日光聚光光纖照明系統研究

陳秀雯，許景峰，胡英奎，翁 季，陳仲林

(1.重慶市江北嘴中央商務區開發投資有限公司，重慶 400024;2.重慶大學建筑城規學院，重慶 400045）

0 引言

隨著聚光太陽能技術不斷發展，不但使光伏技術從第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，發展到目前的第三代聚光光伏技術，而且還擴大到日光聚光光纖照明領域中，從而極大地提高了日光聚光光纖照明系統的效能。日光聚光光纖照明技術就是采用聚光器，將日光匯聚到一個面積很小的焦斑上，提高了光纖輸入端面上的輻射功率密度，從而極大地提高了系統的光通量輸出。聚光采光技術是通過聚光器，利用相對便宜的光學聚光設備，將太陽光匯聚到光纖輸入端面上，節約了大量的價格較貴的光纖，從而有利于日光聚光采光技術在照明領域中的推廣應用。

1 日光聚光光纖照明系統總效能

日光聚光光纖照明系統是由3個子系統組成的:一是光纖采光系統，二是光纖導光系統，三是光纖照明系統。光纖采光系統是由跟蹤裝置、聚光器、耦合和光纖排列方式組成的，這些光學器件的效能大小均要影響到光纖采光系統的輸出效能。光纖導光系統是由光纖承擔了光輸送功能，光纖的光衰減量和光纖長度會直接影響到光纖輸出的光通量大小。光纖照明系統是由光纖燈具構成的，光纖燈具的配光和效率等，也會影響到把陽光分配到需要光的區域的適宜程度。從光的流程來看，日光聚光光纖照明系統效能分析見表1。

表1 日光聚光光纖照明系統效能分析

從表1中可得出日光聚光光纖照明系統的總效能，

式中:ηQ——日光聚光光纖照明系統的總效能;

η11——跟蹤效率;

n——聚光器的幾何聚光比，在本文中簡稱為聚光比;

η12——耦合效率;

η13——光束填充率;

τ——單位長光纖的透光率;

η——燈具效率。

設聚光效能，

又設光纖采光系統的效能，

于是由(1）式得到日光聚光光纖照明系統的總效能，

為了使日光聚光光纖照明系統具有較好的照明效果，就必須使日光聚光光纖照明系統的總效能越大越好。

1.1 日光聚光光纖采光系統效能

由聚光器把太陽光在焦點處匯聚成面積很小的光斑，這是日光聚光光纖照明系統有效工作的前提，也就是說只有在太陽光明亮，地物影子明顯的條件下，才能使該照明系統正常工作，簡言之，只能在陽光照射、天氣晴朗時該系統才能發揮較好的照明效果，并可以采用年平均日光光量評價。為了使日光聚光光纖采光系統輸出足夠多的光通量，就應該使跟蹤裝置、聚光器、光耦合和光纖排列方式具有高效能，即跟蹤效率、聚光比、光耦合效率和光束填充率越大才能對系統的光輸出越有利，即該系統輸出的光通量越大。

1.1.1 跟蹤效率

日光跟蹤裝置的作用是隨時使日光聚光器正對太陽光，這主要由太陽跟蹤傳感器、跟蹤控制電路、傳動機構和驅動電機等實現的，也可以采用GPS定位，進一步提高跟蹤太陽的精度。日光自動跟蹤裝置分為單軸跟蹤裝置與雙軸跟蹤裝置，雙軸跟蹤裝置的跟蹤精度高，可達 0.1°。

1.1.2 聚光比

日光聚光裝置的聚光方式主要是采用菲涅爾透鏡聚光和凸透鏡聚光。菲涅爾透鏡對跟蹤太陽的精度要求低;而凸透鏡對跟蹤太陽的精度要求較高，但是由于光折射作用，可使不同波長的光在不同距離處產生焦點，紫外線焦點靠近透鏡，紅外線焦點遠離透鏡，可見光焦點居中。日光聚光光纖照明系統僅利用了約占太陽輻射能量的47%的可見光。在可見光焦點處設置光導纖維接受端面，不但可以避免太陽光譜中紫外線對光纖材料的破壞，而且還可以剔除紅外線對光纖接收端面的溫升影響，保持特定形狀，不使耦合效果變壞。日光聚光裝置對日光聚光光纖照明系統的總效能影響很大的1個參數是聚光比，可用n表示，并由生產廠家提供的每一個透鏡的直徑計算出每鏡的受光面積，或直接由廠家提供的日光聚光裝置總的受光面積除以該聚光裝置中的透鏡個數獲得，前后兩種方法的計算結果相同。例如，對于“向日葵”型日光聚光光纖照明系統而言，聚光裝置的聚光比估算約為9000多倍，這樣不但可以極大地提高了該系統的總效能，而且還極大地節約了價格昂貴的光纖材料，從而把該系統推廣到實際照明應用成為可能。

