第３３卷第８期 宜春学院学报 Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．８ ２０１１年８月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＹｉｃｈｕｎ ＣｏＨｅｇｅ Ａｕｇ．２０１１ 太阳能光纤照明系统在节能型城市建设中的应用 郝中骐。刘莉 （宜春学院物理科学与工程技术学院，江西 宜春３３６０００） 摘要：太阳能光纤照明技术将太阳能利用和光纤照明有机结合，是一种新颖的照明技术。阐述了太阳能光 纤照明系统组成及原理，分析了太阳能光纤照明系统在节能型城市建设中的几种典型应用。 关键词：太阳能；光纤照明；节能；城市建设 中图分类号：ＴＫＳ１９文献标志码：Ａ文章编号：１６７１—３８０Ｘ（２０１１）０８—００６１—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｆｉｂｅｒ—－Ｏｐｔｉｃ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ—－ｓａｖｉｎｇ Ｃｉｔｙ ＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ—ｑｉ，ＬＩＵ Ｌｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙ￣ｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｍｉｔｙ，Ｙｉｃｈｕｎ ３３６０００ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｄａｒ ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｌａｒ ｕｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｉｂｅｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｉｆｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ａｐｐｈｃ￣ｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ—ｃｉｔｙ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ；ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ；ｃｉｙｔ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ １导论 照明系统采用光纤引导自然光照明，是充分利用太阳能照 ２０世纪７０年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩 明最为新颖的途径，在节能型城市的建设中，必将受到国 目。从现在算起全球的化石燃料耗尽的时间平均不足１００ 际建筑和照明界的高度重视 Ｊ。 年，太阳能是最典型、能量最强的自然光源，但仅有很少 ２太阳能光纤照明系统 一部分通过玻璃窗、天窗射人室内，大部分随着日月交替 太阳能光纤照明系统，主要由太阳能集光装置、导光 而白白流逝了。照明能耗是人类生活能源消耗中最多的一 光纤、末端散射器件及光开关等附件组成，如图１所示， 项，约占总能耗的９％以上…。太阳能的开发利用一般有 室外的阳光被聚光装置收集，并汇聚在焦点处，以此提升 间接和直接间接两种途径，间接方法通过光电转换或光热 太阳光亮度，经滤色片将对人体有害的紫外线进行大幅拦 转换，面临转换效率低、转换成本高的难题，直接利用是 截，再导入到光导纤维中，经光导纤维传输至末端散射器 太阳能利用的新思路。国家游泳中心“水立方”采用的 件进行室内，在昼间提供室内日光浴、水景照明、室内植 ＥＴＦＥ膜透光性非常好，为场馆带来了每天近９小时的自然 物光照、地下室或地下通道照明、古建筑物、文物、厂矿 光照射，节能３０％－２ Ｊ，然而其使用范围有限。太阳能光纤 及易燃易爆场合等特殊场合的照明。 １．太阳２．凹面镜３．滤色片４．凹面镜５．光纤６．末端散射器件７．菲涅尔透镜 图１太阳能光纤照明系统示意图 ２．