基于陽光定向器的隧道入口段反射式照明系統

周園會，劉顯明，史玲娜，陳偉民

(1.重慶大學光電工程學院光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

引言

隧道是一種半封閉的建筑，為保證行車安全，需要進行24 h不間斷照明，從而消耗大量電能。目前，我國隧道建設規模和速度均居世界首位，需要高昂的照明電費支出以保障隧道的安全運營。在隧道入口處，白天洞內外存在巨大的亮度差異，特別是夏日正午最為明顯，駕駛者進入隧道時會產生巨大的視覺明暗突變，形成白天進洞時的“黑洞效應”，極易引發行車安全事故。因此白天需要在隧道的入口處進行加強照明，并匹配洞外亮度，導致入口段是隧道照明能耗占比最高的部分。同時，隧道入口段也是隧道中最接近洞外陽光的區段，若能將洞外陽光直接引入洞內，既可實現路面亮度隨洞外亮度自動變化，又可大幅降低照明能耗，實現高效節能照明。

目前利用陽光進行隧道照明的方式主要有光纖照明和導光管照明，光纖太陽光照明[1-5]存在聚焦控制精度要求高、光能耦合效率低[6]、特種光纖成本高[7]、遠距離傳輸衰減大[8]等問題；導光管照明存在系統集光面積小、反射次數多導致整體效率極低等問題[9-14]，這兩種照明方式均難以在隧道照明中進行實際應用。而利用反射鏡將洞外陽光引入洞內是最為直接、經濟、可靠的方法，由于反射次數少且反射面積大，相比光纖和導光管照明方式具有顯著優勢[15-16]。但隧道洞口朝向、地理位置以及周邊環境等因素不同，需要針對每一條隧道具體情況進行針對性設計開發，導致系統的開發難度大，不利于應用推廣。基于此，本文針對現有陽光照明系統存在的不足，提出一種基于陽光定向器的反射式隧道入口段照明解決方案，即利用兩面反射鏡的旋轉組合實現任意方向入射太陽光定向出射，再利用第三面反射鏡將陽光反射至隧道內進行入口段照明。論文給出了陽光定向器的結構設計方案，并基于所設計制作的陽光定向器，按某一實際隧道尺寸進行了滿足入口段照明標準的仿真與分析，實現滿足公路隧道照明標準的隧道入口段反射照明系統設計。

1 陽光定向器的設計

1)工作原理。系統采用的陽光定向器主要功能是將任意方向入射的太陽光經過該系統之后實現光線的定向出射。其主要組成部分包括三面平面鏡和兩個電機(圖1)，按陽光經過順序分別為入射鏡、反射鏡和出射鏡，步進電機1和步進電機2的旋轉軸分別為水平和垂直方向。入射鏡和反射鏡與其對應的旋轉軸線夾角均為45°，步進電機1控制入射鏡繞水平軸A-A旋轉，轉軸經過入射鏡的幾何中心，步進電機2控制入射鏡與反射鏡一同繞垂直軸B-B旋轉，轉軸經過反射鏡的幾何中心。出射鏡的主要作用是將反射鏡垂直向上的出射光投射到固定點進行照射，一旦確定投射點，出射鏡的位置和角度即可固定。工作時，通過調節兩個電機的旋轉角度即可控制入射鏡和反射鏡的朝向，將任意方位角的入射太陽光經兩次反射后改變為垂直向上出射，再利用最后一面出射鏡將陽光投射至洞內指定位置進行照明應用。

圖1 陽光定向器工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of sun directional device

圖2 陽光定向器結構及分解視圖Fig.2 Structure diagram and exploded view of sun directional device

2)結構設計。根據陽光定向器的工作原理對其結構進行設計。系統整體設計如圖2(a)所示，主要部分包括：底座、旋轉結構及相應的鏡架。系統體積及對陽光的采集面積與三面反射鏡的大小密切相關，首先應確定反射鏡的尺寸。由工作原理圖可知三面反射鏡具有一致的有效工作面積，設計時若鏡面面積過大會導致系統重量加重，增大結構加工設計難度，同時導致系統的體積過大并增加安裝難度；但鏡面面積選取過小，又會導致單套系統采光面積很小，使得需要滿足隧道照明要求的系統套數增多，導致整體成本增加。綜合考慮市面上常規反射鏡大小，決定采用長寬在1.2 m以內的反射鏡進行陽光定向器的結構設計。

系統整體框架結構采用空心方管焊接，可以在保證裝置整體設計強度的情況下，最大限度減輕整體機械結構的重量和負載。根據陽光定向器的工作原理確定其整體機械結構，要實現任意方向的太陽光經過該裝置后定向出射，入射鏡與反射鏡相應的可旋轉角度為±90°范圍內即可。根據鏡面的實際高度以及空間位置，確定安裝底座和旋轉托盤的尺寸與強度關系，如圖2(b)所示，對陽光定向器各部分結構進行設計說明如下：

