太阳能混合电源系统

太阳能混合电源系统（精选5篇）

太阳能混合电源系统 篇1

1 分级模糊控制理论概述

模糊控制具有鲁棒性好、不依靠精确对象模型等特点, 最早由Zadeh在1965年提出, 自此之后受到众多研究学者的认可, 并逐步延伸、发展成为一门独立学科, 在生产实际中被广泛应用。模糊控制的难点具体体现在以下两个方面: (1) 在被控对象复杂, 且输入、输出量增多的情况下, 控制规则的数量会以指数级的倍数迅猛增长, 最终导致组合规则爆炸。 (2) 控制效果不仅受控制器性能的直接影响, 而且还受模糊规则制订和隶属函数选择的影响。由于模糊规则和隶属函数选择需要相关专家凭借多年来的经验进行判断, 而人对复杂被控对象的认识和选择往往欠缺准确性、系统性, 从而导致控制器难以保证拥有最优的控制性能, 进而影响控制效果。为此, 许多学者致力于这两方面的研究。比如, 一些学者提出一种最小二乘搜索算法, 它是利用线性搜索替代非线性搜索, 但是, 初始参数的确定过程十分复杂;还有的学者提出将演化计算运用到全模糊优化中, 可以利用多目标优化问题替代模糊线性优化问题, 等等。其中, G.V.S.Rain, J.Zhou等学者提出的分级模糊控制能够解决多变量模糊控制器的降维问题, 特别是在输入量之间缺乏耦合性, 且对输出量影响程度不一致时, 也能够有良好的控制效果。因此, 本文以分级模糊控制为视角, 对风力太阳能混合发电控制系统进行研究。

2 风光混合发电控制系统研究

2.1 分级模糊控制器的特点

相关研究结果表明, FC (常规模糊控制器) 的规则总数与其变量间的关系为指数关系, 而HFC (分级模糊控制器) 的规则总数与其变量间的关系为线性关系。如果非线性系统中存在多个变量时, 通过分级模糊控制可以显著降低系统的总体运算量, 这样便能够有效减小控制器规则库的规模。同时, 为了实现规则总数最小化的目标, 每一级控制器只需要取两个输入变量即可。采用这种方法对非线性系统进行控制, 能够随意增减变量, 无需对规则集中的其他规则进行调整, 从而使模糊规则集的构建更加简单、方便。在通常情况下, 可以选择对整个系统具有最大影响的变量作为首级规则集的系统变量, 对系统影响第二大的变量则可作为二级规则集的系统变量, 以此类推, 利用分级控制器对系统的逐级调整, 能够使系统的总输出接近性能指标, 最终达到平衡。

2.2 控制系统设计

风光混合发电是典型的多变量非线性系统, 为了实现对其的有效控制, 并进一步提高系统运行的稳定性, 文中提出了一种基于分级模糊控制器的控制系统, 下面就此展开详细论述。

2.2.1 首级控制器

大量的理论和实践都表明, 确保系统稳定、可靠运行的关键性因素是直流电压, 为此, 选取直流电压的设定值与系统中实际直流电压的差作为控制系统首级输入, 而输出则为直流电压的等效值Y1, 其去模糊后的精确值为[192, 216, 240]。

2.2.2 次级控制器

当首级控制器的输入和输出确定后, 便可以选取次级控制器的输入变量, 该系统的次级控制器输入可取首级输出Y1与负荷PL, 该级控制器的输出为Y2, 其模糊语言变量集为[零, 小, 较小, 中, 较大, 大], 与之相对应的精确值集合为[0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9]。

2.2.3 三级控制器

在该系统中, 三级控制器的输入变量可取风能输出最大功率Pwm和Y2, 并将风能输出的实际利用率Y3作为输出提供给控制设备, Y3的去模糊精确值集合为[0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0]。

