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1、太阳能技术在低能耗交通安全设施中的应用研究报 告 简 本1背景和意义公路交通作为基础设施，在西部大开发中仍将是国家的重点建设项目予以优先发展。随着工程建设的推进，公路已进入到自然气候和地质地形条件非常复杂的地区，如在西南部山区弯道多、坡多且陡、多雨、多雾、路面易结冰等；在西北部地区气候干燥、风沙大，冬春季节经常发生沙尘暴等自然灾害；另外，西部地区地域广袤，收费站、服务区相对稀疏，公路沿线供电条件较差。这些特殊条件对交通安全十分不利，这就需要开发一些新型的交通安全设施及时有效的提醒警告驾驶人员采取合理的控制措施，预防交通事故、保障交通安全。现有的交通安全设施主要包括：交通标志、交通标线、视线诱导
2、标（突起路标和轮廓标等）、交通锥、道路反光镜、防撞桶、安全护栏、防眩设施、隔离设施、交通信号灯等；在高等级公路上还有监控设施、照明设施、紧急等。这些设施的性能和功能必须持续有效且相互协调、配合才能充分起到指挥控制、管理规交通的作用，达到安全、舒适、高效的交通目的。但是，目前各种交通标志、突起路标、轮廓标等普遍采用的是按照逆反射原理制成的被动反光型标志（也称逆反射材料），这类设施具有造价低、故障率低、不需要电源等优点，但它需要司机打开远光灯且在材料规定的几何条件（包括入射角和观测角）和良好的气候条件下，才能有较好的警告或诱导效果，当遇到弯道、陡坡或/和雨雪雾等条件时，其功能将大大降低。西部地区公
3、路等级相对较低，总体车况也较差，因此，反光型标志的优越性不能充分发挥，特别是使用一段时间后其反光效果明显变差，不易辨认，导致道路安全系数降低。上述问题的主要改进措施一是沿着原来的技术路线通过技术措施开发性能更高的反光材料；二是采用变无源被动发光为有源主动发光的新技术方案来提高对驾驶员的刺激强度。对于前者，美国、日本以及欧洲的一些机构也开发出了钻石级或水晶级的逆反射材料，在正常气候条件下，取得了较好的效果，但是在气候条件和道路条件差时，视认效果并不明显。对于后者，由于是主动发光，产生的光强和视角明显增大，视认效果明显得到提高，该方案的主要不足是需要能源电力，提供经济的供电方案是解决问题的关键。太
4、阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁环保型能源，利用光电转换技术将太阳能转换为电源已广泛应用于航空航天、气象站、遥测遥感、航道灯塔、铁路信号、通信以及偏远地区、海岛居民的生活供电等领域。我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，太阳能利用条件较好的地方占我国国土面积的2/3以上，、西北和青藏高原更是得天独厚，年平均日照时间2400h3000h以上，年辐射总量在15001800kW.h/m2，是我国重要的太阳能应用基地，为开展新型交通安全设施的研究应用提供了经济方便的能源保障。因此，对太阳能供电方式进行研究，开发适合于太阳能供电的交通安全设施及管理设施具有重要的现实意义和经济意义。本项目除了解决交通安全问题外
5、，对促进公路交通建设领域绿色清洁能源利用、保护环境也具有重要的社会效益。2项目的主要研究容本课题以西部特殊气象条件下，特殊路段公路交通安全设施为主要研究对象，以有效保障西部及其他适用地区道路交通安全、提高通行能力、提升道路管理水平为研究目的，通过对交通安全设施低功耗技术和太阳能光伏发电技术等的研究，提出利用太阳能和主动发光技术增强交通安全设施经济性和有效性的系统解决方案。根据研究预期目标，本课题有4项主要研究容，在研究过程中分为4个专题开展工作。 专题一：太阳能交通安全设施需求分析该专题的具体研究容有：l 西部地区交通安全及设施现状l 西部地区应用太阳能交通安全设施的必要性分析l 太阳能供电技
