西藏地區(qū)光纖光導(dǎo)系統(tǒng)的光傳輸測(cè)試

王俊濤，袁喜鵬，強(qiáng)巴索朗，宋記鋒

(1.華北電力大學(xué) 新能源學(xué)院，北京 102206；2.西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引 言

太陽能作為一種可再生、清潔環(huán)保的資源，其開發(fā)利用一直是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。太陽光導(dǎo)照明技術(shù)是既光伏光熱后，新的太陽能利用技術(shù)[1-3]，其采光系統(tǒng)可以直接將自然光引入到室內(nèi)進(jìn)行照明，既節(jié)約了化石能源的消耗，又有效減少溫室氣體的排放[4]。此外，直接將太陽光引入建筑照明可以提高居民的視覺質(zhì)量和舒適度，有利于人們的身心健康。目前，太陽光導(dǎo)照明技術(shù)由于其自然、清潔環(huán)保的特點(diǎn)，在建筑節(jié)能領(lǐng)域越來越受到關(guān)注[5]。

太陽光導(dǎo)照明系統(tǒng)主要分為三類，分別是光纖光導(dǎo)系統(tǒng)、定日鏡采光照明系統(tǒng)和光導(dǎo)管采光照明系統(tǒng)[6-8]。其中，光纖光導(dǎo)系統(tǒng)利用柔軟的光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程輸光，在建筑適用性上靈活性強(qiáng)，在市場(chǎng)潛力上最大。一般光纖光導(dǎo)系統(tǒng)由高精度太陽跟蹤系統(tǒng)、聚光器和光纖束構(gòu)成。聚光器對(duì)太陽光進(jìn)行高倍聚焦，光纖束將聚焦光斑遠(yuǎn)程傳輸至室內(nèi)照明，而太陽跟蹤系統(tǒng)時(shí)刻根據(jù)太陽的運(yùn)動(dòng)調(diào)整高度角和方位角，保證聚光器始終精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)太陽[9-11]。

本文詳細(xì)介紹了研制的光纖光導(dǎo)系統(tǒng)，并測(cè)試了該系統(tǒng)在西藏地區(qū)的室外運(yùn)行性能和室內(nèi)照明效果。通過設(shè)計(jì)水冷箱和夾持紅外濾光片的雙重方式，來解決可能存在的光纖損壞問題，為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了方向。

1 光纖光導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖光導(dǎo)系統(tǒng)由雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)和聚光傳輸系統(tǒng)組成，如圖1所示。雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)包括底座、方位角驅(qū)動(dòng)、高度角驅(qū)動(dòng)、太陽定位傳感器、PLC 以及遠(yuǎn)程控制模塊。驅(qū)動(dòng)部分采用高精度蝸輪蝸桿減速器、行星減速器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，可以確保整個(gè)光導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)整其方位角和高度角來精確跟蹤太陽。太陽定位傳感器采用高精度四象限光敏傳感器來感應(yīng)太陽光線的方位，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的太陽光線方向信息。其精度可達(dá)0.01o，反應(yīng)時(shí)間小于100 ms，視野為±15o。系統(tǒng)采用可編程邏輯器件(PLC)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，可以在西藏高原氣候下長(zhǎng)期可靠工作。另外系統(tǒng)配置4G 通訊模塊以及云端服務(wù)器，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

圖1 光纖光導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

聚光傳輸系統(tǒng)主要由菲涅耳透鏡和PMMA光纖束組成，其系統(tǒng)原理如圖2所示,菲涅爾透鏡將太陽光匯聚至其焦點(diǎn)處的光纖束入射端，然后由光纖傳輸至指定位置。菲涅爾透鏡與光纖束一一對(duì)應(yīng)，每一個(gè)菲涅爾透鏡匯聚的光都由一根獨(dú)立的光纖束來接收傳輸。

圖2 聚光傳輸系統(tǒng)

菲涅爾透鏡采用超白玻璃和硅膠材質(zhì)，透鏡口徑為240 mm×240 mm，采用4×4 陣列布置，聚光倍數(shù)可達(dá)2 500倍。每一根光纖束都是由數(shù)十根柔軟的PMM光纖組成，如圖3(a)所示，光纖呈六角密集排列。

圖3 光纖原理圖

光纖傳輸輻射是由于纖芯折射率和包層折射率的差異引起的全內(nèi)反射的結(jié)果。光線在光纖內(nèi)部的傳輸原理如圖3(b)所示。入射角小于或等于光纖最大接受角的光線可以有效地傳輸，入射角大于光纖接受角的光線在纖芯中不能實(shí)現(xiàn)全反射，而是反射和折射同時(shí)存在，經(jīng)過多次反射折射后很快就會(huì)衰減為零。光纖的最大接受角取決于光纖材料的折射率[12]，其與光纖材料的關(guān)系為

(1)

式中：NA為光纖的數(shù)值孔徑大??；θmax為光纖最大接受角；ncore為光纖纖芯的折射率；nclad為光纖纖芯的折射率。

PMMA光纖的數(shù)值孔徑為0.5，為了保證光纖接收到的匯聚光都能夠以全反射的方式向前傳輸，光纖的入射角θ要小于等于30o。因此，在實(shí)際安裝過程中要保證透鏡焦距與光纖接收角有效耦合，這樣才能保證透鏡聚集的光線都能夠被光纖接受并有效傳輸至輸出端。