2.2.4 四级控制器

在该系统中, 四级控制器的输入变量为太阳能输入Ppvm, 输出变量为太阳能发电输出的实际利用率Y4, 它的去模糊选择与Y3基本相同。

2.3 控制效果分析

为了进一步验证该控制系统的实际应用效果, 以某风光混合发电机组为研究对象。为了简化过程, 设定风机组为5台15 k W的风力发电机, 太阳电池阵也设定为5组, 每组的峰瓦均为3k W, 选取直流部分的缓冲电容组容量100 F, 利用太阳能发电控制装置可以促使太阳电池发电机组的工作处于最大功率状态, 同时, 也可利用风能发电控制装置促使风力发电机组处于最大功率状态。混合发电控制系统的控制目标必须以确保可再生能源被充分利用为前提, 将其直流母线电压值控制在192~240 V的范围内, 并对直流端电压的期望工作值进行定义, 即电压值为 (216±8) V。

在部分时间内, 负载功率有时会大于太阳能和风能输出的总功率, 有时会远远小于太阳能和风能输出的总功率, 如果不及时控制此类现象, 就会导致电流母线的电压值出现较大波动, 影响混合发电控制系统运行的稳定性。当负载功率小于可再生能源输出的最大功率时, 负载功率所耗费的能源可由可再生能源提供, 即负载功率基本相等于可再生能源输出的实际功率;当负载功率大于可再生能源输出的最大功率时, 可再生能源提供的功率与风力、太阳能提供的最大输出功率相同, 也就是说, 实现了可再生能源地充分利用。采用文中提出的分级模糊控制系统, 可将混合发电系统直流部分的电压控制在 (216±8) V这一范围内。由此可见, 通过分级模糊控制, 可以使混合发电系统达到预期效果。

3 结束语

综上所述, 在风力发电机和太阳电池无法满足负荷要求的情况下, 可以转换为电网和太阳电池提供能源, 使风力太阳能混合发电控制系统的直流母线电压始终保持在195 V。当直流电压超过240 V时, 可以自动切断太阳能发电装置和风力发电机的输出, 待电压恢复到220 V以下时再向供电设备输出电能。所以, 在风力太阳能混合发电控制系统中运用分级模糊控制, 能够逐步接近目标函数, 取得良好的控制效果。

参考文献

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[2]金绍鹏.对具有最大功率点跟踪控制的混合发电系统的研究[J].科技与企业, 2013 (10) .

[3]李冲.储能技术在独立风光互补发电系统中的应用及展望[J].南京工程学院学报, 2011 (12) .

[4]邢作霞.现代控制技术在风力发电控制系统中的应用[J].华北电力技术, 2011 (7) .

太阳能混合电源系统 篇2

不间断电源是一种在主供电电源失电或异常时能够提供持续电能供应的电源,在实时性很强、对电能质量要求较高的用电场合具有重要的实用价值。但早期的技术方案存在耗能高、对电网谐波污染大、断电后持续工作时间有限等问题[1,2,3]。随着可再生能源发电技术的发展,将其与传统电能变换技术相结合,在获得系统优良控制性能的同时,还可以起到显著的节能作用[4,5]。太阳能发电在各种可再生能源发电技术中因其优良的清洁特性而具有广泛的发展前景[4,5,6,7]。而将太阳能发电与不间断逆变电源相结合的混合式发电技术,不仅能够起到节能作用,还能够延长电网失电后的运行时间,成为当前的研究热点。现有混合式供电技术主要有3种方案。

a.方案1:太阳能电池和蓄电池联合供电[8]。

b.方案2:太阳能电池为蓄电池充电,再由电网和蓄电池共同为负载供电[9]。

c.方案3:太阳能电池、电网和蓄电池通过交流母线连接后共同为负载供电[10]。

方案1由于受光照、环境等因素的影响,电能的持续输出难以保证,只适合于负载恒定、功率较小的场合。方案2能够长期输出稳定电能,但是没有考虑太阳能的最大化利用问题,在蓄电池充满电后,太阳能电池处于开路或弱发电状态,系统总体效率没有达到最优。方案3能够保证系统的长期运行,但是由于各个发电源基于交流母线并联,需要增加直流-交流逆变器以及相应的同步均流算法,系统复杂,成本较高,同时由于输出电压相角、幅值等误差产生的环流使系统效率降低,可靠性下降。