6、术在交通安全设施中的适用性评价方法l 西部地区太阳能交通安全设施产品需求分析专题二：太阳能交通安全设施低功耗技术研究该专题的具体研究容有：l 太阳能供电系统功耗分析l 交通安全设施分类及功耗研究l 环境条件对储能元件的影响l 环境条件对太阳电池的发电效率影响l 降低功耗提高经济性的技术措施专题三：关键产品开发及标准化研究该专题的具体研究容有：l 太阳能突起路标l 太阳能轮廓标l 太阳能交通标志l 太阳能紧急l 太阳能信号灯l 太阳能警示灯l 太阳能可变标志l 无线窄带视频传输系统l 太阳能产品标准化研究专题四：工程技术及施工养护规研究该专题的具体研究容有：l 太阳能集中供电隧道动态视线诱导系统
7、及同步闪烁控制技术l 道路交通安全综合治理技术l 高速公路外场CCTV供电优化设计技术l 道班太阳能综合利用技术l 太阳能交通设施施工养护规研究3研究技术路线本课题采取的总技术路线是：紧密结合西部公路交通建设和交通部实施的以“消除隐患、珍视生命”为主题的公路安全保障工程，在过去已有研究成果和工程实践经验的基础上，广泛引进消化国外现有成熟技术，采取理论分析研究和实体示工程研究并举，室试验和现场实施相结合的方法，开展针对性的试验和研究，最终研制一批性能稳定可靠、性价比高的太阳能交通安全设施产品，编制太阳能交通安全设施的设置、施工维护规，为工程建设提供整套系统集成技术，为太阳能交通安全设计的施工建设
8、提供专业、高效的技术支持。课题研究的总体思路是：通过专题一的研究明确当前交通安全所面临的主要问题是什么？这些问题中哪些与交通安全设施直接相关？解决这些问题的途径和关键是什么？进而分析利用太阳能供电技术对交通安全设施进行改造、增强性能的技术可行性和经济合理性。专题二是本课题的关键技术，以太阳能供电系统框图为主线，围绕影响功耗的各个环节进行系统的研究，采用分析、试验、综合的研究方法，确定各种环境条件下，太阳能供电系统的合理参数围。专题三主要是专题一中有关产品的实现过程，为工程应用提供物质基础。研究开发的主要技术路线遵循“调研、方案设计、试验研究、草机研制、试验考机、改进、样机研制、试验再改进、工艺
9、化设计、中试、产品化、工程应用”的一般路线。最后在产品研发的基础上进行标准化工作，产品标准编写按照GB/T1.1标准化工作导则进行，形成系列太阳能交通安全产品标准化草案。专题四是前三个专题的综合应用，也是本课题的最终目标。该专题紧密结合当前工程建设实际需要，在前三个专题研究基础上，选择视线诱导、标志信号、外场监控设备供电、养护道班太阳能综合利用等四个领域进行工程集成技术研究，采用的方法主要是调查分析结合理论分析和试验验证对比。在研究和工程验证的基础上完成太阳能交通安全设施的设置、施工维护规草案。本课题研究思路如图3-1所示。明确当前交通安全面临的主要问题分析该问题与交通安全设施的相关性提出解决
10、该问题的主要途径和关键技术专题一研究课题关键技术太阳能系统低功耗技术太阳电池低能耗技术充电控制器低能耗技术逆变器低能耗技术负载低能耗技术专题二研制系列太阳能系统交通安全设施产品编制部分太阳能交通安全设施标准专题三研究工程技术及施工规范太阳能集中供电隧道视线动态诱导及同步闪烁控制技术道路安全综合治理技术交通监控系统外场摄像机太阳能供电系统优化设计技术道班太阳能综合利用技术太阳能交通设施施工养护规范专题四图3-1 课题研究结构图4 国外研究现状分析结论1）太阳能光伏发电系统无论是国外还是国都已是成熟技术，光伏电池和蓄电池都有相应的国家标准或国际标准，已经形成产业，并在国民经济中占有一定的比例，在能
11、源紧缺的现代社会，可再生能源日趋重要。2） 目前国具有自主生产研发光伏电池能力的企业不多，大都以进口晶片国封装为主，市场可供应的产品以单晶硅为主。3） 太阳能交通安全设施的应用研究，我国落后国外不大于5年，应用水平并不低，只是有些产品的制造工艺离先进国家水平还有一定距离，提高太阳能交通安全设施的可靠性是今后国研发的重点。4） 无论是国还是国外，对太阳能交通安全设施的应用都处于试应用阶段，没有形成产业，没有统一的技术标准，产品形状、性能处于百花齐放、百家争鸣状态，产品的耐久性等重要质量指标离实际需求还有较大差距，对交通安全的总体影响、经济效果及发展方向都没有深入研究。5） 目前对于集中供电太阳能
