江蘇法爾勝泓昇 集團(tuán)有限公司 ■ 朱維軍 嚴(yán)偉 趙霞 劉禮華 徐紅

一 引言

建筑物如何充分利用太陽光節(jié)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(dǎo)太陽光照明的方法和設(shè)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(zhuǎn)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(shù)。自20世紀(jì)30年代就被人們所認(rèn)識和接受的光纖照明技術(shù)由于材料成本以及光衰減率太高等原因一直無法實現(xiàn)大批量的產(chǎn)業(yè)化和商品化，但是在20世紀(jì)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(jì)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(xiàn)光纖照明的大批量產(chǎn)業(yè)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(chǎn)品并陸續(xù)投放市場。

目前人們能夠?qū)崿F(xiàn)的直接利用太陽光的技術(shù)大致有：導(dǎo)光纖維法、平面反射法、導(dǎo)光管法等[1]。本文著重介紹導(dǎo)光纖維法實現(xiàn)技術(shù)，即由太陽光集光器收集并通過導(dǎo)光光纖傳導(dǎo)的光纖照明法。

光纖照明是近年興起的高科技照明技術(shù)，通過光纖導(dǎo)體的傳輸，可以將光源傳導(dǎo)到任意區(qū)域里，而這也是光纖最特殊的地方。光纖照明技術(shù)近年來飛速發(fā)展，已被越來越多的人們所關(guān)注，其應(yīng)用實例不勝枚舉，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)藥等不同場合，國內(nèi)外也有了各種類型的配套產(chǎn)品，有著不可估量的市場前景。

二 光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)簡介

光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)是由集光器、傳導(dǎo)裝置和放射裝置三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

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

1集光器

系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖

亞加力球罩：能夠?qū)?nèi)部聚光組件進(jìn)行良好的保護(hù)，同時特殊的球型構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)對陽光的采集；同時特殊的材質(zhì)也能對陽光中的紫外線進(jìn)行一級過濾。

筒座：對整個集光系統(tǒng)進(jìn)行水平固定，使系統(tǒng)在一個穩(wěn)定的環(huán)境下工作。筒座內(nèi)部放置有全球定位系統(tǒng)和微機(jī)控制程序，在系統(tǒng)工作前，輸入安裝位置的經(jīng)緯度，就能實時自動跟蹤太陽的方位，控制電機(jī)仰俯角度和水平位移，進(jìn)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(tǒng)(簡稱GPS)初步定位后，能夠?qū)﹃柟膺M(jìn)行精確的定位追蹤，使集光器能夠?qū)崟r采集到最強(qiáng)烈的直射陽光，提高采集效率和最終的光照強(qiáng)度。

機(jī)械裝置：控制聚光組件的二維聯(lián)動，由程序?qū)PS和光感元件傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，對機(jī)械裝置進(jìn)行精確的控制，調(diào)整聚光組件的仰俯角度和水平轉(zhuǎn)動，使聚光組件采集到最強(qiáng)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(shù)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(dǎo)光光纖進(jìn)行光的收集。聚光組件的功能是對陽光進(jìn)行聚焦，將聚焦陽光耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，同時實現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)光纖中進(jìn)行傳導(dǎo)，保證傳輸損耗較低，這是一個很大的技術(shù)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(xué)特性，焦斑較小，對太陽跟蹤精度要求精度低，加工方便、質(zhì)輕、大尺寸、成本低的特點。系統(tǒng)中通常采用菲涅耳透鏡，光通過率達(dá)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(nèi)，誤差小于0.1mm[2]。

電源線及插頭：系統(tǒng)采用220V照明用電對微機(jī)和控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行供電，這樣成本會稍微上升，但同時也更方便、更節(jié)能。

2傳導(dǎo)裝置

所用的傳導(dǎo)裝置就是導(dǎo)光光纖。光纖本身的導(dǎo)體主要是由玻璃材料(SiO2)抽絲制成，它的傳輸是利用光經(jīng)由高折射率的介質(zhì)，以高于臨界角的角度進(jìn)入低折射率介質(zhì)會產(chǎn)生全反射的原理，讓光在這個介質(zhì)里能夠維持光波形的特性進(jìn)行傳輸。其中高折射率的核心部分，就是光傳輸?shù)闹饕ǖ?。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(chǎn)生全反射，光也因此可以在核心里來傳輸。保護(hù)層的目的，主要是為了保護(hù)外殼與核心不易損壞，同時也可增加光纖的強(qiáng)度[3]。