本文将PWM整流技术以及太阳能发电技术用于不间断电源,采用共用直流母线实现能量耦合,无需复杂的同步均流并联技术;通过对网侧电能、光伏电能以及蓄电池的电能进行协调控制,在实现不间断电源的长期持续运行的同时还可以将多余电能回馈到电网,以达到充分利用太阳能、提高系统运行效率的目的。网侧输入端采用PWM控制技术还可以实现网侧输入电流正弦化运行[11],最大限度地降低对电网的谐波污染。

1 逆变电源系统结构及电能协调控制策略

所提出的电网功率可控型太阳能电池-电网-蓄电池混合供电不间断逆变电源的系统结构如图1所示,各个模块通过直流母线连接进行电能的传递。输入侧的PWM整流器用于控制电网功率、输入电流波形以及网侧功率因数;升压电路用于控制太阳能电池的输出功率并具有最大功率跟踪功能;储能电容用于缓冲直流母线的电能;充放电控制模块用于蓄电池的充放电控制;能量管理模块用于整个系统的电能协调管理与控制。

电能协调控制策略的流程图如图2所示。下面对电网正常和电网异常2种情况进行分析。

1.1 电网正常

电网正常时的稳态功率模型为

其中,Ppv为太阳能电池输出功率;Pgrid为电网输出功率,当电网提供电能时大于零,回馈电能时小于零;Pbt为蓄电池输出电能,处于充电模式时大于零,处于放电模式时小于零;Pload为负载消耗的功率。

电网正常时的控制原则是,太阳能电池处于最大功率输出模式,PWM整流器工作于直流电压恒定控制模式,若蓄电池电压低于充电允许值,则充放电控制电路工作于充电模式,充电完成后,停止工作,不输出电能。

下面分析电能流动过程。

光线不足时,即Ppv0,此时电网向系统提供电能,由于PWM整流器工作于直流电压恒定控制模式,其输入电流与输入功率成正比[9]。

光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pbt+Pload,则有Pgrid<0,此时系统向电网回馈电能,同时保持直流电压恒定。在整个过程中,太阳能电池始终处于最大功率输出模式,进而充分利用了太阳能。

1.2 电网异常

电网异常时PWM整流器停止工作,由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电,其稳态功率模型为

光线不足时,即Ppv

光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pload,同样由式(2)可知,Pbt>0,即允许对蓄电池进行充电,若蓄电池未充满,则太阳能电池仍然工作于最大功率输出模式,充放电控制电路在对蓄电池进行充电的同时,保持直流母线电压恒定。若蓄电池已充满,则充放电控制电路停止工作,Pbt=0,多余电能将存储在储能电容中,此时的动态功率模型为

其中,CSE为储能电容值;UDC为直流电压正常工作值;uDC(t)为直流电压瞬时值。

由式(3)可知,直流电压uDC(t)将上升,设定略高于直流电压正常工作值的直流电压限定值,若直流电压达到直流电压限定值,升压电路工作于直流电压限压控制模式,此时太阳能电池的实际输出功率Ppv1为

Ppv1将小于最大输出功率。通过这种方式,可以解决在蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的电能耦合以及蓄电池的投入与退出的控制问题。

2 各模块的控制策略

根据上述电能协调控制策略对各个模块的功能要求,各个模块采用了下述相应的控制策略。PWM整流器的结构原理图如图3所示。采用直流电压外环、输入电流内环的双闭环控制结构[12]。

输入电流内环采用电流前馈解耦电压定向矢量控制VOC(Voltage Oriented Control)策略,控制器的表达式为

其中,Kd P、Kd I、Kq P、Kq I分别为d、q轴电流调节器比例、积分系数;Ud*、Uq*为逆变电压d、q轴分量给定值;id*、id、iq*、iq为网侧电流d、q轴分量的给定值与实际值;ω为电网角频率。这样d、q轴电流可以实现解耦独立控制。

