光纤传导太阳光照明系统

江苏法尔胜泓昇 集团有限公司 ■ 朱维军 严伟 赵霞 刘礼华 徐红

一 引言

建筑物如何充分利用太阳光节约照明用电，是国际建筑和照明界的一个重要课题。光纤传导太阳光照明的方法和设想最初由建筑界提出。虽然人们对太阳能的利用越来越广泛，但是目前对太阳能的利用主要集中在将太阳能转化为电能和热能上，而光纤照明正是将太阳光直接加以利用的技术。自20世纪30年代就被人们所认识和接受的光纤照明技术由于材料成本以及光衰减率太高等原因一直无法实现大批量的产业化和商品化，但是在20世纪60年代美国的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为芯材制备出塑料光纤在20世纪70年代末日本三菱丽阳公司以高纯MMA单体聚合PMMA使光纤损耗下降到200dB/ km[1]。虽然这仍未实现光纤照明的大批量产业化和商品化，但却将光纤装饰照明真正推向了实用阶段。目前太阳能光纤照明已形成多种产品并陆续投放市场。

目前人们能够实现的直接利用太阳光的技术大致有：导光纤维法、平面反射法、导光管法等[1]。本文着重介绍导光纤维法实现技术，即由太阳光集光器收集并通过导光光纤传导的光纤照明法。

光纤照明是近年兴起的高科技照明技术，通过光纤导体的传输，可以将光源传导到任意区域里，而这也是光纤最特殊的地方。光纤照明技术近年来飞速发展，已被越来越多的人们所关注，其应用实例不胜枚举，广泛地应用于工业、医药等不同场合，国内外也有了各种类型的配套产品，有着不可估量的市场前景。

二 光纤传导太阳光照明系统简介

光纤传导太阳光照明系统是由集光器、传导装置和放射装置三部分构成，如图1所示。

图1 系统构成示意图

室外的自然光通过集光器导入到照明系统中进行重新分配，经过传导装置(光纤)传输和强化后由系统底部的放射装置(室内末端投射装置)把自然光均匀高效地照射到室内，带来自然光照明的特殊效果。

1集光器

系统最主要的部分就是收集太阳光的装置——集光器。图2所示的集光器是由日本莱福瑞公司生产的12镜太阳光集光器，外观形似向日葵，故也俗称向日葵系统。能够实现对太阳光的追踪采集，紫外线及有害射线的过滤，阳光的聚焦耦合等功能。

图2 集光器结构示意图

亚加力球罩：能够对内部聚光组件进行良好的保护，同时特殊的球型构造能够实现自清洁功能，不落积雪不聚雨水；高透光性能够更大限度地实现对阳光的采集；同时特殊的材质也能对阳光中的紫外线进行一级过滤。

筒座：对整个集光系统进行水平固定，使系统在一个稳定的环境下工作。筒座内部放置有全球定位系统和微机控制程序，在系统工作前，输入安装位置的经纬度，就能实时自动跟踪太阳的方位，控制电机仰俯角度和水平位移，进行阳光的初步定位。

传感器：聚焦镜中部安装有光感元件，在配合全球定位系统(简称GPS)初步定位后，能够对阳光进行精确的定位追踪，使集光器能够实时采集到最强烈的直射阳光，提高采集效率和最终的光照强度。

机械装置：控制聚光组件的二维联动，由程序对GPS和光感元件传回的数据进行处理后，对机械装置进行精确的控制，调整聚光组件的仰俯角度和水平转动，使聚光组件采集到最强烈的直射阳光，最大限度提高阳光的采集效率。

聚光组件：整个集光器最核心的部分，也是最精密的部分，存在许多技术难点。图2所示为12镜集光器，有12片聚焦镜，每片聚焦镜后都有一根导光光纤进行光的收集。聚光组件的功能是对阳光进行聚焦，将聚焦阳光耦合进光纤进行传输，同时实现紫外线的二级过滤，见图3。

图3 光纤端面定位阳光采集示意图

通过控制耦合端面与透镜焦点的位置，实现对紫外线的过滤，同时还要考虑怎样能够把最多的阳光耦合进光纤中进行传导，保证传输损耗较低，这是一个很大的技术难点。聚光镜有用反射镜、凸透镜、菲涅耳透镜聚光等方式。其中菲涅耳透镜具有较好的光学特性，焦斑较小，对太阳跟踪精度要求精度低，加工方便、质轻、大尺寸、成本低的特点。系统中通常采用菲涅耳透镜，光通过率达90%以上，光线会聚率为75%～85%，厚度误差在±0.05mm，平面度误差在直径为50mm的范围内，误差小于0.1mm[2]。

电源线及插头：系统采用220V照明用电对微机和控制系统进行供电，功率≤2W，耗电量非常小。另外，也可以改为太阳电池板进行供电，这样成本会稍微上升，但同时也更方便、更节能。

2传导装置

所用的传导装置就是导光光纤。光纤本身的导体主要是由玻璃材料(SiO2)抽丝制成，它的传输是利用光经由高折射率的介质，以高于临界角的角度进入低折射率介质会产生全反射的原理，让光在这个介质里能够维持光波形的特性进行传输。其中高折射率的核心部分，就是光传输的主要通道。而低折射率的外壳，则包覆住整个核心。由于核心的折射率比外壳高出很多，所以会产生全反射，光也因此可以在核心里来传输。保护层的目的，主要是为了保护外壳与核心不易损坏，同时也可增加光纤的强度[3]。

