西藏地区光纤光导系统的光传输测试

王俊涛，袁喜鹏，强巴索朗，宋记锋

(1.华北电力大学 新能源学院，北京 102206；2.西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000；3.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

0 引 言

太阳能作为一种可再生、清洁环保的资源，其开发利用一直是各国研究的热点。太阳光导照明技术是既光伏光热后，新的太阳能利用技术[1-3]，其采光系统可以直接将自然光引入到室内进行照明，既节约了化石能源的消耗，又有效减少温室气体的排放[4]。此外，直接将太阳光引入建筑照明可以提高居民的视觉质量和舒适度，有利于人们的身心健康。目前，太阳光导照明技术由于其自然、清洁环保的特点，在建筑节能领域越来越受到关注[5]。

太阳光导照明系统主要分为三类，分别是光纤光导系统、定日镜采光照明系统和光导管采光照明系统[6-8]。其中，光纤光导系统利用柔软的光纤进行远程输光，在建筑适用性上灵活性强，在市场潜力上最大。一般光纤光导系统由高精度太阳跟踪系统、聚光器和光纤束构成。聚光器对太阳光进行高倍聚焦，光纤束将聚焦光斑远程传输至室内照明，而太阳跟踪系统时刻根据太阳的运动调整高度角和方位角，保证聚光器始终精准地对准太阳[9-11]。

本文详细介绍了研制的光纤光导系统，并测试了该系统在西藏地区的室外运行性能和室内照明效果。通过设计水冷箱和夹持红外滤光片的双重方式，来解决可能存在的光纤损坏问题，为系统的进一步优化提供了方向。

1 光纤光导系统结构

光纤光导系统由双轴太阳跟踪系统和聚光传输系统组成，如图1所示。双轴太阳跟踪系统包括底座、方位角驱动、高度角驱动、太阳定位传感器、PLC 以及远程控制模块。驱动部分采用高精度蜗轮蜗杆减速器、行星减速器和步进电机构成，可以确保整个光导系统调整其方位角和高度角来精确跟踪太阳。太阳定位传感器采用高精度四象限光敏传感器来感应太阳光线的方位，为系统提供准确的太阳光线方向信息。其精度可达0.01o，反应时间小于100 ms，视野为±15o。系统采用可编程逻辑器件(PLC)进行运动控制，可以在西藏高原气候下长期可靠工作。另外系统配置4G 通讯模块以及云端服务器，可以进行远程操控。

图1 光纤光导系统结构

聚光传输系统主要由菲涅耳透镜和PMMA光纤束组成，其系统原理如图2所示,菲涅尔透镜将太阳光汇聚至其焦点处的光纤束入射端，然后由光纤传输至指定位置。菲涅尔透镜与光纤束一一对应，每一个菲涅尔透镜汇聚的光都由一根独立的光纤束来接收传输。

图2 聚光传输系统

菲涅尔透镜采用超白玻璃和硅胶材质，透镜口径为240 mm×240 mm，采用4×4 阵列布置，聚光倍数可达2 500倍。每一根光纤束都是由数十根柔软的PMM光纤组成，如图3(a)所示，光纤呈六角密集排列。

图3 光纤原理图

光纤传输辐射是由于纤芯折射率和包层折射率的差异引起的全内反射的结果。光线在光纤内部的传输原理如图3(b)所示。入射角小于或等于光纤最大接受角的光线可以有效地传输，入射角大于光纤接受角的光线在纤芯中不能实现全反射，而是反射和折射同时存在，经过多次反射折射后很快就会衰减为零。光纤的最大接受角取决于光纤材料的折射率[12]，其与光纤材料的关系为

(1)

式中：NA为光纤的数值孔径大小；θmax为光纤最大接受角；ncore为光纤纤芯的折射率；nclad为光纤纤芯的折射率。

PMMA光纤的数值孔径为0.5，为了保证光纤接收到的汇聚光都能够以全反射的方式向前传输，光纤的入射角θ要小于等于30o。因此，在实际安装过程中要保证透镜焦距与光纤接收角有效耦合，这样才能保证透镜聚集的光线都能够被光纤接受并有效传输至输出端。

