王振華　張弛

摘 要：隧道照明無論隧道的長(zhǎng)短其功耗主要集中在隧道的洞口段，此段雖然只有200米左右，但是功耗集中、燈具布設(shè)密度大，是隧道照明的難點(diǎn)，也是隧道節(jié)能的重點(diǎn)。文章將光導(dǎo)技術(shù)用于隧道照明之中，不僅能填補(bǔ)隧道洞口段光導(dǎo)術(shù)研究的空白，還能充分利用太陽光這一綠色能源，使其造福于隧道節(jié)能照明事業(yè)。

關(guān)鍵詞：隧道洞口照明；光導(dǎo)照明；追光技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0078-02

高速公路隧道照明質(zhì)量影響著行車安全，多年以來，由于照明問題所引發(fā)的隧道交通事故比比皆是。而在這之中，又有很大一部分事故的起因是黑（白）洞效應(yīng)。所謂黑（白）洞效應(yīng)，指司機(jī)在駛進(jìn)（出）隧道時(shí)，眼部不習(xí)慣光線的突然變化而看不清眼前的路況的現(xiàn)象。因此《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“入口段與出口段的照明由基本照明與加強(qiáng)照明提供”。傳統(tǒng)的加強(qiáng)照明由高壓鈉燈或大功率LED燈提供，其燈光雖然滿足隧道入（出）口亮度的要求，但終究屬于人造光，其舒適度與自然光相比仍有較大的差距。

另一方面，多年以來，高速公路隧道建設(shè)者們一直將照明質(zhì)量作為工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容與研究重點(diǎn)，而忽略了照明負(fù)荷約占50%左右。因此，我國(guó)現(xiàn)階段高速公路隧道照明系統(tǒng)在保證行車安全的前提下，進(jìn)行節(jié)能降耗設(shè)計(jì)是公路隧道照明系統(tǒng)發(fā)展的必然要求，人性化、經(jīng)濟(jì)化、科學(xué)化是照明技術(shù)發(fā)展以及社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在此背景下，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)以一種基于光纖導(dǎo)光的新型隧道綜合照明裝置，與傳統(tǒng)隧道照明系統(tǒng)結(jié)合，節(jié)約隧道照明所需能量，提高隧道入口段照明質(zhì)量，減少事故發(fā)生。

1 隧道照明方案

公路隧道大體上是半封閉空間，容易造成隧道內(nèi)外交通環(huán)境差別過大，導(dǎo)致車輛通過隧道時(shí)產(chǎn)生明暗交替，影響行車視覺。因此，高速公路隧道設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮影響照明質(zhì)量的因素。根據(jù)國(guó)家《隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》，高速公路隧道在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到駕駛員的明暗適應(yīng)能力。因此可以將隧道照明分為五個(gè)部分：接近段、入口段、過渡段、中間段、出口段[1]。

此外，考慮到在光線不佳的情況下光纖導(dǎo)光所能提供的照明亮度有限，故應(yīng)設(shè)計(jì)照明亮度反饋裝置，使照明系統(tǒng)在白天自然光比較暗時(shí)隧道內(nèi)部可以提供正常的照明。

2 照明裝置

2.1 硬件裝置

天然光光纖照明裝置主要由光導(dǎo)入裝置（聚光器）、光傳輸裝置（光纖）和光輸出裝置（光纖燈，散射器）組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

聚光器裝置：該裝置主要將大面積的太陽光線匯聚起來以便于光線的傳輸，故需要選擇聚光能力強(qiáng)的裝置。經(jīng)查閱資料，發(fā)現(xiàn)菲涅爾透鏡適合于本項(xiàng)目。菲涅爾透鏡應(yīng)用也較廣泛，并且相較于其它聚光器，其性能也較為優(yōu)良。