12、交通安全设施和集中供电太阳能交通安全设施低功耗技术的研究还处于空白，本课题对其进行深入的研究具有一定的前瞻性和重要的实际意义。5主要研究成果及工程应用情况本项目通过对太阳能交通安全设施低功耗技术和太阳能集成供电系统优化设计等关键技术的研究，较好地突破了太阳能光伏发电技术应用中“负载功耗要求苛刻、建设投入过大”的瓶颈，提出了利用太阳能和主动发光技术增强交通安全设施经济性和有效性的系统解决方案，实现了“节约、环保”与交通行业“安全、经济、和谐、持久”理念的完美结合，有效地改善了道路交通安全性能、提高了通行能力、提升了道路管理水平。本项目主要创新如下： 太阳能交通安全设施系列产品系统研究了太阳能安全
13、设施低功耗技术和太阳能集中供电优化设计技术，研制开发了包括太阳能组合式突起路标、太阳能组合式轮廓标、太阳能交通标志、太阳能黄闪灯、太阳能信号灯、太阳能紧急、太阳能可变信息标志和太阳能无线交通监控系统，共6种新产品，获得专利授权 8项，并在G109安保工程K35-42示段、思小高速公路等得到实际应用，取得了较好的效果。 隧道太阳能动态视线诱导系统本系统针对常规隧道照明系统建设、运营及养护成本巨大的问题，在保障隧道行车安全的前提下，以节约隧道照明运营成本为目的，采用太阳能集中供电、性能优化匹配和同步闪烁控制技术，整合、优化研制了太阳能安全设施产品，结合隧道的结构特点，通过太阳能统一供电、集中控制，
14、创新性的提出了“进口危险警示、入洞视线动态诱导、出口路况提示”于一体的隧道太阳能视线动态诱导系统，实现了隧道车道线形的动态勾勒，较好地改善了隧道行车安全性能，有效地保障了隧道行车安全。该系统已在G109红隧道、思小路的14条隧道成功应用，取得了良好的经济效益，并将推广应用于道省2条隧道。通过思小高速公路实践和109国道红隧道太阳能动态视线诱导设施实施后近2年的调查跟踪和实际观测，项目组得出如下结论：500米以下的高速公路短隧道和普通公路无照明条件的隧道，用光电诱导设施和适当的隧道口光线优化设计可以替代投资和营运费用巨大的常规供电照明系统，这一点对于象思小路这样的山区高速公路中小隧道群具有重大的
15、经济和安全意义。对于有照明设施的长大隧道，通过加设主动发光光电诱导设施，既可大大降低隧道日常照明营运管理费用，同时使隧道安全性得以保障和提升。图5.1思小路太阳能监控系统 图5.2 红隧道动态视线诱导系统l 太阳能全程监控系统本项目在太阳能交通安全设施低功耗技术研究成果基础上，以获得太阳能供电系统最优工作性能及最低功耗为目标，以系统各组成部分的性能匹配以及外部环境等因素为研究对象，综合利用现有工程技术、理论分析以及试验研究手段确定各参数的最优值，从而改善了太阳能供电系统的经济性和可靠性，提高了太阳能供电系统的实际应用效果。本系统具有以下创新点：1）摆脱了常规供电方式对外场摄像机布设位置的束缚，
16、实现了监控系统应用和功能的拓展。一般而言，高速公路服务区和立交的设置间隔20km以上，而全程监控系统外场摄像机布设距离不超过2km，这在很大程度上限制了外场摄像系统的布设以及监控围的扩展，本系统采用太阳能集中供电方式很好的解决了该问题。2）明显降低了建设、运营和养护成本，取得了可观的经济效益。与常规电网供电的全程监控系统相比，太阳能全程监控系统大大减少了电缆、变压设备及相应管道的铺设工程量，降低了建设成本；而太阳能系统极低的养护和运营成本也极提高了全程监控系统实用型和经济性，为公路交通建设实现“绿色交通、节约型交通”树立了典。3）改善道路交通安全水平，提高道路养护部门工作效率，具有重大社会效益
