恒照度太阳光光纤导入照明系统的研究_李锦.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1恒照度太阳光光纤导入照明系统的研究李锦，刘玉莹，许春，姜丽(北京首量科技股份有限公司，北京101111)摘要:介绍了一种带有恒照度照明设计的太阳光光纤导入照明系统实施方案，以 1.25 mm 芯径石英光缆的制备与工艺提升、光路优化与机械传动系统研究以及灯具补光一体化照明系统研究为主要工作，实现了太阳光光纤导入照明系统的恒照度功能，并达到了在室外照度 100 000 lx、导光距离 45 m 的条件下，输出光通量为 3 000 lm。关键词:光纤导光;光耦合;照明中图分类号:TU88文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.003esearch on Constant Illuminance Solar Light Guide Lighting SystemLI Jin，LIU Yuying，XU Chun，JIANG Li(Beijing Scitlion Technology Corp，LTD，Beijing101111，China)Abstract:This paper introduces the implementation scheme of a solar fiber lighting system with constantillumination design The main work of this system is the manufacture and process improvement of 1.25 mmquartz fiber optic cable，the optimization of optical path，the research of mechanical transmission system，and the research of integrated lighting system for lamps The constant illumination function of the solar fiberlighting system is realized When the outdoor illumination is 100 000 lx and the light guide distance is 45m，the output luminous flux is 3 000 lmKey words:optical fiber light guide;optical coupling;lighting引言目前，全球每年向大气排放约 510 亿吨的温室气体，已经严重超过地球自我消化的负荷，为避免气候变化所带来的灾难，人类应尽快停止向大气中排放温室气体。巴黎协定所规定的目标，是要求在本世纪中叶，碳排放净增量归零，以实现在本世纪末相对于工业革命前将全球地表温度上升幅度控制在 2 以内。多数发达国家在实现碳排放达峰后，明确了碳中和的时间表，如芬兰确认在 2035年，瑞典、奥地利、冰岛等国家在 2045 年实现净零排放，欧盟、英国、挪威、加拿大、日本等将碳中和的时间节点定在 2050 年。作为世界上最大的发展中国家和最大的煤炭消费国，中国也作出郑重承诺，努力实现 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和。据权威统计，我国照明用电量约占全社会用电量的15%。近些年，随着白炽灯淘汰路线图的实施，LED 等高效照明产品的大力推广使用，我国的照明用电量本应呈现逐步下降的趋势，但由于绝大部分的办公楼宇、地下空间为了打造良好的照明环境，提升人们的工作效率，在白天仍然使用大量的人工照明。通过将太阳光导入室内从而减少人工照明光源的使用，将成为一种行之有效的节能途径。导入太阳光的优势除了节能、环保、安全和使用寿命长以外，还对人类健康有重要作用，宽波段太阳光不仅能调节视觉功能健康，也可以促进体内营养物质的合成和吸收，并改善人们的精神状况1，2，实现健康照明。1国内外研究现状1.1国外发展现状国外在光纤导入太阳光领域的研究开发要早于第 34 卷第 1 期李锦等:恒照度太阳光光纤导入照明系统的研究11国内，其中日本和美国的企业表现尤为活跃。如图 1 所示，日本 La Foret 公司有相对成熟的光纤式导光产品销售，所推出的光纤式太阳光导入产品有两种型号，对应亚克力透镜数量分别为 12 枚和 36 枚，大芯径石英光纤直径 1 mm，采用时间芯片和光敏二极管追踪太阳光。目前该系列产品广泛应用于日本医疗康复中心、地下交通设施和小区住宅等多种场所。图 1日本 La Foret 公司 HIMAWAI 系列光纤导入太阳光照明产品(图片来源网络)Fig.1HIMAWAI series optical fiber imported sunlight lighting products of La Foret Company in Japan(picture from the Internet)美国 Think Tekk 公司推出的 Light Bandit 采用反射镜采集太阳光，通过大芯径石英光纤导入室内照明，如图 2 所示。相比追踪式聚焦采集太阳光，该方法缺少智能化控制，需要人为调节反射角度才能保证室内照明。图2美国 Think Tekk 公司光纤导入太阳光照明产品(图片来源网络)Fig.2Optical fiber imported sunlight lighting products of ThinkTekk Company in the United States(picture from the Internet)美国橡树岭国家实验室开展了光纤式太阳光导入系统的研究，并于 2007 年获得了美国联邦实验室联盟的科技转化奖，该项目旨在缓解室内照明对电力的供求压力。