此外，考慮到太陽光中的某些成分的光線可能對(duì)人或裝置自身產(chǎn)生某些不利的影響，因此在太陽光線的采集過程中，需要濾去這些不利成分。目前，常見的分光元件有凸透鏡、棱鏡、光柵、濾光片等，考慮到系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單可行，故本項(xiàng)目選擇濾光片濾光的方式對(duì)收集的太陽光進(jìn)行處理，使之符合要求

光傳導(dǎo)部分：在聚光器收集到太陽光線之后，就必須立即將光線傳輸進(jìn)室內(nèi)，因此設(shè)計(jì)合理的光傳導(dǎo)裝置是十分必要的。目前，光的傳導(dǎo)主要有兩種方式，一是采用光導(dǎo)管進(jìn)行導(dǎo)光，通過光導(dǎo)管內(nèi)壁的反射將光線進(jìn)行傳輸，此種方式實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低，但由于內(nèi)壁的反射率無法達(dá)到100%，故本項(xiàng)目采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行光的傳遞，光纖導(dǎo)光依靠全反射，損失極小?？紤]到裝置的價(jià)格合理性，選用塑料材質(zhì)的光導(dǎo)纖維作為光傳導(dǎo)材料，同時(shí)考慮到提高光發(fā)電區(qū)域的面積與光亮均勻度，避免出現(xiàn)過亮的情況，考慮選取側(cè)面發(fā)光照明的光導(dǎo)纖維完成照明。

光輸出部分：太陽光經(jīng)光纖傳輸進(jìn)隧道內(nèi)，經(jīng)由光纖末端的螺旋狀側(cè)發(fā)光光纖將所收集的太陽光線散射出去，考慮到側(cè)發(fā)光光纖的散射能力有限，故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在光纖燈具出口處加裝光線散射裝置，使光線均勻射向室內(nèi)空間。本項(xiàng)目擬采取凹透鏡作為光線散光裝置，利用凹透鏡對(duì)光線的散射作用，達(dá)到光線均勻分配的目的。

2.2 光追蹤方案的設(shè)計(jì)

為了集光裝置可以盡可能收集太陽能，我們?cè)O(shè)計(jì)追光裝置。目前，太陽追蹤的方式有可分為三種：視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、光電跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合?？紤]到光電跟蹤較為復(fù)雜且易受天氣的影響，因此本項(xiàng)目選擇視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。追蹤系統(tǒng)主要由平面鏡反光裝置、調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統(tǒng)電路控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

任意時(shí)刻太陽的位置可以用太陽視位置表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽方位角指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽的位置。上位機(jī)負(fù)責(zé)任意時(shí)刻太陽高度角和方位角的計(jì)算，并運(yùn)用軟件計(jì)算出當(dāng)前狀況下俯仰與水平方向的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)，將數(shù)據(jù)送給跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)接收上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位、水平方位的調(diào)整，俯仰方向的調(diào)整，太陽的跟蹤及手動(dòng)校準(zhǔn)等功能。

3 前景展望

文章從光導(dǎo)隧道照明的燈具系統(tǒng)，照明方案，追光控制三個(gè)方面對(duì)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，論證了室內(nèi)建筑光導(dǎo)照明技術(shù)引入隧道這一特殊建筑物中的可行性。但是，還有許多的問題需要進(jìn)一步研究。比如，在不同情況下，太陽追蹤系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、可靠的精確跟蹤太陽；極端天氣條件下，控制系統(tǒng)是否依然能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)太陽的跟蹤、光的導(dǎo)入和光導(dǎo)與人工照明組合照明的智能控制。并且，采光裝置在使用過程中，它們都會(huì)經(jīng)歷光輸出的損失。原因是灰塵沉積物，或者使用環(huán)境和光學(xué)表面的變化。對(duì)于所有的采光裝置，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)是必需的，這是為了使系統(tǒng)的性能在設(shè)計(jì)限值內(nèi)和促進(jìn)能源的有效利用，建議下一步對(duì)光導(dǎo)系統(tǒng)的維護(hù)措施進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]JTJ026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]尤金正，鄒麗新，周同，等.太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（19）：139-142.