日光聚光光纤照明系统研究

陈秀雯，许景峰，胡英奎，翁 季，陈仲林

(1.重庆市江北嘴中央商务区开发投资有限公司，重庆 400024;2.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045）

0 引言

随着聚光太阳能技术不断发展，不但使光伏技术从第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，发展到目前的第三代聚光光伏技术，而且还扩大到日光聚光光纤照明领域中，从而极大地提高了日光聚光光纤照明系统的效能。日光聚光光纤照明技术就是采用聚光器，将日光汇聚到一个面积很小的焦斑上，提高了光纤输入端面上的辐射功率密度，从而极大地提高了系统的光通量输出。聚光采光技术是通过聚光器，利用相对便宜的光学聚光设备，将太阳光汇聚到光纤输入端面上，节约了大量的价格较贵的光纤，从而有利于日光聚光采光技术在照明领域中的推广应用。

1 日光聚光光纤照明系统总效能

日光聚光光纤照明系统是由3个子系统组成的:一是光纤采光系统，二是光纤导光系统，三是光纤照明系统。光纤采光系统是由跟踪装置、聚光器、耦合和光纤排列方式组成的，这些光学器件的效能大小均要影响到光纤采光系统的输出效能。光纤导光系统是由光纤承担了光输送功能，光纤的光衰减量和光纤长度会直接影响到光纤输出的光通量大小。光纤照明系统是由光纤灯具构成的，光纤灯具的配光和效率等，也会影响到把阳光分配到需要光的区域的适宜程度。从光的流程来看，日光聚光光纤照明系统效能分析见表1。

表1 日光聚光光纤照明系统效能分析

从表1中可得出日光聚光光纤照明系统的总效能，

式中:ηQ——日光聚光光纤照明系统的总效能;

η11——跟踪效率;

n——聚光器的几何聚光比，在本文中简称为聚光比;

η12——耦合效率;

η13——光束填充率;

τ——单位长光纤的透光率;

η——灯具效率。

设聚光效能，

又设光纤采光系统的效能，

于是由(1）式得到日光聚光光纤照明系统的总效能，

为了使日光聚光光纤照明系统具有较好的照明效果，就必须使日光聚光光纤照明系统的总效能越大越好。

1.1 日光聚光光纤采光系统效能

由聚光器把太阳光在焦点处汇聚成面积很小的光斑，这是日光聚光光纤照明系统有效工作的前提，也就是说只有在太阳光明亮，地物影子明显的条件下，才能使该照明系统正常工作，简言之，只能在阳光照射、天气晴朗时该系统才能发挥较好的照明效果，并可以采用年平均日光光量评价。为了使日光聚光光纤采光系统输出足够多的光通量，就应该使跟踪装置、聚光器、光耦合和光纤排列方式具有高效能，即跟踪效率、聚光比、光耦合效率和光束填充率越大才能对系统的光输出越有利，即该系统输出的光通量越大。

1.1.1 跟踪效率

日光跟踪装置的作用是随时使日光聚光器正对太阳光，这主要由太阳跟踪传感器、跟踪控制电路、传动机构和驱动电机等实现的，也可以采用GPS定位，进一步提高跟踪太阳的精度。日光自动跟踪装置分为单轴跟踪装置与双轴跟踪装置，双轴跟踪装置的跟踪精度高，可达 0.1°。

1.1.2 聚光比

日光聚光装置的聚光方式主要是采用菲涅尔透镜聚光和凸透镜聚光。菲涅尔透镜对跟踪太阳的精度要求低;而凸透镜对跟踪太阳的精度要求较高，但是由于光折射作用，可使不同波长的光在不同距离处产生焦点，紫外线焦点靠近透镜，红外线焦点远离透镜，可见光焦点居中。日光聚光光纤照明系统仅利用了约占太阳辐射能量的47%的可见光。在可见光焦点处设置光导纤维接受端面，不但可以避免太阳光谱中紫外线对光纤材料的破坏，而且还可以剔除红外线对光纤接收端面的温升影响，保持特定形状，不使耦合效果变坏。日光聚光装置对日光聚光光纤照明系统的总效能影响很大的1个参数是聚光比，可用n表示，并由生产厂家提供的每一个透镜的直径计算出每镜的受光面积，或直接由厂家提供的日光聚光装置总的受光面积除以该聚光装置中的透镜个数获得，前后两种方法的计算结果相同。例如，对于“向日葵”型日光聚光光纤照明系统而言，聚光装置的聚光比估算约为9000多倍，这样不但可以极大地提高了该系统的总效能，而且还极大地节约了价格昂贵的光纤材料，从而把该系统推广到实际照明应用成为可能。

