基于光纖導光的新型隧道綜合照明裝置

王振華　張弛

摘 要：隧道照明無論隧道的長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、燈具布設密度大，是隧道照明的難點，也是隧道節能的重點。文章將光導技術用于隧道照明之中，不僅能填補隧道洞口段光導術研究的空白，還能充分利用太陽光這一綠色能源，使其造福于隧道節能照明事業。

關鍵詞：隧道洞口照明；光導照明；追光技術

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0078-02

高速公路隧道照明質量影響著行車安全，多年以來，由于照明問題所引發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。所謂黑（白）洞效應，指司機在駛進（出）隧道時，眼部不習慣光線的突然變化而看不清眼前的路況的現象。因此《隧道通風照明設計規范》規定，“入口段與出口段的照明由基本照明與加強照明提供”。傳統的加強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，高速公路隧道建設者們一直將照明質量作為工程設計的核心內容與研究重點，而忽略了照明負荷約占50%左右。因此，我國現階段高速公路隧道照明系統在保證行車安全的前提下，進行節能降耗設計是公路隧道照明系統發展的必然要求，人性化、經濟化、科學化是照明技術發展以及社會發展的必然趨勢。

在此背景下，本項目設計以一種基于光纖導光的新型隧道綜合照明裝置，與傳統隧道照明系統結合，節約隧道照明所需能量，提高隧道入口段照明質量，減少事故發生。

1 隧道照明方案

公路隧道大體上是半封閉空間，容易造成隧道內外交通環境差別過大，導致車輛通過隧道時產生明暗交替，影響行車視覺。因此，高速公路隧道設計過程中需要綜合考慮影響照明質量的因素。根據國家《隧道通風照明設計規范》，高速公路隧道在設計過程中需要考慮到駕駛員的明暗適應能力。因此可以將隧道照明分為五個部分：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光所能提供的照明亮度有限，故應設計照明亮度反饋裝置，使照明系統在白天自然光比較暗時隧道內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，其結構如圖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的裝置。經查閱資料，發現菲涅爾透鏡適合于本項目。菲涅爾透鏡應用也較廣泛，并且相較于其它聚光器，其性能也較為優良。

此外，考慮到太陽光中的某些成分的光線可能對人或裝置自身產生某些不利的影響，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，考慮到系統應結構盡量簡單可行，故本項目選擇濾光片濾光的方式對收集的太陽光進行處理，使之符合要求

光傳導部分：在聚光器收集到太陽光線之后，就必須立即將光線傳輸進室內，因此設計合理的光傳導裝置是十分必要的。目前，光的傳導主要有兩種方式，一是采用光導管進行導光，通過光導管內壁的反射將光線進行傳輸，此種方式實現較為簡單，成本也相對較低，但由于內壁的反射率無法達到100%，故本項目采用光導纖維進行光的傳遞，光纖導光依靠全反射，損失極小。考慮到裝置的價格合理性，選用塑料材質的光導纖維作為光傳導材料，同時考慮到提高光發電區域的面積與光亮均勻度，避免出現過亮的情況，考慮選取側面發光照明的光導纖維完成照明。

光輸出部分：太陽光經光纖傳輸進隧道內，經由光纖末端的螺旋狀側發光光纖將所收集的太陽光線散射出去，考慮到側發光光纖的散射能力有限，故本項目設計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空間。本項目擬采取凹透鏡作為光線散光裝置，利用凹透鏡對光線的散射作用，達到光線均勻分配的目的。

2.2 光追蹤方案的設計

為了集光裝置可以盡可能收集太陽能，我們設計追光裝置。目前，太陽追蹤的方式有可分為三種：視日運動軌跡跟蹤、光電跟蹤、視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合。考慮到光電跟蹤較為復雜且易受天氣的影響，因此本項目選擇視日運動軌跡跟蹤。追蹤系統主要由平面鏡反光裝置、調整執行機構、控制電路、方位限位電路等部分組成。跟蹤系統電路控制結構框圖如圖2所示。

任意時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表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當地的光線與當地水平面的夾角。太陽方位角指太陽光線在地平面上的投影與當地子午線的夾角，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。系統采用水平方位步進電機和俯仰方向步進電機來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實時精確追蹤太陽的位置。上位機負責任意時刻太陽高度角和方位角的計算，并運用軟件計算出當前狀況下俯仰與水平方向的步進電機運行的步數，將數據送給跟蹤系統驅動器，單片機接收上位機送來的數據，驅動步進電機的運行。系統具有實現復位、水平方位的調整，俯仰方向的調整，太陽的跟蹤及手動校準等功能。

3 前景展望

文章從光導隧道照明的燈具系統，照明方案，追光控制三個方面對進行研究設計，論證了室內建筑光導照明技術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一步研究。比如，在不同情況下，太陽追蹤系統是否能夠穩定、可靠的精確跟蹤太陽；極端天氣條件下，控制系統是否依然能夠穩定的實現太陽的跟蹤、光的導入和光導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，它們都會經歷光輸出的損失。原因是灰塵沉積物，或者使用環境和光學表面的變化。對于所有的采光裝置，進行適當的維護是必需的，這是為了使系統的性能在設計限值內和促進能源的有效利用，建議下一步對光導系統的維護措施進行深入研究。

參考文獻

[1]JTJ026.1—1999公路隧道通風照明設計規范[S].

[2]尤金正，鄒麗新，周同，等.太陽自動跟蹤系統的設計[J].現代電子技術，2009，32（19）：139-142.