太陽光光纖照明在隧道中應用的可行性分析

羅亨俊，史玲娜，涂 耘，王小軍

(1.貴州省公路局，貴州 貴陽 550003；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶 400067)

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太陽光光纖照明在隧道中應用的可行性分析

羅亨俊1，史玲娜2，涂 耘2，王小軍2

(1.貴州省公路局，貴州 貴陽 550003；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，交通工程與節能分院，重慶 400067)

針對隧道照明能耗過高、入口段能耗比重大的問題，提出利用太陽光光纖照明技術進行隧道入口段照明的方案。根據太陽輻射計算方法和太陽光譜分布，分析了不同地區的太陽輻射強度、太陽光光纖照明系統的光能利用率及隧道的照明需求，建立了太陽光光纖照明系統的規模與建設成本與不同影響因素之間的關系，并得出了不同輻射強度及隧道照明需求下所需的太陽光光纖照明系統規模，從而為太陽光光纖照明在隧道中的應用提供了可行性的理論分析依據和工程指導建議。

大氣光學；隧道照明；太陽能；光纖照明；輻射強度；節能減排

引言

隨著國家及地方高速公路網規劃的逐步實施以及高速公路不斷向山嶺重丘延伸，我國公路隧道規模在不斷擴大[1-2]。為確保行車安全，隧道照明需全年每天連續不間斷開啟，隧道照明費用已成為公路隧道運營中的一項沉重負擔[3-4]，其中隧道入口段的加強照明又占了照明總能耗的40%左右，如何有效降低隧道照明能耗特別是入口段的能耗，成為隧道建設及運營階段節能減排研究的重點。與此同時，直接利用太陽光照明的采光方法已在一些領域投入試點應用，如利用導光管進行太陽光地下車庫的照明、利用光纖導光進行太陽光室內照明等[5-8]。相比較目前應用較多的太陽能光伏照明技術[9-10]，直接采用太陽光照明可以避免太陽能轉化為電能、電能再轉化為光能這種兩次轉換過程所帶來的光能浪費，以及轉換所涉及的過程復雜、成本較高等問題。

隧道照明受天氣、交通量、照明時段等不同因素的影響，特別是隧道入口段，其亮度需求直接與洞外亮度密切相關，為了避免駕駛員白天進入隧道產生的“黑洞效應”，入口段亮度要求較高[11-12]。另一方面，隧道入口段是緊靠洞口位置，其空間位置最有可能直接利用太陽光照明。通過光纖照明技術直接將太陽光導入隧道入口段以代替傳統的電光照明，不但可以從根本上解決白天隧道入口段高能耗的問題，更可為道路交通實現綠色照明提供全新的解決方案。

根據光纖照明技術的特點，從系統尾端出射的太陽光能量受到系統采光面積、光耦合效率、光傳輸效率及出射效率等因素的影響。其中系統采光面積決定了用于隧道照明的光纖照明系統的規模，進而影響其建設成本。為了分析太陽光光纖照明技術用于隧道照明的可行性，必須從光能量的利用角度出發，結合隧道照明和光纖照明的特點，對滿足隧道照明前提下的光纖照明系統規模及建設成本進行分析。本文就是從太陽輻射度學出發，根據光度學與輻射度學的關系，分析隧道照明要求與光纖照明系統參數之間的關系，得出達到隧道照明要求的系統規模及工程造價與相關影響參數之間的關系，從而為太陽光光纖照明技術用于隧道照明提供可供參考的理論及經濟指導意見。

1 光纖照明系統可行性影響因素分析

1.1 太陽輻射強度

地球上太陽輻射能量由太陽對地球的天文位置決定，到達地球的太陽輻射量除晝夜和季節的變化外，還存在地區的差異。根據朗伯-比爾定律，在水平面上的輻射強度I可表示為[13]

I=I0(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(1)

式中I0為太陽常數，其值為1368W/m2，φ為地理緯度，δ為太陽赤緯，ω為時角。

結合一年中不同時間由于日地距離不同引起的大氣上界輻射強度不同，地球上天文輻射強度可表示為

(2)