1.1.3 耦合效率

如何将太阳光高效地耦合到光导纤维中，从而在光纤输出端获得更多的光通量，这是一个聚光采光的关键技术，因为影响因素很多，所以要想解决耦合问题就变得非常困难。为了实现与光纤的最佳偶合，即使之具有最大的耦合效率，就必须首先要达到以下的要求:一是使日光聚焦光斑不大于光纤输入端面积，耦合光轴与光纤端面法线重合;二是光纤输入端面光滑且保持特定形状，就需要有效地消除红外线，防止光纤升温而导致输入端面变形;三是光纤输入端要镀增透膜，防止可见光产生反射;四是尽量选用直径大的光纤;五是使光入射角不能太大，否则在光纤中不产生全反射等。总之，影响耦合效率的因素还有很多，所以要想精确地确定耦合后的光通量与耦合前的光通量比值，即要想精确地确定耦合效率是非常困难的。

式中:η12——耦合效率;

φ2——耦合后的光通量;

φ1——耦合前的光通量。

虽然很难获得聚光光纤采光系统中的耦合效率，但是该值在计算日光聚光光纤照明系统的总效能时是必不可少的，所以建议采用实测的方法间接估算出耦合效率的大小，即在光度学实验室中，测量出垂直于平行光的照度值大小，再用积分球测出光导纤维输出光通量，于是，一旦确定了跟踪效率、聚光比、光束填充率和光纤透光率，就可以计算出耦合效率的估算值，并可以用于日光聚光光纤照明计算和照明设计中去。

1.1.4 填充率

影响光纤传输光通量性能的重要参数还有光纤在光束端套内截面积，即就是说光纤的排列方式以及光纤本身的几何形状，光纤皮层厚度等对光束端套内光纤芯部有效传光面积大小产生影响，也就是使光纤芯部有效传光面积之和同光束端套内截面积之比——光束填充率产生影响。从(1）式看，光束填充率η13越大，光纤照明系统的总效能越大，照明效果就越好。光束填充率可由更实用的参数敛集率、光束的几何参数、排列方式和几何形状等计算出来，但是计算较为复杂。对于“向日葵”型日光聚光光纤照明系统而言，该系统采用了1个透镜聚焦在1根光纤端面上的技术措施，所以可把该型号的光束填充率视为1。

1.2 光纤导光系统效能

在日光聚光光纤照明系统中所采用的导光光纤可采用聚合物光纤、石英光纤、多组分玻璃光纤、液芯光纤和空心光纤等，其中石英光纤的光传输效率较大，但价贵。评价光纤光传输效率的指标是单位长的光纤透光率，

式中:τ——单位长的光纤透光率(%）;

φ——光纤输出光通量(lm）;

φ0——光纤输入光通量(lm）。

光纤透光率大小与光在光纤中的材料吸收、散射、反射和缺陷等材料本身的质量好坏有关，此外还与光纤皮层材料特性及光纤的制备工艺有关等，尤其与传输的光的波长有关。对于照明应用而言，可不考虑光的波长对透光率大小影响，直接用(5）式来计算单位长的光纤透光率，也可以由单位长光纤的光能衰减量β且按下式换算出来，

光衰减量可根据国标GB/T 15972.40—2008规定的测量方法，由截断法、插入损耗法、后向散射法和谱衰减模型来确定。因为购买光纤产品时，厂家一般会提供光纤的光衰减量数据，所以一般可由(7）式计算出单位长的光纤透光率，当然在具有测量条件时，可根据国标GB/T 15972.46—2008规定的测量方法测算出光纤透光率。

1.3 光纤照明系统效能

光纤灯具也是一种能透光、分配和改变通过光纤传输过来光分布的器具，因此衡量光纤灯具合适与否的首要参数是配光曲线，即是说运用于特定场合的光纤灯具的光分布是否使光分布符合要求，因为最终目的是使通过光纤灯具把光分配到需要光的区域，从而使照明水平符合相应的国家标准要求。