導(dǎo)光光纖主要應(yīng)用于傳導(dǎo)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?shù)氖歉叨葷饪s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(dǎo)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(dǎo)光光纖和導(dǎo)光纜的參數(shù)要求如表1。

光纖的構(gòu)造可以簡略分為核心、外殼與保護(hù)層三個部分(圖4)。

圖4 導(dǎo)光光纖結(jié)構(gòu)示意圖

3放射裝置

系統(tǒng)最后一個部分為放射裝置，作用是固定導(dǎo)光光纖纖尾，形成多樣的發(fā)光形式。實質(zhì)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(yīng)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(tǒng)的優(yōu)點及應(yīng)用場合

表1 導(dǎo)光光纖和導(dǎo)光光纜的參數(shù)要求

圖5 照明燈具

光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)，可應(yīng)用于煤礦開采、地下空間、國防軍事、學(xué)校、醫(yī)院、療養(yǎng)中心、監(jiān)獄、商場超市、酒店、工業(yè)廠房、展覽館、港口、機(jī)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(jié)能、環(huán)?？墒龟幇祬^(qū)域獲得健康舒適太陽光的照明系統(tǒng)。另外，它可實現(xiàn)光電分離，甚至不需消耗常規(guī)電力，可應(yīng)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(chǎn)安全的照明系統(tǒng)。因此光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)的研發(fā)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，市場廣闊[4]。

眾所周知節(jié)能、環(huán)保和安全是世界性的問題。如今，用于照明領(lǐng)域的耗能非常驚人，主要是商業(yè)和工業(yè)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(fā)電量的15%左右，據(jù)統(tǒng)計白天照明占照明用電的50%以上，主要是商業(yè)和工業(yè)用電，如能開發(fā)自然光照明系統(tǒng)(如光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng))可以節(jié)約白天用電量的50%以上，即以每年節(jié)省用電820億kWh，0.8元/kWh來計算，每年可節(jié)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(chǎn)，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(huán)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(diào)負(fù)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(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)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(xù)分布在人眼可見范圍內(nèi)，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(nèi)照明效果如圖6所示。

圖6 太陽光室內(nèi)照明效果

開發(fā)低耗能，甚至不耗能的光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)，在提倡健康、低碳、綠色環(huán)保的今天，無疑意義重大。

四 系統(tǒng)存在的問題及現(xiàn)狀

光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)在國內(nèi)外已有相關(guān)產(chǎn)品銷售。目前市場上有以下幾款產(chǎn)品：一是日本萊福瑞工程股份有限公司制造的“向日葵”系統(tǒng)，該系統(tǒng)中一個6鏡單束光纜的系統(tǒng)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(dǎo)入系統(tǒng)，一套12鏡、15m光纖的系統(tǒng)要8萬元，價格很高。南京帥瑞光導(dǎo)纖維式陽光導(dǎo)入器，一套5鏡系統(tǒng)要6萬多元，光纖采用進(jìn)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(dǎo)入器，源自德國技術(shù)，導(dǎo)光光纖也是塑料光纖。還有北京東方風(fēng)光新能源技術(shù)有限公司也有相關(guān)產(chǎn)品。雖然目前該類產(chǎn)品較多，但普遍存在的問題是價格昂貴，目前市場上導(dǎo)光系統(tǒng)中的導(dǎo)光光纖1m價值上千元，而一套系統(tǒng)至少要用15m長。由于導(dǎo)光光纖價格不菲，整套光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)屬于奢侈品行列，不適合普通民用普及。目前系統(tǒng)中使用的導(dǎo)光光纖均為國外進(jìn)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(tǒng)，市場將極為巨大。

低成本、高性能的光纖傳導(dǎo)太陽光照明系統(tǒng)是一項具有挑戰(zhàn)，也很有意義的項目。開發(fā)大芯徑、低損耗、性能穩(wěn)定的導(dǎo)光光纖并使之實現(xiàn)國產(chǎn)化，是未來應(yīng)當(dāng)努力的方向。

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

[2] 江源, 殷志東. 光纖照明及應(yīng)用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009: 370－383.

[3] 解?，?鄭勤紅. 光纖傳輸太陽能的原理及其應(yīng)用技術(shù)[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(xué)報, 1992, 3(1-2): 96－99.

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