長(zhǎng),2003年全國(guó)出現(xiàn)電力供應(yīng)嚴(yán)重不足的現(xiàn)象.按照目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)和中國(guó)的資源情況，2010年電力缺口將達(dá)到6%，2020年則會(huì)增加到11%,因此僅僅使用煤電、水電、核電是不夠的，需要由可再生能源如太陽能光伏發(fā)電來補(bǔ)充和緩解，因此光伏發(fā)電越來越引起人們的重視。光伏發(fā)電不僅有投資規(guī)模較小，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低,使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，而且還具有保護(hù)環(huán)境，無污染的特性,因此具有顯著的社會(huì)效益。光伏系統(tǒng)應(yīng)用，更好地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境隨著全球很多地區(qū)氣候變暖，自然頻繁發(fā)生，酸雨范圍越來越廣等現(xiàn)象的出現(xiàn),人們逐漸認(rèn)識(shí)到保護(hù)環(huán)境，防止污染已經(jīng)到了刻不容緩的地步。僅CO2全球每年排放量就超過500億噸，并且在不斷增加。我國(guó)目前能源消費(fèi)只占世界8%-9%，并且利用率不高，以燃煤為主，煤炭所含的硫等有害成分很高。我國(guó)SO2排放量占世界的15.1%,為世界第一；CO2排放量占世界的13.6％，列世界第二。因此備受世界關(guān)注。我國(guó)必須作出巨大努力，來改變這種狀態(tài)，太陽能供電系統(tǒng)的使用對(duì)于減少污染具有重要意義。安裝1kW太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可減少CO2排放量約2。3t?？鄢谏a(chǎn)太陽電池及設(shè)備的過程中所消耗的電力，可至少相當(dāng)于減少CO2排放量1.14kg.依此計(jì)算,本項(xiàng)目17kW太陽能供電系統(tǒng)以每天發(fā)4小時(shí)電計(jì)算，一年發(fā)電2萬千瓦時(shí)，因此可減少CO2排放量近30噸。，公路隧道采用太陽能供電系統(tǒng),能夠有效解決常規(guī)電網(wǎng)存在的局限性,促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)到2005年末還有大約1200萬人口沒有用上電，主要居住在西部地區(qū)，且居住分散，很難用常規(guī)電網(wǎng)解決用電問題，沒有電力供應(yīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用，有效解決了常規(guī)電網(wǎng)很難解決的用電問題，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益.經(jīng)濟(jì)效益公路隧道太陽能照明燈具研發(fā)完成后，將取代公路隧道中常規(guī)照明用100瓦/套的高壓鈉燈.由吉林省交通科學(xué)研究所研制的照明燈具在滿足隧道照度要求下,一套燈具為6W左右。采用自主研發(fā)的照明燈具和智能控制系統(tǒng)，可節(jié)約太陽能供電系統(tǒng)建設(shè)成本140萬元。以本依托工程朝長(zhǎng)公路花園隧道為例，824米隧道采用LED燈按基本段布設(shè)，共布設(shè)燈具812套，總功率近6千瓦,為原設(shè)計(jì)總功率的1/5,因此照明系統(tǒng)總功耗降低80%。根據(jù)花園隧道所在地太陽能資源估算,本照明系統(tǒng)配置太陽光伏供電系統(tǒng)需17kW,以50元/WP計(jì)算，需同樣按基本段照明，若使用高壓鈉燈每12m布設(shè)一套,則需100瓦150套燈具，總功耗為15千瓦，使用太陽能供電系統(tǒng)至少需45千瓦，因此太陽能供電系統(tǒng)相同單價(jià)情況下,需225萬元。因此，LED照明燈具使用減少了太陽能供電系統(tǒng)成本140萬元。采用自主研發(fā)的照明燈具，十年共增加維護(hù)成本110萬元。高壓鈉燈以18個(gè)月全部更換一次計(jì)，十年至少更換六次，每次更換150個(gè)燈泡,每個(gè)120元計(jì)算,則需10萬元。而采用LED燈以12個(gè)月更換一次計(jì)，十年即需更換10次，每次更換812塊點(diǎn)陣，需要12萬元，十年即120萬元，因此采用LED太陽能照明系統(tǒng)維護(hù)較高壓鈉燈要多支出110萬元。公路隧道照明系統(tǒng)采用太陽能供電,十年可節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本120萬元。相對(duì)用電費(fèi)用，原設(shè)計(jì)照明用電是采用附近的農(nóng)電，據(jù)調(diào)查農(nóng)電價(jià)格為1元/度，花園隧道每年用電量為28萬千瓦時(shí)，所需費(fèi)用28萬元，而太陽能光伏系統(tǒng)為自發(fā)電，不發(fā)生此類費(fèi)用，因此每年節(jié)省用電費(fèi)28萬元。太陽能供電系統(tǒng)可使用25年，我們以十年計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)280萬元。扣除每三年更換一次電池需要費(fèi)用70萬元計(jì)算，則可節(jié)約電費(fèi)210萬元采用油機(jī)互補(bǔ)主要彌補(bǔ)太陽能供電系統(tǒng)在天氣不良狀態(tài)下的供電要求，每年至少要5次，以每次十天計(jì)需柴油3m3因此采用太陽能與油機(jī)互補(bǔ)方式供電，扣除油機(jī)發(fā)電成本,十年可節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本120萬元。