對于太陽光光纖照明系統而言，其采光系統菲涅耳透鏡在太陽光跟蹤系統的作用下對準太陽直射方向，與水平面往往具有一定的傾角。一般情況下，地球表面傾斜面的太陽輻射強度包括太陽直接輻射強度、太陽散射輻射強度和反射輻射強度。通常，太陽散射輻射強度遠小于太陽直射輻射強度，并且，在晴朗的天氣利用太陽輻射進行照明時，陽光采集器距地面往往有一定的距離，由地面反射至采集器的反射輻射強度也可忽略不計。因此在太陽光光纖照明技術中，太陽輻射強度只需考慮直射到陽光采集器的太陽直射輻射即可，即

Iθ=IDθ=Ipm(cosθsinh+sinθcoshcos(a-γ))

(3)

由式(2)～(3)可以得出不同地區不同季節在一天不同時刻地面上任一平面所接收到的太陽輻射強度。

1.2 光纖照明系統效率

太陽光光纖照明系統是通過采光裝置收集太陽光，通過光纖將收集到的太陽光傳輸到需照明區域，再通過合適的尾燈將太陽光投射出來，如圖1所示。根據原理不同，在國際上有不同的采光系統，如日本的“向日葵”系統、美國的碗碟狀反光系統等。目前，國內研究較多的菲涅耳透鏡采光系統的原理與“向日葵”系統類似，即采用菲涅耳透鏡將太陽光會聚到焦點處，再將會聚后的太陽光耦合至傳輸光纖，因此系統的采光效果受到透鏡的聚光度C和光學效率η的影響，其中

(4)

(5)

式中S1為透鏡的采光面積，S2為焦斑面積，E1為透鏡上的太陽光照度，E2為焦斑處的太陽光照度，U為透鏡總的光損失，是由反射、吸收、散射及加工誤差等造成的。

圖1 太陽光光纖照明系統示意圖Fig.1 Sketch map of solar fiber lighting

陽光采集器將太陽光會聚于透鏡的焦點處，由于太陽光譜連續分布，不同波長的太陽光聚集于軸線不同位置，將光纖入射端置于太陽光譜可見光范圍的焦斑處，可濾去光譜中的紅外與紫外光成份，只將人眼可見的太陽光導入光纖，如圖2所示。所導入的太陽光能量受光纖的耦合效率τ及太陽光在光纖內的傳輸效率影響。耦合效率是指入射到光纖輸入端面耦合的光通量Φ2與透鏡焦斑處的光通量Φ1之比，即

(6)

圖2 太陽光會聚示意圖Fig.2 Sketch map of sunlight focusing

為提高光纖的耦合效率，最有效的辦法是選用大直徑的光纖，以提高光纖束的填充比，從而增大有效入射面積，但同時也會增加系統成本的大幅增加。

光纖的傳輸效率主要與材料本身的特性有關，其能量衰減性用衰減系數表示，其定義為每公里光纖對光功率的衰減值，即

(7)

式中Pi為輸入光功率值，Po為輸出光功率值。

經光纖傳輸的太陽光通過光纖尾燈將太陽光投射到需照明的區域，出射的太陽光能利用率與尾燈的燈具效能有關。為了盡可能地提高太陽光的利用率，要求從光纖末端出射的太陽光在經過尾燈后盡可能地投射到需照明區域，因此，需要根據隧道照明要求對光纖尾燈進行配光優化設計。

綜合而言，太陽光光纖照明系統的總效能可表示為

ηQ=C×η×τ×(1-a)×L×ρ

(8)

式中ηQ為光纖照明系統的總效能；η為透鏡的光學效率；C為陽光采集器的聚光度；τ為光纖的耦合效率；a為光纖的衰減系數；L為光纖的傳輸距離；ρ為燈具效率。

為了使光纖照明系統具有較好的照明效果，必須使光纖照明系統的總效能越大越好。在系統上需分別提高陽光采集器的采光效率、光纖導光系統效率和光纖照明出射效率。

1.3 隧道照明需求

根據《公路隧道照明設計細則》(以下簡稱《細則》)[14]，隧道照明需求與洞外亮度、設計車速及交通量等因素有關。以隧道入口段為例，隧道洞外亮度為L20(S)，在設某種設計車速及交通量下入口段的長度為D，隧道寬度為W。根據《細則》規定，隧道兩側2m高范圍內的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%。因此，隧道入口段的光通量要求可用式(9)表示。