1.1.3 耦合效率

如何將太陽光高效地耦合到光導纖維中，從而在光纖輸出端獲得更多的光通量，這是一個聚光采光的關鍵技術，因為影響因素很多，所以要想解決耦合問題就變得非常困難。為了實現與光纖的最佳偶合，即使之具有最大的耦合效率，就必須首先要達到以下的要求:一是使日光聚焦光斑不大于光纖輸入端面積，耦合光軸與光纖端面法線重合;二是光纖輸入端面光滑且保持特定形狀，就需要有效地消除紅外線，防止光纖升溫而導致輸入端面變形;三是光纖輸入端要鍍增透膜，防止可見光產生反射;四是盡量選用直徑大的光纖;五是使光入射角不能太大，否則在光纖中不產生全反射等。總之，影響耦合效率的因素還有很多，所以要想精確地確定耦合后的光通量與耦合前的光通量比值，即要想精確地確定耦合效率是非常困難的。

式中:η12——耦合效率;

φ2——耦合后的光通量;

φ1——耦合前的光通量。

雖然很難獲得聚光光纖采光系統中的耦合效率，但是該值在計算日光聚光光纖照明系統的總效能時是必不可少的，所以建議采用實測的方法間接估算出耦合效率的大小，即在光度學實驗室中，測量出垂直于平行光的照度值大小，再用積分球測出光導纖維輸出光通量，于是，一旦確定了跟蹤效率、聚光比、光束填充率和光纖透光率，就可以計算出耦合效率的估算值，并可以用于日光聚光光纖照明計算和照明設計中去。

1.1.4 填充率

影響光纖傳輸光通量性能的重要參數還有光纖在光束端套內截面積，即就是說光纖的排列方式以及光纖本身的幾何形狀，光纖皮層厚度等對光束端套內光纖芯部有效傳光面積大小產生影響，也就是使光纖芯部有效傳光面積之和同光束端套內截面積之比——光束填充率產生影響。從(1）式看，光束填充率η13越大，光纖照明系統的總效能越大，照明效果就越好。光束填充率可由更實用的參數斂集率、光束的幾何參數、排列方式和幾何形狀等計算出來，但是計算較為復雜。對于“向日葵”型日光聚光光纖照明系統而言，該系統采用了1個透鏡聚焦在1根光纖端面上的技術措施，所以可把該型號的光束填充率視為1。

1.2 光纖導光系統效能

在日光聚光光纖照明系統中所采用的導光光纖可采用聚合物光纖、石英光纖、多組分玻璃光纖、液芯光纖和空心光纖等，其中石英光纖的光傳輸效率較大，但價貴。評價光纖光傳輸效率的指標是單位長的光纖透光率，

式中:τ——單位長的光纖透光率(%）;

φ——光纖輸出光通量(lm）;

φ0——光纖輸入光通量(lm）。

光纖透光率大小與光在光纖中的材料吸收、散射、反射和缺陷等材料本身的質量好壞有關，此外還與光纖皮層材料特性及光纖的制備工藝有關等，尤其與傳輸的光的波長有關。對于照明應用而言，可不考慮光的波長對透光率大小影響，直接用(5）式來計算單位長的光纖透光率，也可以由單位長光纖的光能衰減量β且按下式換算出來，

光衰減量可根據國標GB/T 15972.40—2008規定的測量方法，由截斷法、插入損耗法、后向散射法和譜衰減模型來確定。因為購買光纖產品時，廠家一般會提供光纖的光衰減量數據，所以一般可由(7）式計算出單位長的光纖透光率，當然在具有測量條件時，可根據國標GB/T 15972.46—2008規定的測量方法測算出光纖透光率。

