CN104079238B - 一种用于隧道入口加强段的太阳能供电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于隧道入口加强段的太阳能供电系统及控制方法，提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统，包括蓄电池组、远程监控终端、多个太阳能板和多个供电模块；每个供电模块包括控制器、继电器、逆变电路和灯具；太阳能板设置在隧道外面，灯具设置在隧道入口加强段处。利用太阳能给隧道入口加强段的灯具进行供电，既满足隧道入口加强段的灯具的供电要求，又具有自动控制、节约能源、不需要人为进行切换的优点。灯具的供电回路既能使用太阳能板直接输出的电能进行供电，也可以使用蓄电池组存储的电能进行供电，且可根据光照的强弱分组、分批次开灯，保持洞内外光照一致。

Description

一种用于隧道入口加强段的太阳能供电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及环保、太阳能再利用领域，尤其涉及用于隧道入口加强段的太阳能供电系统及控制方法。

背景技术

公路隧道是山区公路的重要组成部分，为确保行车安全，通常要求达到一定长度的公路隧道必须安装一定数量的照明灯具。为了节约照明灯具的建设和运行成本，长度为500m以上隧道主洞照明按《公路隧道照明设计规范》（报批稿）分别设置“入口加强段1照明、入口加强段2照明、过渡段1照明、过渡段2照明、中间段照明、出口段1照明及出口段2照明”，并且各路段照明由多路灯具组成，其中入口加强段的照明强度根据洞口外实际光照强度进行调节，开启必要的某几路或某一路灯具，使得在确保行车安全的前提下尽可能节约能源。

目前针对入口加强段的照明系统普遍采用的方法主要有人工方法、定时方法以及根据洞外光照传感器数据自动开启灯光的方法。人工方法即工作人员根据洞口外实际光照强度的强弱，手动开启入口加强段的灯具，该方法需要工作人员进行值守，操作麻烦。定时方法一般按照晴天进行设置“早上开启多路灯具，晚上开启少量灯具”，但碰到阴雨天气时，入口加强段仅需开启少量灯具即可，但是入口加强段的照明系统仍然会按照晴天的标准开启较多灯具，造成能源浪费。这时，为了节约能源，满足隧道入口加强段的灯具的供电要求，需要工作人员手动进行切换，切换至更少灯具的供电模式，操作复杂。根据传感器数据自动开启灯具的方法，需要专门采用光照传感器进行光线强弱的检查，且光照传感器的使用寿命是3-5年，寿命较短，供电系统需要经常更换光照传感器，稳定性不好。上述三种方法的照明系统中灯具的供电电源由市电提供，针对能源利用方面，其没有达到更好的环保节能的效果，现有技术缺乏利用再生能源供电的隧道入口加强段的照明系统。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于，怎样提供一种能够利用太阳能给隧道入口加强段供电的太阳能供电系统，用于解决现有技术中存在的缺乏利用再生能源供电的隧道入口加强段的照明系统的缺陷。

本发明的另一个目的还在于，怎样提供一种不需要人为进行切换，便能满足隧道入口加强段的灯具的供电要求，实现自动控制的太阳能供电控制方法。用于解决现有技术中存在的缺乏一种不需要人为进行切换，便能满足隧道入口加强段的灯具的供电要求，实现自动控制的太阳能供电控制方法的缺陷。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于隧道入口加强段太阳能供电系统，包括蓄电池组、远程监控终端、多个太阳能板和多个供电模块；每个供电模块包括控制器、继电器、逆变电路和灯具；太阳能板设置在隧道外面，灯具设置在隧道入口加强段处；控制器包括充电控制模块、放电控制模块、通信控制模块和智能保护模块；充电控制模块中设有电子开关，太阳能板通过电子开关与蓄电池组相连接；充电控制模块用于控制电子开关断开或闭合，使得太阳能板与蓄电池组的充电回路断开或闭合；充电控制模块还用于在太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；放电控制模块的输入端与蓄电池组的输出端子相连接，放电控制模块的输出端与继电器的控制端相连，继电器的触点端通过逆变器连接至灯具的供电回路中；放电控制模块用于控制继电器断开或闭合，使灯具的供电回路断开或闭合；通信控制模块与放电控制模块相连接，用于将放电控制模块监测到的数据信息发送给远程监控终端；智能保护模块的输入端与放电控制模块相连接，其输出端与继电器的控制端相连，用于在灯具的供电回路出现异常时，控制继电器断开。

