光纖傳導太陽光照明系統

江蘇法爾勝泓昇 集團有限公司 ■ 朱維軍 嚴偉 趙霞 劉禮華 徐紅

一 引言

建筑物如何充分利用太陽光節約照明用電，是國際建筑和照明界的一個重要課題。光纖傳導太陽光照明的方法和設想最初由建筑界提出。雖然人們對太陽能的利用越來越廣泛，但是目前對太陽能的利用主要集中在將太陽能轉化為電能和熱能上，而光纖照明正是將太陽光直接加以利用的技術。自20世紀30年代就被人們所認識和接受的光纖照明技術由于材料成本以及光衰減率太高等原因一直無法實現大批量的產業化和商品化，但是在20世紀60年代美國的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為芯材制備出塑料光纖在20世紀70年代末日本三菱麗陽公司以高純MMA單體聚合PMMA使光纖損耗下降到200dB/ km[1]。雖然這仍未實現光纖照明的大批量產業化和商品化，但卻將光纖裝飾照明真正推向了實用階段。目前太陽能光纖照明已形成多種產品并陸續投放市場。

目前人們能夠實現的直接利用太陽光的技術大致有：導光纖維法、平面反射法、導光管法等[1]。本文著重介紹導光纖維法實現技術，即由太陽光集光器收集并通過導光光纖傳導的光纖照明法。

光纖照明是近年興起的高科技照明技術，通過光纖導體的傳輸，可以將光源傳導到任意區域里，而這也是光纖最特殊的地方。光纖照明技術近年來飛速發展，已被越來越多的人們所關注，其應用實例不勝枚舉，廣泛地應用于工業、醫藥等不同場合，國內外也有了各種類型的配套產品，有著不可估量的市場前景。

二 光纖傳導太陽光照明系統簡介

光纖傳導太陽光照明系統是由集光器、傳導裝置和放射裝置三部分構成，如圖1所示。

圖1 系統構成示意圖

室外的自然光通過集光器導入到照明系統中進行重新分配，經過傳導裝置(光纖)傳輸和強化后由系統底部的放射裝置(室內末端投射裝置)把自然光均勻高效地照射到室內，帶來自然光照明的特殊效果。

1集光器

系統最主要的部分就是收集太陽光的裝置——集光器。圖2所示的集光器是由日本萊福瑞公司生產的12鏡太陽光集光器，外觀形似向日葵，故也俗稱向日葵系統。能夠實現對太陽光的追蹤采集，紫外線及有害射線的過濾，陽光的聚焦耦合等功能。

圖2 集光器結構示意圖

亞加力球罩：能夠對內部聚光組件進行良好的保護，同時特殊的球型構造能夠實現自清潔功能，不落積雪不聚雨水；高透光性能夠更大限度地實現對陽光的采集；同時特殊的材質也能對陽光中的紫外線進行一級過濾。

筒座：對整個集光系統進行水平固定，使系統在一個穩定的環境下工作。筒座內部放置有全球定位系統和微機控制程序，在系統工作前，輸入安裝位置的經緯度，就能實時自動跟蹤太陽的方位，控制電機仰俯角度和水平位移，進行陽光的初步定位。

傳感器：聚焦鏡中部安裝有光感元件，在配合全球定位系統(簡稱GPS)初步定位后，能夠對陽光進行精確的定位追蹤，使集光器能夠實時采集到最強烈的直射陽光，提高采集效率和最終的光照強度。

機械裝置：控制聚光組件的二維聯動，由程序對GPS和光感元件傳回的數據進行處理后，對機械裝置進行精確的控制，調整聚光組件的仰俯角度和水平轉動，使聚光組件采集到最強烈的直射陽光，最大限度提高陽光的采集效率。

聚光組件：整個集光器最核心的部分，也是最精密的部分，存在許多技術難點。圖2所示為12鏡集光器，有12片聚焦鏡，每片聚焦鏡后都有一根導光光纖進行光的收集。聚光組件的功能是對陽光進行聚焦，將聚焦陽光耦合進光纖進行傳輸，同時實現紫外線的二級過濾，見圖3。

圖3 光纖端面定位陽光采集示意圖

通過控制耦合端面與透鏡焦點的位置，實現對紫外線的過濾，同時還要考慮怎樣能夠把最多的陽光耦合進光纖中進行傳導，保證傳輸損耗較低，這是一個很大的技術難點。聚光鏡有用反射鏡、凸透鏡、菲涅耳透鏡聚光等方式。其中菲涅耳透鏡具有較好的光學特性，焦斑較小，對太陽跟蹤精度要求精度低，加工方便、質輕、大尺寸、成本低的特點。系統中通常采用菲涅耳透鏡，光通過率達90%以上，光線會聚率為75%～85%，厚度誤差在±0.05mm，平面度誤差在直徑為50mm的范圍內，誤差小于0.1mm[2]。

電源線及插頭：系統采用220V照明用電對微機和控制系統進行供電，功率≤2W，耗電量非常小。另外，也可以改為太陽電池板進行供電，這樣成本會稍微上升，但同時也更方便、更節能。

2傳導裝置

所用的傳導裝置就是導光光纖。光纖本身的導體主要是由玻璃材料(SiO2)抽絲制成，它的傳輸是利用光經由高折射率的介質，以高于臨界角的角度進入低折射率介質會產生全反射的原理，讓光在這個介質里能夠維持光波形的特性進行傳輸。其中高折射率的核心部分，就是光傳輸的主要通道。而低折射率的外殼，則包覆住整個核心。由于核心的折射率比外殼高出很多，所以會產生全反射，光也因此可以在核心里來傳輸。保護層的目的，主要是為了保護外殼與核心不易損壞，同時也可增加光纖的強度[3]。