公路隧道照明系統(tǒng)采用太陽能供電,可節(jié)約建設(shè)成本110萬元.從應(yīng)用成本上來說，為保證隧道照明系統(tǒng)供電，需從當(dāng)?shù)鼐徒‰娊⒐╇娤到y(tǒng)至隧道洞口,具體預(yù)算如下:公路隧道太陽能照明供電系統(tǒng)主要工程數(shù)量表序號(hào)名稱單位常規(guī)供電系統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)數(shù)量費(fèi)用（萬元）數(shù)量費(fèi)用(萬元)1變壓器臺(tái)19.52低壓開關(guān)柜臺(tái)14。53柴油發(fā)電機(jī)組套132。015.04配電系統(tǒng)過電壓保護(hù)器套13.45高壓負(fù)荷開關(guān)組12。66參數(shù)穩(wěn)壓電源套145。013.07EPS電源臺(tái)19。08照明控制柜套117.019優(yōu)化避雷針套14。012。010防雷塔桿套12.410。611接地棒套23.610.412變壓器至低壓柜電纜米204。013低壓柜至照明控制柜電纜米503。0114太陽能電池塊14484.015蓄電池塊11020.016設(shè)備安裝費(fèi)小計(jì):40.025。0小計(jì)變電所安裝總價(jià)：180.0140.0另外10KV線路費(fèi)用：60.0變電所建筑費(fèi)用：20.0110。0合計(jì)：260150萬元由上表可知，常規(guī)照明供電系統(tǒng)變電所設(shè)備總費(fèi)用約180萬元，10kV線路費(fèi)用約60萬元，變電所建筑費(fèi)用近20萬,三項(xiàng)總費(fèi)用為260萬元，不包括場(chǎng)區(qū)征地等相關(guān)費(fèi)用。公路隧道太陽能照明供電系統(tǒng)光伏系統(tǒng)每瓦按50元計(jì),本項(xiàng)目共配置17kW，總造價(jià)為85萬元,蓄電池20萬元，柴油發(fā)電機(jī)等10萬元,安裝費(fèi)25萬元,三項(xiàng)總合計(jì)140萬元。78平方米配電室10萬元，共需150萬元，僅此一項(xiàng)即可節(jié)約110萬元。以上（1）—（2)+（3)+（4）各項(xiàng)合計(jì)，共節(jié)約260萬元.綜上所述，本項(xiàng)目采用太陽能光伏系統(tǒng)自發(fā)電照明，不僅費(fèi)用較低，維護(hù)量小，而且有效地解決了運(yùn)營(yíng)期投入大，照明費(fèi)用養(yǎng)護(hù)部門承擔(dān)不起的問題，一次經(jīng)濟(jì)效益可觀。八、存在的問題與措施建議伴隨著試驗(yàn)工程的修筑，在調(diào)查測(cè)定及長(zhǎng)期系統(tǒng)的觀測(cè)分析中完成了課題的主要研究?jī)?nèi)容，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但是,目前取得的成果只能說是階段性的。項(xiàng)目組通過近一年的觀測(cè)分析,得到的一些研究結(jié)論和成果是初步的，還需要長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際運(yùn)營(yíng)的驗(yàn)證?？v覽項(xiàng)目研究的全過程，總結(jié)課題研究工作，主要存在問題及改進(jìn)措施如下:LED照明燈的衰減問題是未來推廣中主要需要解決的問題，將直接影響應(yīng)用成本;LED照明燈的衰減問題產(chǎn)生主要原因有以下三方面：LED自身性能影響；照明燈具污染;照明電路存在一定缺陷。為解決這些問題，提高公路隧道LED照明燈的使用壽命，首先通過應(yīng)用中不斷試驗(yàn)、觀測(cè)及比選，選擇最適宜公路隧道照明系統(tǒng)應(yīng)用LED產(chǎn)品；然后通過觀測(cè)照度變化,排除其他造成衰減的因素，確定污染造成LED照明亮度衰減周期，進(jìn)行定期清洗；最后通過電路散熱、穩(wěn)流等電路的不斷改進(jìn)，保持LED穩(wěn)定性,提高使用周期.LED管芯結(jié)溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。為解決這一問題，從電路設(shè)計(jì)和布局著手研究，提出合理設(shè)計(jì)方案以促進(jìn)LED保持良好工作狀態(tài)，延長(zhǎng)LED使用壽命;另外，采用智能控制系統(tǒng)控制LED點(diǎn)亮?xí)r間，從而延長(zhǎng)使用時(shí)間。智能控制系統(tǒng)直接影響太陽能供電系統(tǒng)匹配，影響建設(shè)成本；LED照明燈與高壓鈉燈相比，減少公路隧道太陽能照明系統(tǒng)電能損耗近60%,降低了太陽能供電系統(tǒng)成本,但對(duì)于實(shí)現(xiàn)公路隧道太陽能照明系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，需進(jìn)一步降低其使用成本，因此改進(jìn)智能控制系統(tǒng)控制時(shí)間、對(duì)象,與太陽供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、共同控制，將實(shí)現(xiàn)公路隧道照明系統(tǒng)用電成本減少和供電系統(tǒng)成本降低，從而為減少建設(shè)成本奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。公路隧道太陽能照明系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).不同公路等級(jí)LED照明光源適宜的照度值，