一种用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法，由上述用于隧道入口加强段太阳能供电系统运行，包括以下步骤：

1）充电控制模块根据预设的充电模式，控制太阳能板对蓄电池组进行充电；控制器的放电控制模块预设有蓄电池组电压饱和阈值、太阳能板电流供电阈值、蓄电池组电压欠压阈值、太阳能板电流阈值、蓄电池组电压阈值、太阳能板电压阈值、蓄电池组关灯电压阈值、太阳能板关灯电流阈值和蓄电池组电压超欠压阈值；

2）控制器的放电控制模块判断其供电模块中的继电器是否闭合，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤3；

3）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压饱和阈值，如果是，执行步骤12；

4）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流供电阈值，如果是，执行步骤5，否则执行步骤6；

5）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压欠压阈值，如果是，执行步骤12；

6）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流阈值，如果是，执行步骤7，否则，执行步骤14；

7）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压阈值，如果是，执行步骤12；否则，执行步骤14；

8）控制器的放电控制模块判断太阳能板的电压是否小于等于太阳能板电压阈值，如果是，执行步骤13；

9）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组关灯电压阈值，如果是，执行步骤10，否则，执行步骤11；

10）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否小于等于太阳能板关灯电流阈值，如果是，执行步骤13；

11）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组电压超欠压阈值，如果是，执行步骤13，否则，执行步骤14；

12）控制器的放电控制模块输出开启电平给继电器的控制端，控制继电器闭合，开启灯具，执行步骤14；

13）控制器的放电控制模块输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开，关闭灯具；

14）控制器的智能保护模块判断灯具的供电回路出现异常时，输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开；

15）控制器的充电控制模块判断太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；

16）通信控制模块将放电控制模块中监测到的太阳能板的充电电流数据和蓄电池组的电压数据发送给远程监控终端。

作为上述方案的进一步优化，所述蓄电池组电压欠压阈值大于所述蓄电池组电压超欠压阈值；所述太阳能板电流阈值大于所述太阳能板关灯电流阈值；所述蓄电池组电压阈值大于所述蓄电池组关灯电压阈值。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统及控制方法，利用太阳能给隧道入口加强段的灯具进行供电，既满足隧道入口加强段的灯具的供电要求，又具有自动控制、节约能源、不需要人为进行切换的优点。

2、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统及控制方法，灯具的供电回路既能使用太阳能板直接输出的电能进行供电，也可以使用蓄电池组存储的电能进行供电，且可根据光照的强弱分组、分批次开灯，保持洞内外光照一致。

3、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法，开灯的功率和关灯的功率设有回差，避免了灯具频繁执行开灯或关灯操作，延长了灯具的使用寿命。

4、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统采用并行可扩容架构，利用多个小功率控制器并行供电，增强了系统的灵活性，降低了成本，抗故障能力强，后期增加功率方便。

5、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统，控制器采用统一架构，且功能模块可裁剪，综合成本低。

6、本发明提供的用于隧道入口加强段太阳能供电系统，通信控制模块可具备485工业总线、232总线、GPRSDTU、CDMADTU、RJ45等通信功能接口和协议，可根据实际安装现场的通信条件选择适当的通信方式，提供给远端监测系统进行监测。

附图说明

图1为本发明用于隧道入口加强段太阳能供电系统的框图。

图2为本发明用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法中灯具开启和关闭的流程图。

具体实施方式

驾驶员进入隧道洞口时，由于洞内外亮度差异悬殊，驾驶员的眼睛需要经过一定的适应时间才能看清隧道内部的情况。同样，驾驶员在驶出隧道的瞬间也需经过一段时间才能适应内外的明暗变化，即所谓的“黑洞”和“白洞”效应。如果车速较快，“黑洞”及“白洞”效应极易导致驾驶员视功能的降低及反应时间的不足，从而诱发交通事故。因此，隧道入口加强段的灯具的光照强度应根据洞外光照强度进行调整，这样，隧道入口加强段的照明系统能够减小隧道洞内外亮度差异，驾驶员适应洞内外亮度差异的时间较短。隧道入口加强段的灯具的供电要求是：夜间不需要开启隧道入口加强段的灯具，阴天开启少量隧道入口加强段的灯具，晴天开启全部隧道入口加强段的灯具。