導光光纖主要應用于傳導太陽光用于照明，要求對太陽光譜有極高的傳輸透過率，因此其在太陽光譜，特別是在可見光譜的損耗要極低。為了獲得足夠多的陽光傳輸，芯徑尺寸要大，同時要考慮光纖的彎曲性。芯徑尺寸和彎曲性要折中考慮。光纖中傳輸的是高度濃縮的太陽光，因此要求包層能承受高功率密度輻射。另外還要求導光光纖耐高低溫、抗沖擊、抗拉伸等一系列苛刻要求，同時還要考慮成本。導光光纖和導光纜的參數要求如表1。

光纖的構造可以簡略分為核心、外殼與保護層三個部分(圖4)。

圖4 導光光纖結構示意圖

3放射裝置

系統最后一個部分為放射裝置，作用是固定導光光纖纖尾，形成多樣的發光形式。實質上，它就是一個燈具(圖5)，只不過燈具不用供電，通過光纖來供光，能均勻向周圍投射彌散的自然光，出光柔和。燈具易于安裝、更換。同時有各種外型美觀、應用于不同地方、多種出光顏色可選、能滿足個性化需要的燈具。

三 系統的優點及應用場合

表1 導光光纖和導光光纜的參數要求

圖5 照明燈具

光纖傳導太陽光照明系統，可應用于煤礦開采、地下空間、國防軍事、學校、醫院、療養中心、監獄、商場超市、酒店、工業廠房、展覽館、港口、機場、火車站、文物古跡、陰面房屋等場合，用于日間照明，是一種節能、環保可使陰暗區域獲得健康舒適太陽光的照明系統。另外，它可實現光電分離，甚至不需消耗常規電力，可應用于煤礦、武器彈藥庫等易燃易爆場所，排除隱患，所以它又是能保障生命財產安全的照明系統。因此光纖傳導太陽光照明系統的研發具有顯著的經濟效益和社會效益，市場廣闊[4]。

眾所周知節能、環保和安全是世界性的問題。如今，用于照明領域的耗能非常驚人，主要是商業和工業用電，煤礦開采、辦公室、商場、地鐵等場所的照明及裝飾都在消耗大量能源。目前，我國照明耗電量占總發電量的15%左右，據統計白天照明占照明用電的50%以上，主要是商業和工業用電，如能開發自然光照明系統(如光纖傳導太陽光照明系統)可以節約白天用電量的50%以上，即以每年節省用電820億kWh，0.8元/kWh來計算，每年可節省電費約656億元。目前我國的電能主要由燃燒化石燃料生產，在獲得電能的同時向大氣排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，這些氣體是造成全球各種環境問題的重要原因。如果用天然光代替人工光源照明，還可以大大減少空調負荷，有利于降低建筑物能耗和對臭氧層的破壞[5]。

另外，光纖傳導太陽光照明系統出射光為全色光，光線柔和，照度分布均勻，顯色性好，光譜連續分布在人眼可見范圍內，所以不僅視覺效果好，而且長時間觀察不易疲勞。大量的實驗證明：自然光照明條件下的視覺對比靈敏度高于電力照明的5%～20%以上。除了視力，自然光對身體的健康也有利。室內照明效果如圖6所示。

圖6 太陽光室內照明效果

開發低耗能，甚至不耗能的光纖傳導太陽光照明系統，在提倡健康、低碳、綠色環保的今天，無疑意義重大。

四 系統存在的問題及現狀

光纖傳導太陽光照明系統在國內外已有相關產品銷售。目前市場上有以下幾款產品：一是日本萊福瑞工程股份有限公司制造的“向日葵”系統，該系統中一個6鏡單束光纜的系統價格要幾萬元，只滿足10m2左右照明使用，使用的光纖為大芯徑的石英光纖；還有南京杰特光纖式陽光導入系統，一套12鏡、15m光纖的系統要8萬元，價格很高。南京帥瑞光導纖維式陽光導入器，一套5鏡系統要6萬多元，光纖采用進口塑料光纖；江蘇勝福來能源科技有限公司的“圣福來”太陽光能光纖導入器，源自德國技術，導光光纖也是塑料光纖。還有北京東方風光新能源技術有限公司也有相關產品。雖然目前該類產品較多，但普遍存在的問題是價格昂貴，目前市場上導光系統中的導光光纖1m價值上千元，而一套系統至少要用15m長。由于導光光纖價格不菲，整套光纖傳導太陽光照明系統屬于奢侈品行列，不適合普通民用普及。目前系統中使用的導光光纖均為國外進口。如果能制造出成本低廉的用于民用的太陽能光纖照明系統，市場將極為巨大。

低成本、高性能的光纖傳導太陽光照明系統是一項具有挑戰，也很有意義的項目。開發大芯徑、低損耗、性能穩定的導光光纖并使之實現國產化，是未來應當努力的方向。

[1] 張耀明. 采集太陽的照明系統研究[J]. 中國工程科學, 2002, 4(9): 63－68.

[2] 江源, 殷志東. 光纖照明及應用[M]. 北京： 化學工業出版社, 2009: 370－383.

[3] 解福瑤,鄭勤紅. 光纖傳輸太陽能的原理及其應用技術[J]. 新能源, 1997, 19(8): 26－30.

[4] 鄭曉東,郝允祥. 一種有前途的采光照明方式—光纖采光[J].照明工程學報, 1992, 3(1-2): 96－99.

[5] 楊銀元. 儲能照明節電新技術[J]. 中國照明電器, 2002，(3): 1－7.