１太阳能采光器 （图１中７）以及瑞士日光巴士（Ｈｅｌｉｏｂｕｓ）公司和俄罗斯 太阳能采光器是用来收集室外太阳光并将其汇聚在一 Ａｉｚｅｎｂｅｒｇ教授合作开发的一种异形凹面镜（图１中２、４）。 点的装置 ，较典型的是日本Ｌａ Ｆｏｒｅｔ工程公司推出第一 菲涅尔透镜透可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短， 台采集太阳光的照明系统“向日葵”所采用的菲涅尔透镜 且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小，和普 收稿日期：２０１１—０５—０４ 作者简介：郝中骐（１９７８一），男，山西榆社人，讲师，硕士，主要从事光束传输研究。 ・６１・ 第８期 宜春学院学报 第３３卷 通透镜相比，菲涅耳透镜更薄，因此可以传递更多的光， 是一种较为理想的太阳能采集器；采用凹面镜采光，为提 高表面反射率，用金属或介质镀膜，成本较高，且镜面变 渐、持续地发射出来，时间可达几小时甚至几十小时，是 一种绿色环保蓄光型发光材料，不仅可以释放从蓝到红的 Ｊ。基于长余辉材料设计太 单色光，而且可以释放白光 形或老化都会使采光效率下降，但方便制作大尺寸镜面， 从而提高集光能量。 ２．２太阳自动跟踪装置 由于地球自转，太阳能光纤照明系统必须有太阳自动 跟踪装置，才能保持采光器光轴始终与太阳入射光线平行， 阳能蓄光系统，将白天的太阳能存储在长余辉材料中，在 夜晚释放的方法，有望弥补太阳能光纤照明系统的缺陷。 ３在节能型城市建设中的应用 太阳能光纤照明系统基本不涉及能耗，极尽节能之概 念，在节能型城市建设中采用太阳能光纤照明系统是一种 极具潜力的方法。 提高采光效率。该跟踪装置主要包括跟踪传感器、内藏式 微电脑控制器和双轴马达传动机构。一种是在控制程序中 设有计时功能 ，可根据年、月、１３、时确定太阳的位 置，使透镜面向太阳，其控制程序是以地理位置为依据设 计的，因此在不同地域使用时需要预先对控制程序进行修 正；另外一种是全自动跟踪太阳的采光装置¨ 引，太阳光 跟踪传感器探测太阳位置并传递信号至跟踪控制电路，控 制电路输出驱动信号驱动相应电机，通过机械传动机构带 动采光器转动，从而实现自动跟踪功能。 ２．３导光光纤 导光光纤在聚焦系统之后，用以将采光器收集的太阳 能传输至室内。可用于太阳能传输的光纤要求截面大，能 够让更多的光耦合入纤芯；。其次，能够长时间传输较高的 能量，且不易变形、老化。最重要的是要求在可见光范围 内有较高的传输效率，传输损耗低。上世纪７Ｏ年代后期， 三菱丽阳公司以高纯ＭＭＡ单体聚合ＰＭＭＡ，使塑料光纤损 耗下降到２００ ｄＢ／ｋｍ以下 。能有效传输太阳能光纤多为 空心且纤芯内壁有涂层的光纤 －２３１，空芯金属波导的透过 率可达４０％左右，而空芯光纤的透过率甚至可达９０％以 上。这种光纤主要是靠涂层提高内壁的反射率，价格昂贵。 常 等研制的新型空心反共振反射光纤，在太阳光的波长 范围０．３８—０．７８１ａ．ｍ范围内，ＴＥ０１模的损耗系数是０．０１０４ —０．５８７６ ｄＢ／ｋｍ；ＴＭ０１模的损耗系数为０．１１０２—０．６３２４ ｄＢ／ｋｍ，传输２０ｍ能量损耗不超过１０％，而普通照明光源 电光转换率只有约１５％。所以该光纤能克服之前太阳能光 纤损耗高的缺点，适合太阳能光纤照明系统。虽然该光纤 截面积是普通光纤的１００多倍，但光纤结构简单，对光纤 制造技术要求不高。 ２．４末端散射器件 光纤照明末端散射器件（光纤灯）有两种类型，一种 是端面发光的，一种是侧面发光的 Ｊ。端面发光光纤灯通 常安装有适当的光输出装置，以给出所要求的光分布形式， 如定向式、投光式、标柱式等，从而使光线照射到真正需 要光的地方；侧面发光光纤灯从光纤束的侧面照射出来， 并且整段光纤的亮度都非常均匀，类似于霓虹灯的效果。 ２．５蓄光装置 由于地球自转及气候变化，如果要使用该系统进行进 夜间或阴雨天照明就必须有蓄光装置，将光能存储下来， 目前常用方法是用光伏发电系统将太阳能转换为电能存储 下来 ］，但充电电池的使用会造成环境污染。如果能制造 出像电池一样的“光池”，就可将光能暂时存储下来，用它 作为太阳能光纤夜间照明系统的光源，可以脱离照明用电 的限制。长余辉发光材料幢 是一类被光照时能吸收和储 存激发能，停止激发后能把储存的能量以可见光的形式逐 ・６２・ ３．