为了保证光纤在高聚光比下正常工作，在光纤束的入射端设计了一个带有散热肋片的柱状水冷箱对其进行水冷，水冷结构原理如图4所示。红外滤光片来反射过滤红外光并保证可见光的有效透射。由于菲涅尔透镜汇聚的光斑，其辐照度分布是呈现不均匀的高斯分布，因此引入一个六边形的匀光腔来匀化光斑。数十根光纤密集填充在匀光腔内部，组成一根光纤束来接收传输匀化后的光线。通过以上措施，系统实现了在西藏强光环境下的可靠工作。聚光传输系统的相关参数如表1所示。

图4 光纤束水冷结构

表1 聚光传输系统相关参数

2 实验及结果

为了验证光纤光导系统实际的运行性能，开发的光导系统安装在拉萨西藏自治区能源研究示范中心(东经91°，北纬29.6°)检测大楼四楼楼顶。系统连续运行一周(2019.1.13-2019.1.20)，结果显示系统电机、驱动器、传感器和控制器运行稳定，远程手机APP 终端操控操作正常。系统基于天文算法，在早晨自动启动，日落时分自动待机。在运行期间，除2019.1.17 是阴天外，其他时间都是晴天。在晴天日期，中午时分室外照度峰值不低于12 万 lx，属于典型的强辐照天气。

2.1 输出光谱

一组光谱对比如图5所示，与室外自然太阳光谱图(图5(a))相比，PMMA光纤束的透射光谱(图5(b))不含红外波段，这是因为红外波段光被光纤本体吸收。能量被吸收后转化为热，会导致光纤温度升高甚至损坏，这也是我们在光纤入射端口采取水冷并夹持红外滤光片的重要原因。如图5(c)所示，红外光滤光片在可见光波段具有良好的透射率，同时能够有效地将近红外波段的光反射过滤。整个系统最终的输出光谱如图5(d)所示，通过对比可以看出，在380～740可见光波段，系统输出光谱与自然光谱非常相似。这证明了系统选用的PMMA光纤能够保证可见光波段光谱的输出完整性，不会对其造成畸变吸收。

图5 实验光谱对比

2.2 照明效果

为了测试光导系统实际的照明性能，在一个6 m×8.5 m的办公室内进行实际的照明测量。以地面高度1 m 处为测量点，光纤布置和测量点布置如图6 所示,室内均匀布置了30 个测点，先测量出背景照度，然后是测量光纤照明照度。背景照度测量时，窗帘遮蔽窗户，由于部分光泄露和大门处的光亮，室内背景照度均值为147 lx。在计算照明效率时，需要排除背景照度干扰。实验测试的室内照度及实际照明效果如图7所示。

图6 光纤及测量点布置

图7 室内照明效果及照度分布

2.3 效率

光纤光导系统实际的采光照明效率可以定义为

(2)

式中:η为系统采光效率;S1,S2为室内面积，有效透镜面积;X1,X2为室内平均照度、室外照度。

室内照明面积为8.5 m×6 m=51 m2，有效采光面积是0.75 m2。某一典型日的测试数据如表2所示，系统的照明效率可达15%。

表2 2019 年1 月13 日照明测量数据

光导系统理论的采光照明效率可以定义为

η=η1η2η3η4

(3)

式中：η1为透镜的透射率, 理论值为80%；η2为红外滤光片的透射率,理论值为90%；η3为光纤的传输效率，理论值为 40%；η4为光纤的填充率, 理论值为86%。

光导系统实际采光效率为15%，低于理论采光效率24.7%，这是因为光纤在使用过程中可能会折损造成光泄露，另外该系统为了避免高聚光比下光纤不会被烧毁，在光纤入射端设计有水冷箱，该部分损失没有计算在理论值内。

3 结 论

本研究研制了由双轴太阳跟踪系统和聚光传输系统组成的光纤光导系统，实现了自然光的采集传输。设计并测试了水冷柱和红外滤光片的性能，实验表明：水冷方式和红外滤光片的结合可以有效解决高通量密度引起的光纤过热问题，保证光纤的输光安全。对办公室进行了采光试验，结果表明：最终光纤光导系统的输出光谱与自然光的光谱相似且照明效率能够达到15%，可以为室内提供舒适、安全的自然光照明。