由于太阳能板的发电量与隧道入口加强段的光照强度一致，晴天发电量最大，阴天发电量小，夜间不发电，正好可以满足隧道入口加强段各组灯具的供电要求。因此，本发明的用于隧道入口加强段太阳能供电系统，如图1所示，包括蓄电池组、远程监控终端、多个太阳能板和多个供电模块；每个供电模块包括控制器、继电器、逆变电路和灯具；太阳能板设置在隧道外面，灯具设置在隧道入口加强段处；控制器包括充电控制模块、放电控制模块、通信控制模块和智能保护模块；充电控制模块中设有电子开关，太阳能板通过电子开关与蓄电池组相连接；充电控制模块用于控制电子开关断开或闭合，使得太阳能板与蓄电池组的充电回路断开或闭合；充电控制模块还用于在太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；放电控制模块的输入端与蓄电池组的输出端子相连接，放电控制模块的输出端与继电器的控制端相连，继电器的触点端通过逆变器连接至灯具的供电回路中；放电控制模块用于控制继电器断开或闭合，使灯具的供电回路断开或闭合；通信控制模块与放电控制模块相连接，用于将放电控制模块监测到的数据信息发送给远程监控终端；智能保护模块的输入端与放电控制模块相连接，其输出端与继电器的控制端相连，用于在灯具的供电回路出现异常时，控制继电器断开。

具体实施时，多个供电模块采用并联的方式连接，这样，后期增加的供电模块可直接并入前期已有供电模块中，不影响前期的建设成果。通信控制模块集成了485工业总线、232总线、GPRSDTU、CDMADTU、RJ45等通信功能接口和协议，可根据实际安装现场的通信条件选择适当的通信方式，提供给远程监控终端进行监测。控制器的放电控制模块可以对太阳能板与蓄电池组的充电回路的电压电流进行监测，也可以对蓄电池组的电压和剩余电流进行监测，使得远程监控终端能够实时地了解整个太阳能供电系统的工作情况。

本发明中，隧道入口加强段的灯具使用太阳能发电的供电系统，隧道其他地方的基本照明系统使用市电提供电源。太阳能板的个数根据隧道入口加强段的灯具的总功率进行设置，使得系统中太阳能板的总发电功率大于灯具总功率、电路损耗、转换损耗的总和。这样保证了晴天时，太阳能板总的发电功率能够对隧道入口加强段的全部灯具进行供电。本发明利用太阳能给隧道入口段的灯具进行供电，既满足隧道入口段的灯具的供电要求，又能节约能源。且太阳能板的使用寿命一般超过25年，使用寿命较长，使用方便稳定。太阳能供电系统根据太阳能板产生的电能自动控制隧道入口加强段的一个或多个灯具开启，不需要进行人为的控制，隧道入口加强段的灯具便能满足供电要求。

另外，本发明还提供了一种用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法，如图2所示，由上述用于隧道入口加强段太阳能供电系统运行，包括以下步骤：

1）充电控制模块根据预设的充电模式，控制太阳能板对蓄电池组进行充电；控制器的放电控制模块预设有蓄电池组电压饱和阈值、太阳能板电流供电阈值、蓄电池组电压欠压阈值、太阳能板电流阈值、蓄电池组电压阈值、太阳能板电压阈值、蓄电池组关灯电压阈值、太阳能板关灯电流阈值和蓄电池组电压超欠压阈值；

2）控制器的放电控制模块判断其供电模块中的继电器是否闭合，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤3；

3）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压饱和阈值，如果是，执行步骤12；

4）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流供电阈值，如果是，执行步骤5，否则执行步骤6；

5）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压欠压阈值，如果是，执行步骤12；

6）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流阈值，如果是，执行步骤7，否则，执行步骤14；

7）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压阈值，如果是，执行步骤12；否则，执行步骤14；

8）控制器的放电控制模块判断太阳能板的电压是否小于等于太阳能板电压阈值，如果是，执行步骤13；

9）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组关灯电压阈值，如果是，执行步骤10，否则，执行步骤11；