直流电压外环用于直流母线电压恒定控制,采用PI调节方式,调节器输出作为q轴电流给定,d轴电流给定为零,以实现单位功率因数运行。在电网输出电能时,q轴电流为正值,而向电网馈入电能时,q轴电流为负值,这样在保持直流电压恒定的同时,能够实现电能的自动双向流动。

升压电路原理图如图4所示,包括采用电导增量法的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制[13]和采用PI调节器的直流电压限压控制2种模式,直流电压限定值略大于直流电压正常工作值,用于在电网异常且太阳能电池发电功率大于负载功率时保持直流电压稳定,以保证系统可靠运行。本文采用2路控制器的占空比加和的方式来获得最终的占空比,在直流电压低于限定值时,直流电压环输出值为零,功率器件的占空比等于最大功率点跟踪控制环的输出,在直流电压达到限定值时,占空比的值为2个控制环的和dsum,由于直流电压控制环的输出占空比值为负值,因此直流电压瞬时变化越高,则dsum越小,进而可以实现太阳能电池输出功率的控制。该方案与传统设置滞环控制器的方法[6]相比,可以实现2种模式的柔性切换,并减小直流电压的波动。

充放电控制电路原理图如图5所示,采用双向变换器结构,有升压和降压2种工作模式,降压模式用于实现蓄电池的充电控制,采用先恒流后恒压的控制方式[14]。升压模式用于对蓄电池输出功率进行控制,通过采用直流电压恒定控制来实现。根据当前直流电压值、电网是否正常和蓄电池的电压来决定充放电控制电路的工作模式。

直流-交流逆变电路采用三相结构,采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环电压定向矢量控制策略,以产生对称的三相输出交流电压[15]。

能量管理模块接收PWM整流器传送的电网状态信号,以及升压电路、充放电控制电路和输出侧的直流-交流逆变电路的状态,并采用图2的协调控制策略,向各个模块发出相应的控制命令。

3 系统性能仿真

根据所提出的逆变电源系统及电能协调控制策略,采用PSIM仿真软件根据图1搭建了仿真模型,对其性能进行仿真。仿真参数为:系统额定功率10 k W,电网输入电压为三相380 V,直流电压正常工作值600 V,限定值620 V,输出电压为三相380 V,频率50Hz。为分析方便,系统带动三相额定对称电阻负载。

下面首先分析电网正常时的系统工作情况。在初始时刻,太阳能电池输出功率为零,此时完全由电网提供电能;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由电网和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时太阳能电池的发电电能一部分向负载供电,另一部分回馈到电网。仿真结果如图6所示,由图可见,网侧输入电流为正弦波形,谐波含量较低,其幅值随着供电功率的变化而变化,各个模块的输出功率随着太阳能电池的变化而变化,在0.35 s之后,网侧电流相位与电网电压相位相反,电能回馈到电网。在整个变化过程中,直流电压处于给定值,其误差小于0.25%。在整个过程中,输出电压、电流为正弦波形,幅值保持恒定。

下面分析蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的控制性能,以模拟电网异常的情况。直流电压正常工作给定值为600 V,限定值给定为620 V。在初始时刻太阳能电池不输出电能,负载由蓄电池单独供电;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时升压电路工作于限压控制模式,太阳能电池发出一部分电能。仿真结果如图7所示,由图可见,各个模块很好地跟随功率的变化,直流电压保持平稳,在0.35 s之后,升压电路工作于限压模式,直流电压维持在限定值。

4 实验验证

搭建了小功率实验平台,参数如下:三相交流输入相电压50 V,直流母线电压150 V,三相输出相电压48 V,频率50 Hz。带动三相对称阻性负载,阻值为15Ω,太阳能电池采用可调直流电压源串联电阻的方式模拟。图8为电网和太阳能电池共同供电时的稳态实验波形,由图可知,输入电流为正弦波形,输出电压幅值恒定,具有较好的正弦性。

图9给出了突变太阳能电池输出功率时的直流电压和网侧输入电流波形,由图可知,在太阳能电池功率突增时,直流电压上升,网侧电流下降,电网输出功率下降;太阳能电池功率突减时,直流电压下降,网侧电流上升,电网输出功率上升。2种情况下均最终使直流电压保持平稳。