由于资金紧张，5 年后美国能源部橡树岭实验室才开发出组合式太阳光照明系统，该系统售价 3 000 4 000 美元。所谓组合照明，即以太阳光照明为主，不足部分用供电照明补充，照明范围仅为 50 英尺。瑞典 Parans 公司有相对成熟的 SP4 系列光纤式太阳光导入产品，如图 3 所示。以型号 SP4-24.2 为例，该采光器使用平凸透镜的光学玻璃作为耦合器件，受光面积 0.702 m2，经 PMMA 材料的光纤传输100 m 后，光通量为 16 800 lm，输出的太阳光通过24 盏筒灯传输至各个角落，每盏筒灯的光通量达700 lm。Parans 公司 SP4 系列太阳光导入产品的光导效率为 23.93%。1.2国内发展现状光纤导入太阳光照明系统开发属于跨专业领域的交叉学科研究，既需要光纤材料领域的研究人员从材料本身出发保障导光光纤的质量，也需要机械传动专业与照明专业领域研究人员从机械结构和光学设计加工方面进行协同开发，因此难度相对较大。采集太阳光分为耦合光纤导光和反射式两种，后者应用于隧道照明等场景居多3，耦合式导光应用范围相对较广。2016 年，高崧等4 设计出一款全自动光纤采光照明系统，并使用太阳能电池板将电能存储在蓄电池内，作为备用能源提供夜晚照明。国内进行光纤导入太阳光照明系统开发起步较晚，但发展迅速，近几年，国内一些科研单位和企业也陆续开展光纤式太阳光导入产品研发，但整体仍处于初级阶段，尚无成熟产品可供长期使用。蓝煦科技推出带有 54 枚透镜的光导照明灯，体积大，使用光纤芯径为 1 mm(石英)和 3 mm(塑料)两种，采用经纬度计算太阳轨迹，利用与太阳感光装置结合的方式追踪太阳光，跟踪精度为12照明工程学报2023 年 2 月图 3Parans 公司 SP4 系列光纤式太阳光导入产品(图片来源网络)Fig.3Parans SP4 series optical fiber solar products(picture from the Internet)0.01。但由于该产品使用石英光纤芯径小致使光通量偏小，且跟踪系统不够稳定，容易受外界干扰。江苏圣福来能源科技有限公司(和曦)推出由12 枚透镜组成的小体积光导照明系统，其受光面积1 158 cm2，使 用 面 积 5 10 m2，当 户 外 照 度100 000 lx条 件 下，参 考 距 离 2 m 下 照 度 可 达1 140 lx，光通量 3 260 lm。杰特新能源使用“光敏+GPS”用于太阳光的实时追踪，采用 K9 玻璃透镜，导致透过率有限，且光纤数量仅为 12 根，导入室内照度低，辐照效果不理想。盛旦节能技术(北京)公司推出的光纤太阳光导入系统采用组合式聚光透镜，可将太阳光高度聚焦 15 000 倍，光纤采用大芯径纯色石英光纤，外涂层用抗老化、高反射合成膜，以增加光纤输出端的光通量，透镜使用 12 36 枚不等，光通量可达3 200 9 000 lm。该系列产品已经示范性应用在医院、科技馆、体育馆等场所。2本项目研究目标与研究内容2.1研究目标通过对国内外相关技术及产品的研究分析，基于公司现有导光系统存在的光纤芯径小、光路耦合效率低、体积笨重、机械传动装置落后等现状，本项目将从光纤导光性能的提升、光路设计与机械传动设计的优化、灯具补光一体化照明系统的结构设计创新三方面，开发出可实现照度恒定、高光效的光纤导入太阳光照明系统。2.2研究内容(1)大芯径石英光缆的制备技术研究。光纤是太阳光导入照明系统的关键部件之一，其芯径的材料、直径大小、涂敷物质的选择、数值孔径及芯包同心度一致性等性能参数对太阳光在光纤中的传导效率都有直接影响。石英光纤较塑料光纤不仅导光效果好，且耐温性强，最高可以达到1 000，使用寿命可达 20 年。但由于目前系统使用的石英导光光纤芯径较小(通常小于 1 mm)，光纤拉制的性能一致性仍存在问题，因此制约了导光效果。本项目拟选用不同的预制棒和涂料，通过光纤拉丝工艺研究，制备出芯径 1.25 mm、数值孔径 0.48 的大芯径石英光纤，将极大提高太阳光照明系统的传输效率，同时制备出满足照明系统使用要求的 6 芯光缆。(2)光路设计与机械传动系统研究。光路设计的优劣直接影响系统效率，从太阳光接收到导出的整个光路中，有三个重要环节即采光器的光学器件设计、采光器光路与光纤端面的耦合以及光纤断面与照明终端光学器件的耦合。本项目将重点进行采光器的光学器件优化设计。在太阳光光纤导入照明系统中，为实现太阳光利用最大化，采光器需面向太阳并跟随太阳进行旋转。在旋转的过程中，保证旋转角度精准、设备机械运行稳定、环境因素对设备影响最小化，系统的机械传动设计非常重要。本项目将使用 GPS 和四象限二极管，用于追踪太阳位置并精准定位。采用北斗定位模块与北斗卫星进行实时通信，采集待测地点的时间与地理信息，使用天文算法软件对当前太阳位置进行计算，通过双轴转台系统对太阳光进行跟踪。双重定位可以获得光强更强的定位精度，采用模块化设计可方便后期增加或减少功能，以满足市场的需求，使其在功能与成本之间达到最优平衡点。(3)灯具补光一体化照明系统研究。在市场化应用中，人们对光纤导入太阳光照明系统提出了更多的需求，如是否能将光导照明系统与人工照明系统结合，不仅可以大幅降低施工成本，提升产品一致性，也可以减少后期的维护成本。本项目将研究第 34 卷第 1 期李锦等:恒照度太阳光光纤导入照明系统的研究13解决太阳光光纤导入照明终端产品与 LED 室内照明产品的有机结合，根据两种不同发光光源的特点，增加感光器等智能化手段，实现恒照度的照明。3项目实施方案3.1大芯径石英光缆的制备技术研究3.1.1预制棒选型380 780 nm 波段是可见光波段，光纤对该波段光的传输效率取决于光纤预制棒在该波段的透过性能。项目拟采购不同厂家、不同成分的预制棒，通过分析预制棒在 380 780 nm 波段的一般显色指数和在532 nm、633 nm 波长的损耗，选取显色指数大于 90、低损耗的预制棒作为本项目的原料，并以此确定本