1.3 光纖照明系統效能

光纖燈具也是一種能透光、分配和改變通過光纖傳輸過來光分布的器具，因此衡量光纖燈具合適與否的首要參數是配光曲線，即是說運用于特定場合的光纖燈具的光分布是否使光分布符合要求，因為最終目的是使通過光纖燈具把光分配到需要光的區域，從而使照明水平符合相應的國家標準要求。

對光纖燈具而言，為了使燈具發出的總光通量更多，就必須使投射在燈具內表面被其吸收的光能更少，即燈具效率更大。所謂光纖燈具效率就是在相同的使用條件下，燈具發出的總光通量與燈具內所有光纖輸出端出射的總光通量之比，

式中:η——光纖燈具效率(%）;

φ——光纖燈具發出的總光通量(lm）;

φ0——光纖輸出端射出的總光通量(lm）。

光纖燈具效率大小取決于燈罩開口大小和燈罩材料的光反射比和光透射比大小。

在實際照明工程應用場合，光纖燈具還應滿足使用環境的要求，即具有相應的防水汽、防灰塵的防護等級，還要符合壽命要求以及價格合理，維護方便，安全可靠，美觀實用等要求。對于一些特殊照明場所，例如，對于公路隧道照明，還要滿足運營車速、交通量、隧道線形等方面的要求，提高駕乘人員的安全性和舒適性，使通過隧道時安全、迅速。

2 日光聚光光纖照明系統效能估算示例

在相同光輸入條件下，日光聚光光纖照明系統的總效能越大，光纖輸出端射出的光通量就越大，而且與光纖總輸入光通量之間可用式(9）表示，

式中:η12Q——日光聚光光纖采光和導光系統的總效能，且有

式中:φQ——光纖輸出端射出的總光通量(lm）;

φ0Q——系統輸入端射入的總光通量(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很難精確地確定，為此，就必須在具有光軌和積分球等光學儀器設備的光度學實驗條件下，即在最佳條件下，如用照度計測得該照明系統輸入端入射的照度值為9.8×104lx，則可在每根光纖端面積上產生光通量為0.07697 lm;經過聚光后，用積分球測得“向日葵”型日光聚光光纖采光系統15 m長φ1 mm的每根光纖輸出端射出的光通量為320 lm。

由于在光軌上用平行光垂直入射在該系統輸入端——聚光器透鏡平面上，所以此時可認為跟蹤效率η11為 1。

現已知“向日葵”型是1鏡對應1根φ1 mm光纖的情況下，以及12個透鏡的總受光面積為85100 mm2，于是可算得每鏡受光面積為7092 mm2，而每根光纖的光芯面積為0.7854 mm2。如果把該面積看成是焦斑面積的話，則對于“向日葵”型聚光器的聚光比至少為

并且可把“向日葵”型光束填充率η13視為1。但是，由于經費等限制，目前無法實測透光率τ，所以如果以15 m長的高純度石英光纖每米透光率為95.5%計算，則光衰減量由(6）式算得

于是15 m長光纖透光率，

因此，由(11）式算得耦合效率，

3 小結

日光聚光光纖照明系統是一個很復雜的系統，要想使日光聚光光纖照明系統的總效能更大，就必須使該系統中各個子系統的效能越大才行。其中提高聚光器的聚光比是增大總效能的一個好方法，隨著聚光采光技術的不斷進步，將逐步解決由于聚光比增大而使光纖接受光端面產生的溫升等問題。總之，聚光比越大，所需的光纖材料將越少，因而使日光聚光光纖照明系統的成本越低，越有利于該照明系統推廣應用。

光纖的使用長度主要由光纖導光時的傳輸損耗確定，即光纖透光率越大，光纖傳輸損耗越小，光纖使用長度就越長;但是，光纖透光率越大，就對光纖材料本身要求越高，制備光纖的工藝也要求越高，于是，光纖的價格就越貴，越不利于該照明系統的推廣應用。

［1］江源，殷志東.光纖照明及應用［M］.北京:化學工業出版社，2009

［2］陳秀雯，胡英奎，翁季，等.公路隧道出口段光纖采光照明設計方法探討［J］.燈與照明，2012(3）:18～20

［3］GB/T 15972.46—2008.光纖試驗方法規范［S］

［4］GB/T 15972.40—2008.光纖試驗方法規范［S］

［5］杜春旭，王普，吳玉庭，等.線性菲涅耳聚光裝置的聚光比分析［J］.光學學報，2011(8）:1～7