5 结论

太阳能蓄电池混合电力调节器开发 篇3

本开发一方面以夜间电力的巧妙利用补偿了成本上升的缺点, 还构筑了对系统的设置及电力公司有益的太阳能蓄电池混合系统, 后者的基本性能已做验证, 下面向读者介绍。

1 太阳能蓄电池混合电力调节系统

1) 系统的使用优点:该系统为太阳能、夜间电力蓄电功能兼备的电力调节系统。一方面, 最大限度地利用太阳能发电电力, 另外将夜间电力提供给白天电力用户。在天晴时, 在用户消费电力中把太阳能发电的剩余电力份额逆潮流发往配电系统, 而用户从电力公司能得到逆潮流电力出售的电费;当阴雨天气, 不能对太阳能发电电力有所期待时, 用户的消费电力基本是夜间电力供给。还有, 对电力公司, 有望受惠于昼夜间电力平衡化。通过本系统的使用, 将用户的电费降低与昼夜间电力平衡化兼顾, 故对用户和电力公司皆有益处。

2) 系统的构成:系统的构成如图1所示。

本系统由额定容量5 kW的系统连接变频器、3 kW的日光发电电压升压交流变换器 (CHOP) 、2 kW的夜间电力充放电用的变换器 (BC2) 、1 kW的太阳能发电电力用于抑制输出变动的变换器 (BC1) 、机械式开关 (SW1) 及受电电力监视系统构成。

受电电力监视系统具有系统连接保护功能、逆潮流监视功能、受电电力计测功能及数据通信功能。其中, 计测需要家 (用户) 消费电力及逆潮流电力;还提供涉及各变换器的买电最小控制及BC2运转/停止控制等总的管理信息。

本系统的特点是将太阳能发电电力输出变动抑制用蓄电装置 (Batt1) 和夜间电力有效蓄电装置 (Batt2) 分离而有两个蓄电系统;而且, 就两个蓄电系统而言, 均采用高性能、寿命长的锂聚合物电池。

3) 系统运行形态:通常, 对夜间电力进行蓄电的系统, 在白天电费时间带中, 不能将夜间电力逆潮流反送。但对本系统而言, 当太阳能发电电力大于用户消费电力时, 仅太阳能发电的剩余电力可以逆潮流反送。此时, 受电电力监视系统利用其逆潮流继电器动作, 使BC2停止的同时, 还打开SW1;因此, 从BC2无放电电力, 作为有逆潮流的太阳能发电电力系统能够运用。一方面, 太阳能发电电力小于用户消费电力时, 既以受电电力监视系统监视受电电力, 还进行用户的受电电力 (买电) 的最小控制。

利用这样的系统, 使太阳能发电电力系统与夜间电力得到最大效能的运用。

还有, 运用锂聚合物电池可进行电池元件电压均等化的充电控制及实现各种保护功能, 提高了产品的安全性。

2 高效率DC/DC变换器的开发

由于近年来半导体装置性能的提高, 提高开关速度是发展趋势;但在装置切换时, 最易产生切换损耗。尤其飞轮二极管 (FWD) 的逆恢复期间发生的损耗仍然较大。

本次开发的柔软切换方式, 没有采用辅助回路, 而是利用境界型柔软切换控制来实现的。

如图2所示的DC/DC变换器基本回路中, 让输入电流i1in～i3in在不连续型与连续型的边界附近动作;为此, 电感值L及利用通过高速选样捡出的输入输出电压值Vin、Vout, 运算由于FPGA而产生半导体开关 (SW) 的开、关时间并控制。

在二极管完全逆恢复后, 使开关闭合、打开切换, 结果实现了零电流切换。闭合及打开时发生的损耗从原理上计算应为零。当闭合及打开切换时, 因切换装置的浮游电容而形成零电压切换, 不发生损耗。变换器的效率, 在升压动作时达97.8%, 而在降压动作时达98.5%。