底座是陽光定向器的最大結構件，也是支撐陽光定向器的基礎，底座的設計直接關系到整個陽光定向器機械結構的穩定性。底座電機組件附近縱向放置的方管為提供電機支撐作用，標準為能夠容納電機放置，切電機中心軸線與出射鏡、反射鏡中心點位于同一豎直直線內。

旋轉托盤是陽光定向器上的活動件，也是入射鏡與反射鏡的基座。旋轉托盤的設計直接影響到陽光定向器在使用過程中是否能平穩的轉動，是關系到最終的光線路徑是否準確，光能利用率能否達到最大的關鍵部分。為保證入射鏡的旋轉不受阻擋，需要將入射鏡架高，并根據旋轉軸兩側的重量差進行配重設計，保障重心位于旋轉軸上。右邊為電機安裝位置，安裝完成后進行包覆以避免電機被雨水侵蝕。由于太陽運動緩慢，在一天中高度角變化不超過90°，方位角變化不超過180°，若步進電機每隔1分鐘步進1次，步進角度小于0.375°。在樣機制作時采用了12 N·m大扭矩步進電機，外部電源直接供電，后續可采用太陽能電池板和蓄電池進行供電驅動。

整體裝配應遵循陽光定向器的工作原理：入射鏡與反射鏡的幾何中心連線與步進電機1轉動軸心線重合，出射鏡與反射鏡鏡面中心連線與步進電機2轉動軸心線重合。整體裝配效果如圖2(a)所示，裝置表面采用鍍鋅和各焊接支架表面涂漆處理；各所配螺釘、墊圈等連接件表面全部采用鍍鋅處理；鏡面與安裝支座、旋轉托盤采用螺釘連接。整機裝配以及系統實物如圖3所示，由于系統中只有入射鏡需要繞水平軸A-A旋轉，為減少系統制作時間以及制作難度，樣機的反射鏡及出射鏡采用了矩形設計。

圖3 設備三維模型圖與實物圖Fig.3 3D device model and physical picture

2 隧道入口段反射式照明應用

相比于其他的陽光照明方式，采用陽光定向器可以實現任意朝向的隧道入口段照明，不受隧道地理環境的限制。對于實際的隧道入口段照明時，由于陽光定向器采用平面鏡對洞外的太陽光進行導光，其對洞外高亮度的太陽光并沒有發散效果，導致進入隧道的光強過于集中，需要進行下一級漫射對太陽光進行發散后再用于照明。下一級漫射可采用隧道拱頂涂覆反射層的方式或者搭建漫反射鏡組的方式。

3.1 單套陽光定向器照明仿真

采用光學仿真軟件對工程隧道進行建模仿真，本次仿真采用利用拱頂的自然弧度涂覆漫反射材料的方式。以貴州省盤縣至興義高速公路上坡地隧道為例，仿真針對盤縣端隧道入口段，隧道長222 m，為單向雙車道，其截面形狀規格如圖4所示。根據《公路隧道照明設計細則》計算出入口段第一段長度約為42 m，本文針對隧道入口段10～40 m的路面進行照明設計分析。仿真時采用平面鏡的反射率為0.85，考慮到鏡面反射率在運行中會受到污染降低，設計時設置維護系數[18]為0.6，拱頂漫反射涂層的吸收率為0.2。規定光能利用率為隧道10～40 m路面接收的光通量與陽光定向器入射鏡接收的光通量之積。理論上當投射入隧道的光全部用于照明時，系統的光能利用率η為0.58。如圖4所示的是采用一套陽光定向器時，投射點離洞口25 m處的仿真結果。仿真得到路面光能利用率為0.34，低于理論值，主要原因是部分光線被散射到墻面及兩側的電纜溝上。

圖4 隧道尺寸及單套系統照明仿真示意圖Fig.4 Size of the tunnel and illumination sketch map of one suit

圖5 單套系統仿真路面效果圖Fig.5 Road surface illuminance with one device

3.2 實際隧道照明仿真

當采用多套系統配合使用時，考慮到少部分光線的發散損失并沒有用于路面照明，計算時設定光能利用率為0.3。根據《公路隧道照明設計細則》[18]的照明要求，可得出所需的陽光定向器套數。

表1給出了相關計算參數及備注說明。《公路隧道照明設計細則》規定，隧道入口段照明分為兩段，其路面亮度L與洞外亮度L20(S)密切相關，且呈比例關系：Lth1=k×L20，而對于大于200 m的非光學長隧道，規定入口段的亮度值為20%Lth1，即洞內亮度應與洞外亮度呈比例關系。計算中，以某次現場實測洞外環境數據為初始數值，即隧道洞外環境亮度為3 000 cd/m2，洞外路面照度為60 000 lx，依此計算得到入口段10～40 m間所需路面亮度值為21 cd/m2。仿真時通常以路面照度作為評價指標，通過路面照度亮度比例系數將計算所得的亮度轉換成相應的照度為315 lx。根據公式(1)可以計算出照明該路段總共所需系統套數，從理論上初步確定所需要的陽光定向器套數為10套。

