“光纖式太陽光照明系統(tǒng)”的概念及其發(fā)展

摘 要：光纖式太陽光導入照明系統(tǒng)是一種利用導光光纖將自然陽光引入室內進行照明的技術，屬于新型太陽能利用范疇，文章介紹了它的概念和目前的發(fā)展狀況。

關鍵詞：太陽光，光纖，照明

中圖分類號：N04；J914；TK51 文獻標識碼A： 文章編號：1673-8578（2014）S1-0005-03

The Concept and Development of Fiber Sunlight Lighting System

BI Chonglian

Abstract： The fiber sunlight lighting system is a new solar energy utilization which could introduce a kind of sunlight lighting by fiber. This article describes the concept of this system and presented its development situation.

Keywords： sunlight， optical fiber， lighting

收稿日期：2014-06-07

作者簡介：畢重連（1986—），女，山東威海人，碩士，研究方向為光傳感、光照明等。通信方式：bizhonglian@sipo.gov.cn。

一 光纖式太陽光照明系統(tǒng)的概念

傳統(tǒng)意義的自然光利用方式（即自然采光），主要利用幕墻、天窗等采光構件直接將自然光引入到室內。由于這種方式的傳導距離有限，對于無窗建筑、建筑的較深地下層等區(qū)域而言，直接利用自然光的約束明顯。為了節(jié)約照明用電，光纖式太陽光照明系統(tǒng)顯然更具優(yōu)勢，可以滿足多種場所的采光需求。

光纖式太陽光照明系統(tǒng)一般由室外主機、照明光纖、室內光纖燈具組成，如圖1所示[1]。主機須安裝在陽光充足的室外，用于跟蹤采集太陽光。照明光纖則用于高效傳輸主機采集的陽光導入室內，并通過室內燈具進行照明。室外主機是該系統(tǒng)的主體部分，主要由光學凸透鏡組、太陽跟蹤傳感系統(tǒng)、高精度機械平臺等組成。

圖1 光纖式太陽光照明系統(tǒng)

二 光纖式太陽光照明系統(tǒng)的技術特點

1.基于萬年歷的太陽實時跟蹤技術

理論上，由不同朝向組成的光電探測器陣列便可實現(xiàn)太陽跟蹤過程，然而當面對復雜的天氣情況時，跟蹤過程易受外界環(huán)境干擾，這對跟蹤精度造成很大影響，極易導致機械轉臺系統(tǒng)出現(xiàn)誤操作而導致光纖彎折。為了實現(xiàn)全氣候天氣條件下的正常跟蹤，這種太陽跟蹤系統(tǒng)需配備基于萬年歷的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，一般通過時間芯片進行實時信息采集，通過軟件算法來獲得安裝地點的太陽實時方位信息，以便實現(xiàn)持續(xù)的太陽跟蹤。

2.基于光電探測器的太陽對準技術

基于萬年歷的太陽實時跟蹤系統(tǒng)因為理論模型的問題往往存在一定的誤差，不足以滿足耦合要求，需要配合太陽精確對準系統(tǒng)。一般采用基于四象限光電探測器的解決方案，這種探測器最早被應用于導彈跟蹤方面，四個探測器均勻分布于一片圓形襯底上，只要外部聚焦的光斑位于中心十字線位置，即可實現(xiàn)精確對準，可以滿足光纖式太陽光照明系統(tǒng)的需要。

3.高精度機械平臺技術

在跟蹤太陽軌跡的過程中，為避免室內光纖燈的出射光抖動，對機械轉動平臺的穩(wěn)定性提出了極高的要求，需配合運行精度高、穩(wěn)定性極好的機械轉動平臺，才能實現(xiàn)迅速、準確、穩(wěn)定的太陽跟蹤過程。

4.太陽光采集傳輸技術

光纖式太陽光照明系統(tǒng)通過光學凸透鏡將外界自然太陽光聚焦收集，通過物理光學原理分離過濾太陽光成分，將過量的紫紅外線和有害射線攔截，用導光光纖把陽光傳送到室內和地下室等地方，從而實現(xiàn)室內任意位置自然健康太陽光照射，如圖2所示。

照明光纖分為塑料光纖與石英光纖兩種。塑料光纖價格較低，但其傳輸損耗較高，僅能滿足較近范圍內的采光需求，并且其工作溫度偏低，易出現(xiàn)燒灼失效的現(xiàn)象。相比而言，石英光纖的傳輸損耗極低，理論上可把太陽光傳輸至上百米的范圍內，比塑料光纖更具優(yōu)勢。但傳統(tǒng)的石英光纖芯徑僅有微米量級，有效橫截面積過小，不利于太陽光的高效耦合，并且價格偏高，不利于大范圍推廣[2-3]。

圖2 太陽光耦合傳輸過程

三 光纖式太陽光照明系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

自20世紀30年代以來，光纖照明技術就被世人所認識，但由于光纖材料的光衰減率高等原因，一直無法實現(xiàn)大批量的產業(yè)化和商品化。20世紀60年代美國的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯為芯材制備出塑料光纖。20世紀70年代末，日本三菱麗陽公司把這種光纖的損耗下降到200 dB/km。雖然這仍然沒有實現(xiàn)光纖照明的大批量產業(yè)化和商品化，但是把光纖照明的研究推向了實用階段。

1979 年8月，日本La Foret公司推出了世界上第一臺光纖式太陽光照明產品。時至今日，也僅有這一家公司可以提供成熟的光纖式太陽光導入產品。這一產品采用石英光纖作為照明光纖，室外主機有12鏡2束光機，即12個透鏡，連接兩根光纜，可導入兩束光，是目前最常用也是最實惠的機型，廣泛應用于日本的住宅、辦公樓、醫(yī)院、地下通道和其他公共設施。

近年來，國內的一些科研單位和企業(yè)也投入到光纖式太陽光照明系統(tǒng)的研發(fā)中，如南京玻璃研究院、沈陽建筑工程學院、蘇州大學等。但普遍存在著穩(wěn)定性、靈活性較差、非全天候跟蹤、光污染嚴重等問題。另外，目前市場上的導光石英光纖只能從國外進口，價格昂貴，屬于奢侈品行列，這都不利于光纖式太陽光照明系統(tǒng)的普及推廣[4]。

四 結 語

隨著中國城鎮(zhèn)化進程不斷推進，每年新建房屋面積超過所有發(fā)達國家新建面積總和，大量地下公共空間不斷出現(xiàn)，這種有著綠色環(huán)保健康理念的光纖式太陽光導入照明系統(tǒng)可以滿足人們在地下空間的自然陽光利用需求。如能解決導光光纖的瓶頸，未來市場前景廣闊，具有顯著的經濟與社會效益。

參考文獻

[1] 張耀明.采集太陽光的照明系統(tǒng)[J].中國工程科學，2002（4）：63-68.

[2] 戚淑純，薛冰洋，蔣國勇.太陽光導入器綜述[J].太陽能，2007（2）：32-36.

[3] 樸聰，張國玉.菲涅爾太陽能聚光鏡的設計[J].應用光學，2011（1）：23-26.

[4] 陳秀雯，許景峰，胡英奎，等.日光聚光光纖照明系統(tǒng)研究[J].燈與照明，2012（36）：17-20.