3 系统规格及试验

在太阳能发电电力小的朝、夕时刻, 利用太阳能发电电力与夜间蓄电电力 (下称“夜间充电电力”) 对用户负荷供给电力。在此期间, 利用基于受电电力监视系统指令值买电最小控制 (按本文验证约500 W) 的进行, 在向系统不能逆潮流的范围, 有效利用夜间充电电力。

从10点钟左右开始, 太阳能发电消耗电力负荷较大, 但逆潮流中RPR动作, 利用其动作信号使BC2停止的同时, 由于SW1进行“开”动作, 变成非夜间充电电力逆潮流的情况。

就夜间时间带23:00～7:00而言, 由系统供给负荷电力, 同时, 也往夜间电力有效利用蓄电系统装置充电。还有, 关于利用太阳能发电电力出力变动控制用蓄电装置的充放电动作而负荷平衡化的效果, 在此不再赘述。

混合式电力调节器装置的规格见表1。

4 结语

太阳能蓄电池混合电力调节器系统已经开发, 使用本系统可有效利用太阳能发电电力与夜间电力。对电力公司而言, 由于夜间电力消费量的增大而负荷平衡化;对用户来讲则期待电费降低。

太阳能混合电源系统 篇4

该装置的主发电装置为混合式垂直轴流式涡轮机, 其内测的叶片上装备了太阳能电池。太阳能电池发出的电能在风力发电轮机转速较低时可以增强其转速, 也可直接输出到储能装置或并网外送。

据称, 该发电装置的多项参数优于国际同类产品, 风力发电加太阳能发电使得其发电效率超过现有风力发电装置15-20%。此外, 由于内部结构简单, 发生故障时很容易修理。

太阳能混合电源系统 篇5

关键词：公路隧道,混合照明,太阳能,电能

我国公路交通事业发展迅猛,公路隧道数量日趋庞大,公路隧道照明问题日益突出,直接影响到公路隧道的运营安全,同时也和经济效益密切相关。采用科学合理的照明方式不仅需要满足隧道正常照明,还要具有一定的低碳、节能性能,节约隧道运营费用。

太阳能是一种绿色能源,取之不尽,用之不竭,国内外在太阳能利用方面已经开展了一定的应用研究。利用光的反射原理将太阳光汇聚后直接引入隧道内照明,不仅可以加强隧道洞口段照明、有效解决隧道照明的“黑洞效应”和“白洞效应”,解决隧道洞口段照明亮度和均匀度不足的问题,而且能极大地节约电能。欧洲和美国在地铁隧道和高速公路隧道中已经采用光纤照明代替常规灯具,并达到了预想的效果,但是光纤照明初次投入比常规的高压钠灯要大1倍以上。

1 隧道照明的特点与要求

由于隧道特殊的构造,隧道照明不同于一般的道路照明,当驾驶员在白昼驶入或驶出隧道时,会分别由“黑洞效应”和“白洞效应”现象引起不良的视觉效应,即由亮环境至暗环境或由暗环境至亮环境所产生的滞后现象。人眼视觉能适应小于0.1 Lx的星光视场,也能适应大于100 000 Lx的正午太阳照射下的视场,但是在同一时间内,人眼能适应的照度范围最多只有1 000倍[1,2]。因此,人眼需要一定的时间适应不同的照度等级,以恢复对路面状况的识别,从而防止事故的发生。一般将隧道照明划分为入口段、过渡段、中间段和出口段4个部分,入口段、过渡段和出口段应具有消除“黑洞效应”和“白洞效应”现象的功能,因此在入口段、过渡段和出口段除基本照明外还应加强照明,保证人眼从洞外到洞内或从洞内到洞外的逐渐适应。车辆在中间段时,人眼已经能够适应隧道内照明环境,因此在中间段设置基本照明就可以满足人眼适应要求。综上所述,隧道照明关键是要解决隧道洞口段的照明问题。

2 目前隧道照明存在的问题

根据文献[4]和文献[5],长度超过100 m的隧道均应安装照明系统,但是作者根据陕西凤永、柞小、小康、商漫、宝牛等高速公路隧道照明运营调查,发现大部分隧道照明仍存在以下问题:

(1)目前隧道洞口外亮度设计值与实际测量值相差太大。目前隧道洞口外亮度设计一般取值3 000 cd/m2[5],但是实际洞口外亮度在晴天实测值会达到4 000 cd/m2～7 000 cd/m2,远远大于设计值,这就造成隧道洞口段亮度与洞口外亮度相差太大,驾驶员视觉无法适应,影响行车安全。

(2)照明费用太高。例如小康高速公路(线路总长58.6 km)前期运营阶段按设计要求开启照明灯具,照明费用高达390万元/月,现阶段降低照明要求后照明费用也达60万元/月;西汉高速公路户洋段(隧道单洞长累计103 km)每年仅隧道照明用电一项费用高达4 000万以上,因此能够达到或者实施设计方案的隧道很少,这就使得隧道洞内照度不足、照明总均匀度与纵向均匀度较差,从而造成隧道照明的“黑洞效应”和“白洞效应”,影响行车安全。

(3)由于隧道照明费用太高,大部分隧道只开启一半的照明灯具,有的只开1/4或更少,从而导致照度不足,安全成问题。隧道照明设计中提出或给出了照明控制分为夏季、冬季、白天、夜晚、晴天、阴天6种方式,但是能够达到或者实施该方案的隧道很少,造成夏季、白天、晴天照度不足,而冬季、夜晚和阴天照度过大,影响隧道行车安全,同时浪费能源,提高了运营成本。

3 太阳光、电能混合照明的工作原理

太阳光、电能混合照明系统主要由太阳光跟踪和汇聚系统、太阳光镜面反射系统和电能照明系统组成。其工作原理是太阳光跟踪和汇聚系统根据太阳运动轨迹将太阳光汇聚后反射到隧道拱顶范围内,安装在隧道拱顶的镜面反射系统将太阳光反射至隧道路面,为隧道洞口段提供加强照明,在隧道洞内中间段部分则采用电能照明。在当隧道洞外光线较暗、夜间或隧道发生紧急情况时,开启隧道电能照明,保证隧道正常运营安全。隧道太阳光电混合照明系统工作原理见图1。

由于太阳光、电能混合照明技术引进太阳光解决隧道洞口段照明与设计值相差悬殊、均匀度不佳等问题,隧道洞口段亮度可以根据洞外亮度进行自动调节,可以使隧道洞口段亮度在夏季、冬季、白天、夜晚、晴天、阴天6种情况下与洞外亮度平稳过渡,确保行车安全。

3.1 太阳光跟踪和汇聚系统

太阳光跟踪和汇聚系统是跟踪太阳运动轨迹并将太阳光反射汇聚到固定位置的聚光系统。目前太阳光跟踪和汇聚系统大致分为采用双轴跟踪方式的传统定日镜和采用单轴跟踪方式的极轴式定日镜[8]。前者分别利用与地球自转轴平行的赤经轴和位于赤道平行平面内的赤纬轴相互垂直旋转跟踪太阳,使太阳光始终照射在随两轴旋转的平面镜上,并经其反射至所需的照明场所。虽然这种跟踪装置在跟踪过程中镜面法线在时刻变化,但反射光的方式却不会改变。极轴式定日镜只需单轴转动跟踪太阳时角,由于太阳赤纬角的日变化量很小(约0.4°),只需定期调整即可,它克服了传统定日镜跟踪装置结构复杂、造价高的缺点,比如美国明尼达大学的C/ME大楼,就采用极轴式定日镜跟踪太阳光,并将太阳光成功导入室内空间和33.5 m深处的地下大厦。该工程采用了10个定日镜和1套光导系统,每面定日镜约有1.5 m2的椭圆形太阳反射面,其反射效率可达80%。