10）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否小于等于太阳能板关灯电流阈值，如果是，执行步骤13；

11）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组电压超欠压阈值，如果是，执行步骤13，否则，执行步骤14；

12）控制器的放电控制模块输出开启电平给继电器的控制端，控制继电器闭合，开启灯具，执行步骤14；

13）控制器的放电控制模块输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开，关闭灯具；

14）控制器的智能保护模块判断灯具的供电回路出现异常时，输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开；

15）控制器的充电控制模块判断太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；

16）通信控制模块将放电控制模块中监测到的太阳能板的充电电流数据和蓄电池组的电压数据发送给远程监控终端。

具体实施时，步骤1中，充电模式包括唤醒、恒流、恒压、脉冲、涓流多种方式。太阳能板对蓄电池组的充电模式的切换采用智能控制，早晨光线不够强时，采用小电流脉冲方式，用于唤醒蓄电池组；当蓄电池组电压较低且光照充足时，采用恒压充电；当蓄电池组电压达到一定程度且光照充足时，采用恒流充电；当蓄电池组电压较饱和时，采用涓流充电，自动进行蓄电池组维护。步骤14中，灯具的供电回路出现异常包括蓄电池组放电电流过大、放电电流过小、放电电压极性接反等情况，这时，应及时断开继电器或者蓄电池组的放电回路，防止出现器件损坏。步骤15中，太阳能板的充电回路出现异常包括太阳能板充电极性接反、太阳能板电压低于蓄电池电压、蓄电池电压高于充电极限电压等情况，这时，应及时断开电子开光或太阳能板的充电回路。

本发明灯具的开启和关闭由太阳能板的发电参数确定，发电参数包括太阳能板的充电电流和电压。步骤3~7为放电控制模块判断其供电模块中的继电器闭合的处理流程，继电器在断开的情况下在以下三种情况下执行闭合操作：1、蓄电池组电压大于蓄电池组电压饱和阈值，即蓄电池组电压已大于饱和状态，说明蓄电池组中存储的电能已足够多。2、太阳能板的充电电流大于太阳能板电流供电阈值，且蓄电池组电压大于蓄电池组电压欠压阈值，即蓄电池组处于不欠压状态，且太阳能板的发电量较大的情况，说明太阳能板的发电量已足够多。3、太阳能板的充电电流大于太阳能板电流阈值，且蓄电池组电压大于蓄电池组电压阈值，即太阳能板的发电量一般，且蓄电池组电压较饱和状态。说明蓄电池组中存储的电能与太阳能板的发电量的总和已足够多。以上三种状态下，认为当前隧道洞外光线较强，太阳能板的发电量和蓄电池组存储的能量的总和能够提供该组灯具消耗的功率。这时放电控制模块可以控制继电器闭合，开启灯具。

步骤8~11为放电控制模块判断其供电模块中的继电器断开的处理流程，继电器在闭合的情况下在以下三种情况下执行断开操作：1、太阳能板的电压小于等于太阳能板电压阈值，说明已进入夜里，太阳能板的发电量不足。2、蓄电池组电压小于等于蓄电池组关灯电压阈值，且太阳能板的充电电流小于等于太阳能板关灯电流阈值，即蓄电池组提供的电能一般，但太阳能板的发电量已经较小的情况。3、蓄电池组电压小于等于蓄电池组电压超欠压阈值，即蓄电池组提供的电能不足的情况。以上三种情况均说明当前隧道洞外的光照强度较弱，太阳能板的发电量和蓄电池组存储的能量的总和已不能持续给该灯具提供足够的功率保持灯具开启。这时放电控制模块可以控制继电器断开，关闭灯具。这样，灯具的供电回路既能使用太阳能板直接输出的电能进行供电，也可以使用蓄电池组存储的电能进行供电，且可根据光照的强弱分组、分批次开灯，保持洞内外光照一致。

另外，太阳能板的充电电流达到一定值，即充电功率达到一定值且足以供给某一组灯具时，控制该灯具对应的继电器闭合，开启该灯具。充电功率更大且在满足当前一组灯具功率的前提下也满足另一组灯具，控制另一组灯具的继电器闭合，开启另一组灯具。