对光纤灯具而言，为了使灯具发出的总光通量更多，就必须使投射在灯具内表面被其吸收的光能更少，即灯具效率更大。所谓光纤灯具效率就是在相同的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光纤输出端出射的总光通量之比，

式中:η——光纤灯具效率(%）;

φ——光纤灯具发出的总光通量(lm）;

φ0——光纤输出端射出的总光通量(lm）。

光纤灯具效率大小取决于灯罩开口大小和灯罩材料的光反射比和光透射比大小。

在实际照明工程应用场合，光纤灯具还应满足使用环境的要求，即具有相应的防水汽、防灰尘的防护等级，还要符合寿命要求以及价格合理，维护方便，安全可靠，美观实用等要求。对于一些特殊照明场所，例如，对于公路隧道照明，还要满足运营车速、交通量、隧道线形等方面的要求，提高驾乘人员的安全性和舒适性，使通过隧道时安全、迅速。

2 日光聚光光纤照明系统效能估算示例

在相同光输入条件下，日光聚光光纤照明系统的总效能越大，光纤输出端射出的光通量就越大，而且与光纤总输入光通量之间可用式(9）表示，

式中:η12Q——日光聚光光纤采光和导光系统的总效能，且有

式中:φQ——光纤输出端射出的总光通量(lm）;

φ0Q——系统输入端射入的总光通量(lm）。

于是由(9）式、(10）式和(2）式可得，

由前面分析可知，(4）式中的耦合效率η12很难精确地确定，为此，就必须在具有光轨和积分球等光学仪器设备的光度学实验条件下，即在最佳条件下，如用照度计测得该照明系统输入端入射的照度值为9.8×104lx，则可在每根光纤端面积上产生光通量为0.07697 lm;经过聚光后，用积分球测得“向日葵”型日光聚光光纤采光系统15 m长φ1 mm的每根光纤输出端射出的光通量为320 lm。

由于在光轨上用平行光垂直入射在该系统输入端——聚光器透镜平面上，所以此时可认为跟踪效率η11为 1。

现已知“向日葵”型是1镜对应1根φ1 mm光纤的情况下，以及12个透镜的总受光面积为85100 mm2，于是可算得每镜受光面积为7092 mm2，而每根光纤的光芯面积为0.7854 mm2。如果把该面积看成是焦斑面积的话，则对于“向日葵”型聚光器的聚光比至少为

并且可把“向日葵”型光束填充率η13视为1。但是，由于经费等限制，目前无法实测透光率τ，所以如果以15 m长的高纯度石英光纤每米透光率为95.5%计算，则光衰减量由(6）式算得

于是15 m长光纤透光率，

因此，由(11）式算得耦合效率，

3 小结

日光聚光光纤照明系统是一个很复杂的系统，要想使日光聚光光纤照明系统的总效能更大，就必须使该系统中各个子系统的效能越大才行。其中提高聚光器的聚光比是增大总效能的一个好方法，随着聚光采光技术的不断进步，将逐步解决由于聚光比增大而使光纤接受光端面产生的温升等问题。总之，聚光比越大，所需的光纤材料将越少，因而使日光聚光光纤照明系统的成本越低，越有利于该照明系统推广应用。

光纤的使用长度主要由光纤导光时的传输损耗确定，即光纤透光率越大，光纤传输损耗越小，光纤使用长度就越长;但是，光纤透光率越大，就对光纤材料本身要求越高，制备光纤的工艺也要求越高，于是，光纤的价格就越贵，越不利于该照明系统的推广应用。

［1］江源，殷志东.光纤照明及应用［M］.北京:化学工业出版社，2009

［2］陈秀雯，胡英奎，翁季，等.公路隧道出口段光纤采光照明设计方法探讨［J］.灯与照明，2012(3）:18～20

［3］GB/T 15972.46—2008.光纤试验方法规范［S］

［4］GB/T 15972.40—2008.光纤试验方法规范［S］

［5］杜春旭，王普，吴玉庭，等.线性菲涅耳聚光装置的聚光比分析［J］.光学学报，2011(8）:1～7