基于光纤导光的新型隧道综合照明装置

王振华　张弛

摘 要：隧道照明无论隧道的长短其功耗主要集中在隧道的洞口段，此段虽然只有200米左右，但是功耗集中、灯具布设密度大，是隧道照明的难点，也是隧道节能的重点。文章将光导技术用于隧道照明之中，不仅能填补隧道洞口段光导术研究的空白，还能充分利用太阳光这一绿色能源，使其造福于隧道节能照明事业。

关键词：隧道洞口照明；光导照明；追光技术

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0078-02

高速公路隧道照明质量影响着行车安全，多年以来，由于照明问题所引发的隧道交通事故比比皆是。而在这之中，又有很大一部分事故的起因是黑（白）洞效应。所谓黑（白）洞效应，指司机在驶进（出）隧道时，眼部不习惯光线的突然变化而看不清眼前的路况的现象。因此《隧道通风照明设计规范》规定，“入口段与出口段的照明由基本照明与加强照明提供”。传统的加强照明由高压钠灯或大功率LED灯提供，其灯光虽然满足隧道入（出）口亮度的要求，但终究属于人造光，其舒适度与自然光相比仍有较大的差距。

另一方面，多年以来，高速公路隧道建设者们一直将照明质量作为工程设计的核心内容与研究重点，而忽略了照明负荷约占50%左右。因此，我国现阶段高速公路隧道照明系统在保证行车安全的前提下，进行节能降耗设计是公路隧道照明系统发展的必然要求，人性化、经济化、科学化是照明技术发展以及社会发展的必然趋势。

在此背景下，本项目设计以一种基于光纤导光的新型隧道综合照明装置，与传统隧道照明系统结合，节约隧道照明所需能量，提高隧道入口段照明质量，减少事故发生。

1 隧道照明方案

公路隧道大体上是半封闭空间，容易造成隧道内外交通环境差别过大，导致车辆通过隧道时产生明暗交替，影响行车视觉。因此，高速公路隧道设计过程中需要综合考虑影响照明质量的因素。根据国家《隧道通风照明设计规范》，高速公路隧道在设计过程中需要考虑到驾驶员的明暗适应能力。因此可以将隧道照明分为五个部分：接近段、入口段、过渡段、中间段、出口段[1]。

此外，考虑到在光线不佳的情况下光纤导光所能提供的照明亮度有限，故应设计照明亮度反馈装置，使照明系统在白天自然光比较暗时隧道内部可以提供正常的照明。

2 照明装置

2.1 硬件装置

天然光光纤照明装置主要由光导入装置（聚光器）、光传输装置（光纤）和光输出装置（光纤灯，散射器）组成，其结构如图1所示。

聚光器装置：该装置主要将大面积的太阳光线汇聚起来以便于光线的传输，故需要选择聚光能力强的装置。经查阅资料，发现菲涅尔透镜适合于本项目。菲涅尔透镜应用也较广泛，并且相较于其它聚光器，其性能也较为优良。

此外，考虑到太阳光中的某些成分的光线可能对人或装置自身产生某些不利的影响，因此在太阳光线的采集过程中，需要滤去这些不利成分。目前，常见的分光元件有凸透镜、棱镜、光栅、滤光片等，考虑到系统应结构尽量简单可行，故本项目选择滤光片滤光的方式对收集的太阳光进行处理，使之符合要求

光传导部分：在聚光器收集到太阳光线之后，就必须立即将光线传输进室内，因此设计合理的光传导装置是十分必要的。目前，光的传导主要有两种方式，一是采用光导管进行导光，通过光导管内壁的反射将光线进行传输，此种方式实现较为简单，成本也相对较低，但由于内壁的反射率无法达到100%，故本项目采用光导纤维进行光的传递，光纤导光依靠全反射，损失极小。考虑到装置的价格合理性，选用塑料材质的光导纤维作为光传导材料，同时考虑到提高光发电区域的面积与光亮均匀度，避免出现过亮的情况，考虑选取侧面发光照明的光导纤维完成照明。

光输出部分：太阳光经光纤传输进隧道内，经由光纤末端的螺旋状侧发光光纤将所收集的太阳光线散射出去，考虑到侧发光光纤的散射能力有限，故本项目设计在光纤灯具出口处加装光线散射装置，使光线均匀射向室内空间。本项目拟采取凹透镜作为光线散光装置，利用凹透镜对光线的散射作用，达到光线均匀分配的目的。

2.2 光追踪方案的设计

为了集光装置可以尽可能收集太阳能，我们设计追光装置。目前，太阳追踪的方式有可分为三种：视日运动轨迹跟踪、光电跟踪、视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。考虑到光电跟踪较为复杂且易受天气的影响，因此本项目选择视日运动轨迹跟踪。追踪系统主要由平面镜反光装置、调整执行机构、控制电路、方位限位电路等部分组成。跟踪系统电路控制结构框图如图2所示。

任意时刻太阳的位置可以用太阳视位置表示。太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。系统采用水平方位步进电机和俯仰方向步进电机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时精确追踪太阳的位置。上位机负责任意时刻太阳高度角和方位角的计算，并运用软件计算出当前状况下俯仰与水平方向的步进电机运行的步数，将数据送给跟踪系统驱动器，单片机接收上位机送来的数据，驱动步进电机的运行。系统具有实现复位、水平方位的调整，俯仰方向的调整，太阳的跟踪及手动校准等功能。

3 前景展望

文章从光导隧道照明的燈具系统，照明方案，追光控制三个方面对进行研究设计，论证了室内建筑光导照明技术引入隧道这一特殊建筑物中的可行性。但是，还有许多的问题需要进一步研究。比如，在不同情况下，太阳追踪系统是否能够稳定、可靠的精确跟踪太阳；极端天气条件下，控制系统是否依然能够稳定的实现太阳的跟踪、光的导入和光导与人工照明组合照明的智能控制。并且，采光装置在使用过程中，它们都会经历光输出的损失。原因是灰尘沉积物，或者使用环境和光学表面的变化。对于所有的采光装置，进行适当的维护是必需的，这是为了使系统的性能在设计限值内和促进能源的有效利用，建议下一步对光导系统的维护措施进行深入研究。

参考文献

[1]JTJ026.1—1999公路隧道通风照明设计规范[S].

[2]尤金正，邹丽新，周同，等.太阳自动跟踪系统的设计[J].现代电子技术，2009，32（19）：139-142.