基于光纖導(dǎo)光的新型隧道綜合照明裝置

王振華　張弛

摘 要：隧道照明無(wú)論隧道的長(zhǎng)短其功耗主要集中在隧道的洞口段，此段雖然只有200米左右，但是功耗集中、燈具布設(shè)密度大，是隧道照明的難點(diǎn)，也是隧道節(jié)能的重點(diǎn)。文章將光導(dǎo)技術(shù)用于隧道照明之中，不僅能填補(bǔ)隧道洞口段光導(dǎo)術(shù)研究的空白，還能充分利用太陽(yáng)光這一綠色能源，使其造福于隧道節(jié)能照明事業(yè)。

關(guān)鍵詞：隧道洞口照明；光導(dǎo)照明；追光技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0078-02

高速公路隧道照明質(zhì)量影響著行車安全，多年以來(lái)，由于照明問(wèn)題所引發(fā)的隧道交通事故比比皆是。而在這之中，又有很大一部分事故的起因是黑（白）洞效應(yīng)。所謂黑（白）洞效應(yīng)，指司機(jī)在駛進(jìn)（出）隧道時(shí)，眼部不習(xí)慣光線的突然變化而看不清眼前的路況的現(xiàn)象。因此《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“入口段與出口段的照明由基本照明與加強(qiáng)照明提供”。傳統(tǒng)的加強(qiáng)照明由高壓鈉燈或大功率LED燈提供，其燈光雖然滿足隧道入（出）口亮度的要求，但終究屬于人造光，其舒適度與自然光相比仍有較大的差距。

另一方面，多年以來(lái)，高速公路隧道建設(shè)者們一直將照明質(zhì)量作為工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容與研究重點(diǎn)，而忽略了照明負(fù)荷約占50%左右。因此，我國(guó)現(xiàn)階段高速公路隧道照明系統(tǒng)在保證行車安全的前提下，進(jìn)行節(jié)能降耗設(shè)計(jì)是公路隧道照明系統(tǒng)發(fā)展的必然要求，人性化、經(jīng)濟(jì)化、科學(xué)化是照明技術(shù)發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在此背景下，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)以一種基于光纖導(dǎo)光的新型隧道綜合照明裝置，與傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)結(jié)合，節(jié)約隧道照明所需能量，提高隧道入口段照明質(zhì)量，減少事故發(fā)生。

1 隧道照明方案

公路隧道大體上是半封閉空間，容易造成隧道內(nèi)外交通環(huán)境差別過(guò)大，導(dǎo)致車輛通過(guò)隧道時(shí)產(chǎn)生明暗交替，影響行車視覺(jué)。因此，高速公路隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮影響照明質(zhì)量的因素。根據(jù)國(guó)家《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，高速公路隧道在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮到駕駛員的明暗適應(yīng)能力。因此可以將隧道照明分為五個(gè)部分：接近段、入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段[1]。

此外，考慮到在光線不佳的情況下光纖導(dǎo)光所能提供的照明亮度有限，故應(yīng)設(shè)計(jì)照明亮度反饋裝置，使照明系統(tǒng)在白天自然光比較暗時(shí)隧道內(nèi)部可以提供正常的照明。

2 照明裝置

2.1 硬件裝置

天然光光纖照明裝置主要由光導(dǎo)入裝置（聚光器）、光傳輸裝置（光纖）和光輸出裝置（光纖燈，散射器）組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

聚光器裝置：該裝置主要將大面積的太陽(yáng)光線匯聚起來(lái)以便于光線的傳輸，故需要選擇聚光能力強(qiáng)的裝置。經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)菲涅爾透鏡適合于本項(xiàng)目。菲涅爾透鏡應(yīng)用也較廣泛，并且相較于其它聚光器，其性能也較為優(yōu)良。