导光光纤主要应用于传导太阳光用于照明，要求对太阳光谱有极高的传输透过率，因此其在太阳光谱，特别是在可见光谱的损耗要极低。为了获得足够多的阳光传输，芯径尺寸要大，同时要考虑光纤的弯曲性。芯径尺寸和弯曲性要折中考虑。光纤中传输的是高度浓缩的太阳光，因此要求包层能承受高功率密度辐射。另外还要求导光光纤耐高低温、抗冲击、抗拉伸等一系列苛刻要求，同时还要考虑成本。导光光纤和导光缆的参数要求如表1。

光纤的构造可以简略分为核心、外壳与保护层三个部分(图4)。

图4 导光光纤结构示意图

3放射装置

系统最后一个部分为放射装置，作用是固定导光光纤纤尾，形成多样的发光形式。实质上，它就是一个灯具(图5)，只不过灯具不用供电，通过光纤来供光，能均匀向周围投射弥散的自然光，出光柔和。灯具易于安装、更换。同时有各种外型美观、应用于不同地方、多种出光颜色可选、能满足个性化需要的灯具。

三 系统的优点及应用场合

表1 导光光纤和导光光缆的参数要求

图5 照明灯具

光纤传导太阳光照明系统，可应用于煤矿开采、地下空间、国防军事、学校、医院、疗养中心、监狱、商场超市、酒店、工业厂房、展览馆、港口、机场、火车站、文物古迹、阴面房屋等场合，用于日间照明，是一种节能、环保可使阴暗区域获得健康舒适太阳光的照明系统。另外，它可实现光电分离，甚至不需消耗常规电力，可应用于煤矿、武器弹药库等易燃易爆场所，排除隐患，所以它又是能保障生命财产安全的照明系统。因此光纤传导太阳光照明系统的研发具有显著的经济效益和社会效益，市场广阔[4]。

众所周知节能、环保和安全是世界性的问题。如今，用于照明领域的耗能非常惊人，主要是商业和工业用电，煤矿开采、办公室、商场、地铁等场所的照明及装饰都在消耗大量能源。目前，我国照明耗电量占总发电量的15%左右，据统计白天照明占照明用电的50%以上，主要是商业和工业用电，如能开发自然光照明系统(如光纤传导太阳光照明系统)可以节约白天用电量的50%以上，即以每年节省用电820亿kWh，0.8元/kWh来计算，每年可节省电费约656亿元。目前我国的电能主要由燃烧化石燃料生产，在获得电能的同时向大气排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体，这些气体是造成全球各种环境问题的重要原因。如果用天然光代替人工光源照明，还可以大大减少空调负荷，有利于降低建筑物能耗和对臭氧层的破坏[5]。

另外，光纤传导太阳光照明系统出射光为全色光，光线柔和，照度分布均匀，显色性好，光谱连续分布在人眼可见范围内，所以不仅视觉效果好，而且长时间观察不易疲劳。大量的实验证明：自然光照明条件下的视觉对比灵敏度高于电力照明的5%～20%以上。除了视力，自然光对身体的健康也有利。室内照明效果如图6所示。

图6 太阳光室内照明效果

开发低耗能，甚至不耗能的光纤传导太阳光照明系统，在提倡健康、低碳、绿色环保的今天，无疑意义重大。

四 系统存在的问题及现状

光纤传导太阳光照明系统在国内外已有相关产品销售。目前市场上有以下几款产品：一是日本莱福瑞工程股份有限公司制造的“向日葵”系统，该系统中一个6镜单束光缆的系统价格要几万元，只满足10m2左右照明使用，使用的光纤为大芯径的石英光纤；还有南京杰特光纤式阳光导入系统，一套12镜、15m光纤的系统要8万元，价格很高。南京帅瑞光导纤维式阳光导入器，一套5镜系统要6万多元，光纤采用进口塑料光纤；江苏胜福来能源科技有限公司的“圣福来”太阳光能光纤导入器，源自德国技术，导光光纤也是塑料光纤。还有北京东方风光新能源技术有限公司也有相关产品。虽然目前该类产品较多，但普遍存在的问题是价格昂贵，目前市场上导光系统中的导光光纤1m价值上千元，而一套系统至少要用15m长。由于导光光纤价格不菲，整套光纤传导太阳光照明系统属于奢侈品行列，不适合普通民用普及。目前系统中使用的导光光纤均为国外进口。如果能制造出成本低廉的用于民用的太阳能光纤照明系统，市场将极为巨大。

低成本、高性能的光纤传导太阳光照明系统是一项具有挑战，也很有意义的项目。开发大芯径、低损耗、性能稳定的导光光纤并使之实现国产化，是未来应当努力的方向。

[1] 张耀明. 采集太阳的照明系统研究[J]. 中国工程科学, 2002, 4(9): 63－68.

[2] 江源, 殷志东. 光纤照明及应用[M]. 北京： 化学工业出版社, 2009: 370－383.

[3] 解福瑶,郑勤红. 光纤传输太阳能的原理及其应用技术[J]. 新能源, 1997, 19(8): 26－30.

[4] 郑晓东,郝允祥. 一种有前途的采光照明方式—光纤采光[J].照明工程学报, 1992, 3(1-2): 96－99.

[5] 杨银元. 储能照明节电新技术[J]. 中国照明电器, 2002，(3): 1－7.