3.2 太阳光镜面反射系统

隧道太阳光镜面反射系统就是利用光的反射原理,将洞外反射到洞内拱顶的太阳光反射到路面,增强隧道照明。

隧道太阳光镜面反射系统有2种布置方式,一种布置方式就是镜面与路面平行(见图2),另外一种布置方式就是镜面环绕着隧道内壁(见图3)。前一种布置方式设计、安装简单,后一种布置方式比前一种布置方式其反射面积较大,提高了太阳光的利用效率。

4 太阳光、电能混合照明技术的可行性分析

以某高速公路隧道为例,对其采用太阳光、电能混合照明技术进行可行性分析。该隧道为单向车道,进出口纵断面为直线形,其出入口地形较为平坦,隧道总长为1 500 m,建筑限界高度5.2 m,路面宽度9.5 m。

整个隧道内共分为入口段、过渡段、中间段和出口段4个照明区间,根据文献[3]中入口段亮度计算公式Lth=k·L20(S)(k为入口段亮度折减系数,L20为洞外亮度),洞外实测亮度6 500 cd/m2,可求得入口段设计亮度为162.5 cd/m2,长度为100 m;过渡段Ⅰ设计亮度为48.75 cd/m2,长度72 m;过渡段Ⅱ设计亮度为16.25 cd/m2,长度89 m;过渡段Ⅲ设计亮度为5.69 cd/m2,长度为133 m;中间段亮度为3.6 cd/m2,长度为1 179 m;出口段亮度为18.0 cd/m2,长度为60 m。各区段路面亮度总均匀度不得小于0.4,亮度纵向均匀度不得小于0.5。

4.1 入口段和出口段的太阳光、电能混合照明设计思路

由于入口段和出口段距离洞口最近,因此,它们具有利用太阳光照明的最佳条件。根据设计要求可知,入口段和出口段具有相对较高的照明标准。因此,应根据太阳光汇聚效率、反射效率、施工工艺等来确定太阳光汇聚系统和镜面反射系统镜子的数量、位置等参数,同时根据太阳光照明亮度来确定电能照明灯具的数量和布置方式。

如何在满足隧道照明标准的前提下,达到良好的照度均匀度,是保证照明质量的关键。一般来说,在隧道照明中,其路面均匀度的优劣主要取决于灯具的配光和安装方式,灯具间距过大,往往是降低均匀度的主要因素。而太阳光照明不仅避免了常规灯具所难以克服的间距影响,而且可以通过调节平面镜角度来调整光通量的分布,使路面具有良好的照度均匀度。

4.2 过渡段太阳光、电能混合照明设计思路

过渡段Ⅰ和过渡段Ⅱ对照明要求较高,过渡段Ⅲ照明要求开始降低。因此,过渡段Ⅰ和过渡段Ⅱ设计思路与入口段设计思路基本一致,在满足基本照明的前提下利用太阳光照明,隧道内拱顶镜面反射数量和位置与入口段有所不同,根据现场情况进行调整。过渡段Ⅲ一方面对亮度要求已经比入口段和过渡段Ⅰ和过渡段Ⅱ降低很多,另外一方面距离洞口位置已经较远(261 m),因此过渡段Ⅲ适当设置太阳光照明,增加电能照明,根据实际情况可以以电能照明为主。

4.3 中间段太阳光、电能混合照明设计思路

中间段距洞口较远,太阳光反射到隧道拱顶效率较低,难以满足隧道照明要求,且中间段对亮度要求不高,所以对于中间段,如果采用太阳光照明一方面需要大量增加设备,另外一方面由于中间段长度过大,使用太阳光照明效果较差,所中间段根据照明要求全段采用电能照明。

5 结语

太阳光照明在很多方面已经得到有效利用,但是在隧道照明中的应用还有待开发。尤其是在能源短缺、环境污染严重而近年来国家大力鼓励和倡导发展绿色能源的环境下,太阳能取之不尽、用之不竭、绿色环保的特点使其成为最好的能源,因此,如何降低成本,提高效益,将太阳光引入隧道解决隧洞照明问题,应是目前研究的重点。本文结合隧道照明的特点及规范要求,并以实际隧道为例,分析了太阳光与电能混合照明技术的可行性。

参考文献

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