１室内照明 太阳能光纤照明系统已广泛应用于各种室内场合照明， 并在不断地推广中。目前主要适合在商场、运动场馆、地 下室 、候机（车）厅、剧院等地的昼间照明。采用阳光 照明光照均匀，颜色柔和，不仅节省电费开支，减少环境 的污染，而且还提供了来自大自然的舒适光线。太阳能光 纤照明使人们在最私密的空间享受室内日光浴，有效防治 一些慢性病和缺钙症等 。无论玻璃窗是否向阳设计，无 论居于高楼大厦还是地下室，都可以享受自然阳光的照耀， 这种新型照明方式即将改变人们的采光观念，进而改变建 筑设计观念，使得建筑设计更能摆脱采光限制，因地制宜 从而合理应用土地资源。 ３．２景点照明 水景、海底世界等景点离开照明就会失去迷人的景色， 而电照明又会给游人及水底生物带来隐患，太阳能光纤照 明采集自然光，完全实现了无电照明，是水下绝对安全的 绿色照明；溶洞、石窟、地道、古墓等景观，没有阳光照 射，使用太阳能光纤照明更显示出其用武之地，使景色更 加迷人；图书馆、文物馆 、木结构等古建筑物 有电会 造成大火的危险，用光纤照明既安全又能达到理想的艺术 效果；将该系统用于室内植被照明能有效解决植物光合作 用所需光能。 ３．３安全照明 在矿区 ］、油库 】、化工、军工等严禁火种人内的危 险场合中，应用其他各种照明都有明火的隐患，稍有不慎 就会酿成大祸，太阳能光纤照明是一种较理想的照明；光 纤照明应是游泳馆的首选照明设备，同时用侧面发光彩色 光纤灯作泳道的分界线既美观、清晰，又安全；在浴室中 采用光纤照明将更安全，而且增添趣味性。 ３．４广告、标志及装饰照明 广告灯箱、地下通道－３ 或停车场等安全指示标志、色 彩绚丽的灯光装饰为了吸引人们的注意力，耗费了大量电 能资源，采用太阳能光纤照明不仅节约了电能，而且光纤 照明可以进行更为方便灵活的灯饰造型，设计光纤三维动 画，光纤壁画，光纤烟花，光纤水晶灯模拟星空效果等。 ３．５能源供给 太阳能光纤照明系统还可作为城市建筑能源供给 ， 将太阳光送入室内安置的太阳能板或太阳能热水器，为用 户供电、供暖和热水 ］。在未来的节能房、低能房及太 阳能建筑整合设计中¨ ，为了节约公共空间，保持建筑美 观，将太阳能板和太阳能热水器内置于墙体、地板、顶棚 等，甚至家具内。 ４结语 第８期 郝中骐，刘莉：太阳能光纤照明系统在节能型城市建设中的应用 第３３卷 太阳能光纤照明技术将太阳能利用和光纤照明技术有 机结合，是一种新颖的照明技术，已广泛应用于照明和能 源供给，随着产品的成熟及新应用领域的开发，成本不断 降低，产品更为成熟，其优势更加突出，应用更加广泛。 在节能型城市建设中，采用太阳能光纤照明技术具有明显 的经济及环境效应。 参考文献： ［１］张耀明．采集太阳光的照明系统研究［Ｊ］。中国工程科 学，２００２，４（９）：６４—６８ ［２］吴明儿．ＥＴＦＥ薄膜材料ＥＪ ２．世界建筑，２００９，（１０）：１０４ —１０５ ［３］Ｃａｒｉｏｕ Ｊ Ｍ，ｅｔｃ．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉ－ ｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｙｇ，１９８２，２９（５）：３９９ ［４］徐晓星．光纤照明的原理与应用［Ｊ］．灯与照明，２００２， ２６（５）：２９—３１ ［５］居家奇，陈大华，江涛，等．太阳能在绿色照明中应用的 探讨［Ｊ］．光源与照明，２００６，（４）：２２—３９ ［６］江源，殷志东．光纤在太阳能系统中的应用［Ｊ］．激光 与光电子学进展，２００９，（１０）：４９—５６ ［７］高辉，何泉．太阳能利用与建筑的一体化设计［Ｊ］．华 中建筑，２００４，（１）：７０—７２ ［８］Ｑ叫Ｚｈａｏ，Ｇｕｉｗｅｎ Ｌｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｏｌｒａ ａｒｃｈｉ— ｔｅｅｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＥＥＲＢ．２００４，４２９—４３２ ［９］李宝骏．太阳能光导采光设计原理［Ｍ］．沈阳：东北大 学出版社，１９９３ ［１Ｏ］高伟霞．光纤太阳光照明系统中聚光装置的设计［Ｊ］． 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