Φs=Φr+Φw=(W+1.2hW)EthD

(9)

式中Eth=qLth=qkL20(S)，Φs為隧道入口段的總光通量，Φr為入口段路面所需光通量，Φw為入口段兩側墻面所需光通量，k為亮度折減系數，q為平均亮度與平均換算系數，不同材質的路面該換算系數不同，Eth為入口段路面平均照度，hW為墻面高度，根據《細則》要求取2 m。

根據式(9)，只要隧道洞外亮度、設計車速、交通量、隧道結構已知，隧道入口段的照明需求就可以獲得，其他區段亦如此。

2 光纖照明系統可行性分析

由于不同地區地理緯度和太陽高度不同，當地的太陽輻射強度不同，加之不同隧道的設計參數及工況不同，對應的照明需求亦不同。因此，在采用太陽光光纖照明系統時，需綜合考慮當地的實際情況和隧道的照明需求進行太陽光光纖照明系統的規模設置分析，以確定該系統應用的可行性，從而在可行的前提下為系統的設計安裝提供工程依據。

圖3 太陽輻射光譜分布Fig.3 The spectrum of solar radiation intensity

圖3為地球表面太陽輻射光譜分布φλ(λ)，由式(3)和圖3可得不同地區的太陽輻射強度分布與波長之間的關系，即

(10)

(11)

式中V(λ)是明視覺條件下眼睛對可見光不同波長輻射的光譜光視函數。

假設用太陽光光纖照明系統進行隧道照明時，滿足式(9)隧道照明要求所需的系統采光面積為S，根據式(8)所表示的光纖照明系統的總效能，可以建立起不同地區太陽輻射強度與隧道照明需求之間的關系，如式(12)所示。

(W+1.2hW)qkL20(S)D

(12)

式中Iθ由式(3)表示，由當地的緯度、太陽方位角、采光鏡方位角等因素決定，M為出射尾燈的維護系數，k表示出射光的利用系數，在尾燈出射光配光合理的情況下，k可以達到90%以上。

根據式(12)太陽輻射強度、光纖照明系統效能、隧道照明參數要求及所需系統規模S之間的關系，可以得到不同條件下的太陽光光纖照明系統的建設成本，用s表示單個菲涅耳透鏡的面積，N表示單套系統的透鏡數目，L表示光纖照明系統引入隧道照明的總距離，fs表示太陽光采集器的單價(元/套)，ff表示光纖束單價(元/m)，ft表示系統總價，則由式(12)可得不同條件下的隧道光纖照明系統的設備成本為

(13)

以一座二車道、設計速度為80 km/h、單向交通設計小時交通量小于350 veh/(h·ln)的隧道為例，根據所取的維護系數、利用系數及光纖照明系統，由式(11)可得不同地區不同太陽光輻射強度下滿足隧道入口段要求所需的陽光采集器的采光面積大小。圖4表示不同太陽光輻射強度下根據式(12)在滿足隧道入口段照明要求時所需的系統采光面積，即系統規模S。從圖4中可見，隨著太陽輻射強度的增加，光纖照明系統的規模遞減。由于不同地區太陽輻射強度不同，根據不同地區太陽輻射強度分布可以確定在應用該系統時所需的光纖照明系統的規模。以上是對隧道入口段應用太陽光光纖照明的系統規模的分析，其他照明區段的分析亦如此。

圖4 光纖照明系統規模與太陽輻射強度的關系Fig.4 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity

由于光纖照明系統的太陽光利用效率受到陽光采集、傳輸及出射等不同環節的影響，不同光學部分的性能不同，均會影響到系統的整體利用效率。圖5顯示了當系統的總利用效率分別為10%和20%時不同太陽輻射強度下所對應的光纖照明系統的規模。由圖5可見，當系統的光利率增加一倍時，所需的系統規模就減小一半，從而系統的建設成本亦隨之減半。

圖5 不同光利用效率下的光纖照明系統規模與太陽 輻射強度的關系Fig.5 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity in different utilization of sunlight

另一方面，不同隧道由于長度、朝向、線形及交通量等因素不同，對隧道照明的需求亦不同，這就意味著在同一地區應用太陽光光纖照明系統時，亦需根據隧道實際進行系統的合理優化設計，圖6為太陽輻射強度300 W/m2時由式(12)得到的不同隧道照明需求下的光纖照明系統規模，兩者滿足線性關系，當隧道照明需求介于中間值時，可用線性插值法求出所需的光纖照明系統規模及成本。