此外，考慮到太陽(yáng)光中的某些成分的光線可能對(duì)人或裝置自身產(chǎn)生某些不利的影響，因此在太陽(yáng)光線的采集過(guò)程中，需要濾去這些不利成分。目前，常見(jiàn)的分光元件有凸透鏡、棱鏡、光柵、濾光片等，考慮到系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單可行，故本項(xiàng)目選擇濾光片濾光的方式對(duì)收集的太陽(yáng)光進(jìn)行處理，使之符合要求

光傳導(dǎo)部分：在聚光器收集到太陽(yáng)光線之后，就必須立即將光線傳輸進(jìn)室內(nèi)，因此設(shè)計(jì)合理的光傳導(dǎo)裝置是十分必要的。目前，光的傳導(dǎo)主要有兩種方式，一是采用光導(dǎo)管進(jìn)行導(dǎo)光，通過(guò)光導(dǎo)管內(nèi)壁的反射將光線進(jìn)行傳輸，此種方式實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低，但由于內(nèi)壁的反射率無(wú)法達(dá)到100%，故本項(xiàng)目采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行光的傳遞，光纖導(dǎo)光依靠全反射，損失極小?？紤]到裝置的價(jià)格合理性，選用塑料材質(zhì)的光導(dǎo)纖維作為光傳導(dǎo)材料，同時(shí)考慮到提高光發(fā)電區(qū)域的面積與光亮均勻度，避免出現(xiàn)過(guò)亮的情況，考慮選取側(cè)面發(fā)光照明的光導(dǎo)纖維完成照明。

光輸出部分：太陽(yáng)光經(jīng)光纖傳輸進(jìn)隧道內(nèi)，經(jīng)由光纖末端的螺旋狀側(cè)發(fā)光光纖將所收集的太陽(yáng)光線散射出去，考慮到側(cè)發(fā)光光纖的散射能力有限，故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在光纖燈具出口處加裝光線散射裝置，使光線均勻射向室內(nèi)空間。本項(xiàng)目擬采取凹透鏡作為光線散光裝置，利用凹透鏡對(duì)光線的散射作用，達(dá)到光線均勻分配的目的。

2.2 光追蹤方案的設(shè)計(jì)

為了集光裝置可以盡可能收集太陽(yáng)能，我們?cè)O(shè)計(jì)追光裝置。目前，太陽(yáng)追蹤的方式有可分為三種：視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、光電跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合?？紤]到光電跟蹤較為復(fù)雜且易受天氣的影響，因此本項(xiàng)目選擇視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。追蹤系統(tǒng)主要由平面鏡反光裝置、調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

任意時(shí)刻太陽(yáng)的位置可以用太陽(yáng)視位置表示。太陽(yáng)視位置用太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角作為坐標(biāo)表示。太陽(yáng)高度角指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽(yáng)方位角指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來(lái)追蹤太陽(yáng)的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽(yáng)的位置。上位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)接收上位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽(yáng)的跟蹤及手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

3 前景展望

文章從光導(dǎo)隧道照明的燈具系統(tǒng)，照明方案，追光控制三個(gè)方面對(duì)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，論證了室內(nèi)建筑光導(dǎo)照明技術(shù)引入隧道這一特殊建筑物中的可行性。但是，還有許多的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。比如，在不同情況下，太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、可靠的精確跟蹤太陽(yáng)；極端天氣條件下，控制系統(tǒng)是否依然能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的跟蹤、光的導(dǎo)入和光導(dǎo)與人工照明組合照明的智能控制。并且，采光裝置在使用過(guò)程中，它們都會(huì)經(jīng)歷光輸出的損失。原因是灰塵沉積物，或者使用環(huán)境和光學(xué)表面的變化。對(duì)于所有的采光裝置，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)是必需的，這是為了使系統(tǒng)的性能在設(shè)計(jì)限值內(nèi)和促進(jìn)能源的有效利用，建議下一步對(duì)光導(dǎo)系統(tǒng)的維護(hù)措施進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]JTJ026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]尤金正，鄒麗新，周同，等.太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（19）：139-142.