公路隧道太阳能照明的研究

2023-02-19

当今社会, 节能与环保是人们最为关注的两大问题。在传统能源不断枯竭, 以及它们所带来污染的同时, 寻求一种可再生的环保的新能源是迫不及待的任务, 而太阳能正是在这种背景下应运而生。随着经济的快速发展, 我们对用电量也在不断的提高, 太阳能发电将会在未来对用电紧张的状况得以缓解。目前, 正在推广及使用的太阳能照明就是解决这一状况的主要途径。在公路隧道的照明中, 如果引用这种太阳能LED照明, 并通过上位机进行远程监控, 这将会降低整个工程的运营成本、减少交通事故等。

1 公路隧道照明的背景

随着我国经济的飞速发展, 公路隧道数量与质量都在不断的提升。但是, 在诸多交通事故当中, 隧道事故仍占很大的比例。白天, 当司机接近并穿过隧道的时候, 视觉上会经历明亮—黑暗—明亮的变化过程, 这会对司机造成生理和心理的上的压力, 极易发生交通事故。为了消除这种黑洞效应, 加强行车安全, 我国在2000年6月开始实行国家行业标准《公路隧道通风照明设计规范》, 标准规定, 长度大于100m的公路隧道必须设置照明系统。

2 太阳能LED照明的特性

目前, 在一些西部和偏远山区, 由于电力供应困难, 致使隧道照明得不到保证。因此, 我们可以采用太阳能光伏发电, 来提供照明和控制所需的电量。它不受资源分布和地域的限制, 具有安全可靠、无污染、能源质量高、费用少、维护简单、不需要铺设电缆等特点。

为了达到节能的目的, LED是照明灯具的首选。因为LED有以下特点: (1) 寿命长, LED灯的理论寿命可长达10万小时。目前, 国外的产业化的LED灯寿命在3～5万小时。 (2) 由于LED灯的特性是直流低压, 而太阳能组件输出与蓄电池所储存的都是直流电压, 故省去了交直流转换的逆变器, 节约了成本。 (3) LED灯的发光效率高, 理论上分析, 它的转换率可达到100%, 是荧光灯的两倍, 比白炽灯高10倍。 (4) 除此之外, 它还有可靠稳定、环保等特点。

太阳能光伏发电系统与LED结合的照明系统将成为照明节能的新途径。将太阳能电池板、蓄电池、控制器和白光LED集成到一起形成一个照明综合系统具有重要的应用价值。从技术实现上来说, 由于LED具有驱动电压低的优点, 因而适合于用太阳能电池作为驱动。图1为太阳能LED照明子系统。

3 照明系统的控制方式

随着科学的发展, 对于照明系统的控制也不单单局限于集中控制, 因为这种控制系统有致命的弱点。整个系统是由中央计算机进行管理的, 首先通过光亮度仪检测隧道内外的亮度值, 并把这些检测值传送到PLC, PLC可以自动的控制各个路段口的亮度。另外, 也可以把这些检测值传送到中心计算机, 由它来调节各路段的亮度值。可以看出这种控制方式完全依赖于中央计算机, 一旦停电或中控机发生故障, 整个照明系统将陷入瘫痪, 这将造成交通事故。此外, 这种控制需要铺设很长的线路, 在恶劣的环境下, 容易产生干扰, 降低性能, 而且费用也很高, 因此可采用另一种控制方式—基于现场总线的分布式控制。

现场总线是指安装在生产过程区域的现场设备和仪表与控制室内的自动控制装置和系统之间数字式、串行、多点、双向通信的数据总线。它有以下主要特点: (1) 全数字化通信; (2) 开放性、互操作性与互换性; (3) 现场设备的智能化与功能自治性; (4) 彻底的分散控制; (5) 对现场环境的适应性。目前, 比较流行的现场总线有: (1) FF现场总线; (2) Profibus现场总线; (3) LonWorks现场总线; (4) CAN现场总线; (5) DeviceNet现场总线。基于这些现场总线的分布式控制系统的好处在于各部分相对独立, 某部分出现故障并不会影响其他部分, 系统仍然可以运行。目前, 国内的公路监控系统主要是基于现场总线的Lonworks系列、DacNet系列等。而在本文中, 我们选择CAN总线, 因为它与一般的总线相比, 在抗干扰性方面比其它总线要好, 且具有较好的检错效果, 同时它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

本文照明控制子系统结构如图2所示。首先, 通过各类传感器 (如车流传感器, 亮度传感器等) 检测各类信号。然后把检测到的信号作A/D转换, 再通过CAN总线传输给微处理器处理。最后, 微处理器将转换后的信号值和上位PC机预设参数值进行比较处理, 根据处理结果向照明系统中的继电器发出命令, 通过继电器控制各区段LED亮灭的数量来控制区段的亮度。