为了避免灯具频繁执行开启或关闭灯具的操作，开启或关闭灯具的功率之间设有回差，所述蓄电池组电压欠压阈值大于所述蓄电池组电压超欠压阈值；所述太阳能板电流阈值大于所述太阳能板关灯电流阈值；所述蓄电池组电压阈值大于所述蓄电池组关灯电压阈值。即如果某灯具已开启，则需要在蓄电池组或太阳能板提供的供电电能适当减少时，才执行关闭灯具的操作。避免了当开启或关闭灯具的功率相同时，灯具会在这一供电功率下，频繁执行开启或关闭灯具的操作，减少灯具的使用寿命。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法，其特征在于，由如下用于隧道入口加强段太阳能供电系统运行，所述用于隧道入口加强段太阳能供电系统，包括蓄电池组、远程监控终端、多个太阳能板和多个供电模块；每个供电模块包括控制器、继电器、逆变电路和灯具；太阳能板设置在隧道外面，灯具设置在隧道入口加强段处；控制器包括充电控制模块、放电控制模块、通信控制模块和智能保护模块；充电控制模块中设有电子开关，太阳能板通过电子开关与蓄电池组相连接；充电控制模块用于控制电子开关断开或闭合，使得太阳能板与蓄电池组的充电回路断开或闭合；充电控制模块还用于在太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；放电控制模块的输入端与蓄电池组的输出端子相连接，放电控制模块的输出端与继电器的控制端相连，继电器的触点端通过逆变器连接至灯具的供电回路中；放电控制模块用于控制继电器断开或闭合，使灯具的供电回路断开或闭合；通信控制模块与放电控制模块相连接，用于将放电控制模块监测到的数据信息发送给远程监控终端；智能保护模块的输入端与放电控制模块相连接，其输出端与继电器的控制端相连，用于在灯具的供电回路出现异常时，控制继电器断开；

该方法包括以下步骤：

1）充电控制模块根据预设的充电模式，控制太阳能板对蓄电池组进行充电；控制器的放电控制模块预设有蓄电池组电压饱和阈值、太阳能板电流供电阈值、蓄电池组电压欠压阈值、太阳能板电流阈值、蓄电池组电压阈值、太阳能板电压阈值、蓄电池组关灯电压阈值、太阳能板关灯电流阈值和蓄电池组电压超欠压阈值；

2）控制器的放电控制模块判断其供电模块中的继电器是否闭合，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤3；

3）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压饱和阈值，如果是，执行步骤12；

4）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流供电阈值，如果是，执行步骤5，否则执行步骤6；

5）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压欠压阈值，如果是，执行步骤12；

6）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否大于太阳能板电流阈值，如果是，执行步骤7，否则，执行步骤14；

7）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否大于蓄电池组电压阈值，如果是，执行步骤12；否则，执行步骤14；

8）控制器的放电控制模块判断太阳能板的电压是否小于等于太阳能板电压阈值，如果是，执行步骤13；

9）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组关灯电压阈值，如果是，执行步骤10，否则，执行步骤11；

10）控制器的放电控制模块判断太阳能板的充电电流是否小于等于太阳能板关灯电流阈值，如果是，执行步骤13；

11）控制器的放电控制模块判断蓄电池组电压是否小于等于蓄电池组电压超欠压阈值，如果是，执行步骤13，否则，执行步骤14；

12）控制器的放电控制模块输出开启电平给继电器的控制端，控制继电器闭合，开启灯具，执行步骤14；

13）控制器的放电控制模块输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开，关闭灯具；

14）控制器的智能保护模块判断灯具的供电回路出现异常时，输出关闭电平给继电器的控制端，控制继电器断开；

15）控制器的充电控制模块判断太阳能板的充电回路出现异常时，断开太阳能板的充电回路；

16）通信控制模块将放电控制模块中监测到的太阳能板的充电电流数据和蓄电池组的电压数据发送给远程监控终端。

2.如权利要求1所述的用于隧道入口加强段太阳能供电控制方法，其特征在于，所述蓄电池组电压欠压阈值大于所述蓄电池组电压超欠压阈值；所述太阳能板电流阈值大于所述太阳能板关灯电流阈值；所述蓄电池组电压阈值大于所述蓄电池组关灯电压阈值。