為了保證光纖在高聚光比下正常工作，在光纖束的入射端設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有散熱肋片的柱狀水冷箱對(duì)其進(jìn)行水冷，水冷結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。紅外濾光片來反射過濾紅外光并保證可見光的有效透射。由于菲涅爾透鏡匯聚的光斑，其輻照度分布是呈現(xiàn)不均勻的高斯分布，因此引入一個(gè)六邊形的勻光腔來勻化光斑。數(shù)十根光纖密集填充在勻光腔內(nèi)部，組成一根光纖束來接收傳輸勻化后的光線。通過以上措施，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在西藏強(qiáng)光環(huán)境下的可靠工作。聚光傳輸系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖4 光纖束水冷結(jié)構(gòu)

表1 聚光傳輸系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證光纖光導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行性能，開發(fā)的光導(dǎo)系統(tǒng)安裝在拉薩西藏自治區(qū)能源研究示范中心(東經(jīng)91°，北緯29.6°)檢測(cè)大樓四樓樓頂。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行一周(2019.1.13-2019.1.20)，結(jié)果顯示系統(tǒng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和控制器運(yùn)行穩(wěn)定，遠(yuǎn)程手機(jī)APP 終端操控操作正常。系統(tǒng)基于天文算法，在早晨自動(dòng)啟動(dòng)，日落時(shí)分自動(dòng)待機(jī)。在運(yùn)行期間，除2019.1.17 是陰天外，其他時(shí)間都是晴天。在晴天日期，中午時(shí)分室外照度峰值不低于12 萬 lx，屬于典型的強(qiáng)輻照天氣。

2.1 輸出光譜

一組光譜對(duì)比如圖5所示，與室外自然太陽光譜圖(圖5(a))相比，PMMA光纖束的透射光譜(圖5(b))不含紅外波段，這是因?yàn)榧t外波段光被光纖本體吸收。能量被吸收后轉(zhuǎn)化為熱，會(huì)導(dǎo)致光纖溫度升高甚至損壞，這也是我們?cè)诠饫w入射端口采取水冷并夾持紅外濾光片的重要原因。如圖5(c)所示，紅外光濾光片在可見光波段具有良好的透射率，同時(shí)能夠有效地將近紅外波段的光反射過濾。整個(gè)系統(tǒng)最終的輸出光譜如圖5(d)所示，通過對(duì)比可以看出，在380～740可見光波段，系統(tǒng)輸出光譜與自然光譜非常相似。這證明了系統(tǒng)選用的PMMA光纖能夠保證可見光波段光譜的輸出完整性，不會(huì)對(duì)其造成畸變吸收。

圖5 實(shí)驗(yàn)光譜對(duì)比

2.2 照明效果

為了測(cè)試光導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際的照明性能，在一個(gè)6 m×8.5 m的辦公室內(nèi)進(jìn)行實(shí)際的照明測(cè)量。以地面高度1 m 處為測(cè)量點(diǎn)，光纖布置和測(cè)量點(diǎn)布置如圖6 所示,室內(nèi)均勻布置了30 個(gè)測(cè)點(diǎn)，先測(cè)量出背景照度，然后是測(cè)量光纖照明照度。背景照度測(cè)量時(shí)，窗簾遮蔽窗戶，由于部分光泄露和大門處的光亮，室內(nèi)背景照度均值為147 lx。在計(jì)算照明效率時(shí)，需要排除背景照度干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的室內(nèi)照度及實(shí)際照明效果如圖7所示。

圖6 光纖及測(cè)量點(diǎn)布置

圖7 室內(nèi)照明效果及照度分布

2.3 效率

光纖光導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際的采光照明效率可以定義為

(2)

式中:η為系統(tǒng)采光效率;S1,S2為室內(nèi)面積，有效透鏡面積;X1,X2為室內(nèi)平均照度、室外照度。

室內(nèi)照明面積為8.5 m×6 m=51 m2，有效采光面積是0.75 m2。某一典型日的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，系統(tǒng)的照明效率可達(dá)15%。

表2 2019 年1 月13 日照明測(cè)量數(shù)據(jù)

光導(dǎo)系統(tǒng)理論的采光照明效率可以定義為

η=η1η2η3η4

(3)

式中：η1為透鏡的透射率, 理論值為80%；η2為紅外濾光片的透射率,理論值為90%；η3為光纖的傳輸效率，理論值為 40%；η4為光纖的填充率, 理論值為86%。

光導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際采光效率為15%，低于理論采光效率24.7%，這是因?yàn)楣饫w在使用過程中可能會(huì)折損造成光泄露，另外該系統(tǒng)為了避免高聚光比下光纖不會(huì)被燒毀，在光纖入射端設(shè)計(jì)有水冷箱，該部分損失沒有計(jì)算在理論值內(nèi)。

3 結(jié) 論

本研究研制了由雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)和聚光傳輸系統(tǒng)組成的光纖光導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自然光的采集傳輸。設(shè)計(jì)并測(cè)試了水冷柱和紅外濾光片的性能，實(shí)驗(yàn)表明：水冷方式和紅外濾光片的結(jié)合可以有效解決高通量密度引起的光纖過熱問題，保證光纖的輸光安全。對(duì)辦公室進(jìn)行了采光試驗(yàn)，結(jié)果表明：最終光纖光導(dǎo)系統(tǒng)的輸出光譜與自然光的光譜相似且照明效率能夠達(dá)到15%，可以為室內(nèi)提供舒適、安全的自然光照明。