圖6 不同隧道照明需求下的光纖照明系統規模Fig.6 Solar fiber lighting system in different damand of tunnel lighting

根據上述內容可見，在采用太陽光光纖照明系統進行隧道照明時，可根據不同地區的太陽輻射強度，結合光纖照明系統的光利用率和隧道的照明需求，得出在滿足隧道照明需求下的系統規模。以陜西某地五月份為例，當地在該月的太陽輻射平均強度為300 W/m2，當隧道入口段的照明需求為400 000 lm時，所需的系統規模在10 m2左右，對于6鏡式向日葵陽光采集系統，用22套系統即可滿足要求。圖7和圖8為該太陽光光纖照明系統用于隧道入口段照明的效果圖及對應指標值，由仿真結果可見，在采用太陽光光纖照明系統時，根據光纖尾燈的出射光分布進行系統的合理布置，其出射光的分布可以滿足隧道照明要求。

圖7 太陽光光纖隧道照明效果圖Fig.7 Lighting effect of soar fiber lighting in tunnel

圖8 太陽光光纖隧道照明指標值Fig.8 Index of soar fiber lighting in tunnle

3 結論

本文在目前隧道照明能耗問題突出，國家積極推行使用綠色能源、實行節能減排方針政策的背景下，提出采用太陽光光纖照明技術進行隧道照明的方法。通過太陽輻射原理，采用光度學和輻射度學的方法，建立了太陽輻射強度、太陽光光纖照明系統效能、隧道照明需求與所需太陽光光纖照明系統的規模及建設成本之間的關系，為太陽光光纖照明技術在隧道照明中的應用提供可行性的理論及工程建設依據，總體結論如下：

1)采用太陽光光纖照明系統直接將太陽光通過光纖導入隧道進行照明，可以避免目前太陽能在照明領域使用上存在光電—電光轉換引起的光能利用率低且轉換系統龐大而復雜的問題，從直接利用太陽光能角度提出一種解決隧道照明能耗過高的方法，為太陽能在隧道照明中的應用提供了一種全新的解決方案；

2)從太陽輻射原理建立了不同地區太陽輻射參量對照明所需光通量的影響，從物理原理上為太陽光直接照明應用提供了理論依據；

3)建立的太陽輻射強度、太陽光光纖照明系統的光能利用率、隧道照明光通量需求與太陽光光纖照明系統的規模及成本的關系，從系統上為太陽光光纖照明技術在隧道照明中的應用提供可行性指導方案；

4)隧道太陽光光纖照明系統的規模和成本隨太陽輻射強度和系統光能利用總效能的增加而減小，隨著隧道照明需求的增加而增加，不同地區在應用太陽光光纖照明技術進行隧道照明時，需根據當地的太陽輻射強度和隧道照明參數進行科學分析和計算。

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Feasible Analysis of the Application of Solar Fiber Lighting in Tunnel

LUO Hengjun1，SHI Lingna2, TU yun2, WANG Xiaojun2

(1.HighwayBureauofGuiZhou,Guiyang550003,China; 2.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067,China)

Aiming at the issues of high energy consumption and high rate of energy consumption in entrance section of tunnel lighting, a lighting solution is proposed for the entrance section of tunnel lighting used by solar fiber lighting technique. Based on the calculation method of solar radiation and the spectrum of solar radiation intensity, the solar radiation intensity in different region, the use ratio of optical energy of solar fiber lighting system and the demand of tunnel lighting are analyzed. Then, the relation between the scale and cost of solar fiber lighting system and different factors influencing them is established, and the scale of solar fiber lighting system in the condition of different solar radiation intensity and demand of tunnel lighting is deduced. This work will supply the theoretical basis and directed suggestion for the appliance of solar fiber lighting in tunnel.

atmospheric optics； tunnel lighting； solar energy； fiber lighting； radiation intensity； energy saving and emissions reduction

交通運輸部科技成果推廣項目(2013316350070)，陜西省交通廳科技項目(13-29K)，貴州省交通廳科技項目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail:shilingna@cmhk.com

TU113.665，U453.7

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.010