(1)

表1 仿真所用參數

根據照明要求，只要經過系統的出射光能夠無遮擋地投入隧道中即可實現入口段加強照明，在系統設計時需要考慮到離隧道口近的陽光定向器可能會對后方的光路造成遮擋，應對各定向器出射鏡的高度進行調整。圖6為仿真采用的10套系統在隧道外臨近段安裝位置示意圖，10套系統排布在路沿兩側，間距2 m。由于路面照明主要靠洞頂涂層的漫射實現，當出射光在洞頂的位置偏差不大時，其對于路面照明的效果影響也很小。設計中通過調整各出射鏡的角度，讓各光束中心在照明區域的洞頂均勻分布，如圖6所示。經設計仿真后對應的路面照明效果如圖7所示，其路面照度平均值達到333 lx，滿足計算要求的315 lx。

3 結論

本文針對公路隧道入口段的照明特點，提出一種利用陽光定向器進行隧道入口段陽光照明的解決方案，給出了該方案所用陽光定向器的工作原理和結構設計基礎，并利用所設計陽光定向器對實際工程隧道進行了照明效果的仿真分析。結果表明，利用所設計的10套陽光定向器照明系統進行配合使用，即可實現滿足相關標準的隧道入口段路面照明。由于每套陽光定向器可采用相同的分時方向控制策略，且單套系統光能利用率達30%以上，相比現有的光纖導光及導光管照明具有更高的效率，在簡化控制和增加光效上均具有顯著優勢，更便于實際應用。

圖6 系統安裝位置示意圖Fig.6 Location of system in target tunnel

圖7 十套系統配合作用路面效果圖Fig.7 Road surface illuminance by using ten suits of the devices

[1] 馮守中.績黃高速玉臺隧道光纖照明應用技術研究[J].地下空間與工程學報，2012(增刊):1426-1430.

[2] 史玲娜,涂耘,王小軍.太陽光光纖照明在短隧道中的應用方案研究[J].公路交通技術，2015(6):109-112.

[3] 許景峰,宗德新,胡英奎.天然光光纖照明系統在隧道照明中的應用[J].照明工程學報，2012,23 (1)：30-35.

[4] COUTURE P, NABBUS H, AL-AZZAWI A, et al.Improving passive solar collector for fiber optic lighting[Z].Electrical Power and Energy Conference，2011：68-73.

[5] VU N H, PHAM T T,SHIN S.Modified optical fiber daylighting system with sunlight transportation in free space[J].Optics Express，2016：24(26):A1528-A1545.

[6] 丁婷. 公路隧道太陽光光纖照明耦合技術研究[D]. 西安：長安大學, 2014.

[7] 朱維軍, 嚴偉, 趙霞,等. 光纖傳導太陽光照明系統[J]. 太陽能, 2012(9):39-42.

[8] 蔡春平. 光纖折射率的依賴因素[J]. 應用光學, 2000, 21(5):13-18.

[9] 李偉.無縫棱鏡導光管照明系統及其應用研究[D]. 天津:天津大學,2004.

[10] 何鐵峰,季倩倩,沈蓉,等.光導照明系統在隧道工程中的應用試驗研究[J].地下工程與隧道，2013(1)：27-30.

[11] 張青文, 陳仲林, 余洪,等.導光管照明技術在隧道照明中的應用前景[J].燈與照明，2008，32(3):1-5.

[12] GIL-MARTIN L M, PENA-GARCIA A, JIMENEZ A, et al.Study of light-pipes for the use of sunlight in road tunnels: From a scale model to real tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2014，41:82-87.

[13] OAKLEY G, RIFFAT S B,SHAO L.Daylight performance of lightpipes[J].Solar Energy，2000，69(2):89-98.

[14] PENA-GARCIA A, GIL-MARTIN L M,HERNANDEZ-MONTES E.Use of sunlight in road tunnels: An approach to the improvement of light-pipes’ efficacy through heliostats[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2016,60:135-140.

[15] 姚君霞.公路隧道太陽光直接增強照明系統的設計[D].西安:陜西科技大學，2014.

[16] 劉興茂, 史玲娜, 涂耘,等. 隧道入口段太陽光直接照明的光能分析[J]. 照明工程學報,2015，26(6):91-96.

[17] 于穎杰.一種光線立體追蹤采集裝置: 201310019621.X[P].2013-01-18.

[18] 招商局重慶交通科研設計院有限公司. 公路隧道照明設計細則:JTG/T D70/2—01—2014[M]. 北京：人民交通出版社股份有限公司, 2014.