陳秀雯，許景峰，胡英奎，翁 季，陳仲林

(1.重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)開(kāi)發(fā)投資有限公司，重慶 400024;2.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

隨著聚光太陽(yáng)能技術(shù)不斷發(fā)展，不但使光伏技術(shù)從第一代晶硅電池和第二代薄膜電池，發(fā)展到目前的第三代聚光光伏技術(shù)，而且還擴(kuò)大到日光聚光光纖照明領(lǐng)域中，從而極大地提高了日光聚光光纖照明系統(tǒng)的效能。日光聚光光纖照明技術(shù)就是采用聚光器，將日光匯聚到一個(gè)面積很小的焦斑上，提高了光纖輸入端面上的輻射功率密度，從而極大地提高了系統(tǒng)的光通量輸出。聚光采光技術(shù)是通過(guò)聚光器，利用相對(duì)便宜的光學(xué)聚光設(shè)備，將太陽(yáng)光匯聚到光纖輸入端面上，節(jié)約了大量的價(jià)格較貴的光纖，從而有利于日光聚光采光技術(shù)在照明領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。

1 日光聚光光纖照明系統(tǒng)總效能

日光聚光光纖照明系統(tǒng)是由3個(gè)子系統(tǒng)組成的:一是光纖采光系統(tǒng)，二是光纖導(dǎo)光系統(tǒng)，三是光纖照明系統(tǒng)。光纖采光系統(tǒng)是由跟蹤裝置、聚光器、耦合和光纖排列方式組成的，這些光學(xué)器件的效能大小均要影響到光纖采光系統(tǒng)的輸出效能。光纖導(dǎo)光系統(tǒng)是由光纖承擔(dān)了光輸送功能，光纖的光衰減量和光纖長(zhǎng)度會(huì)直接影響到光纖輸出的光通量大小。光纖照明系統(tǒng)是由光纖燈具構(gòu)成的，光纖燈具的配光和效率等，也會(huì)影響到把陽(yáng)光分配到需要光的區(qū)域的適宜程度。從光的流程來(lái)看，日光聚光光纖照明系統(tǒng)效能分析見(jiàn)表1。

表1 日光聚光光纖照明系統(tǒng)效能分析

從表1中可得出日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能，

式中:ηQ——日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能;

η11——跟蹤效率;

n——聚光器的幾何聚光比，在本文中簡(jiǎn)稱(chēng)為聚光比;

η12——耦合效率;

η13——光束填充率;

τ——單位長(zhǎng)光纖的透光率;

η——燈具效率。

設(shè)聚光效能，

又設(shè)光纖采光系統(tǒng)的效能，

于是由(1）式得到日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能，

為了使日光聚光光纖照明系統(tǒng)具有較好的照明效果，就必須使日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能越大越好。

1.1 日光聚光光纖采光系統(tǒng)效能

由聚光器把太陽(yáng)光在焦點(diǎn)處匯聚成面積很小的光斑，這是日光聚光光纖照明系統(tǒng)有效工作的前提，也就是說(shuō)只有在太陽(yáng)光明亮，地物影子明顯的條件下，才能使該照明系統(tǒng)正常工作，簡(jiǎn)言之，只能在陽(yáng)光照射、天氣晴朗時(shí)該系統(tǒng)才能發(fā)揮較好的照明效果，并可以采用年平均日光光量評(píng)價(jià)。為了使日光聚光光纖采光系統(tǒng)輸出足夠多的光通量，就應(yīng)該使跟蹤裝置、聚光器、光耦合和光纖排列方式具有高效能，即跟蹤效率、聚光比、光耦合效率和光束填充率越大才能對(duì)系統(tǒng)的光輸出越有利，即該系統(tǒng)輸出的光通量越大。

1.1.1 跟蹤效率

日光跟蹤裝置的作用是隨時(shí)使日光聚光器正對(duì)太陽(yáng)光，這主要由太陽(yáng)跟蹤傳感器、跟蹤控制電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)的，也可以采用GPS定位，進(jìn)一步提高跟蹤太陽(yáng)的精度。日光自動(dòng)跟蹤裝置分為單軸跟蹤裝置與雙軸跟蹤裝置，雙軸跟蹤裝置的跟蹤精度高，可達(dá) 0.1°。

1.1.2 聚光比

日光聚光裝置的聚光方式主要是采用菲涅爾透鏡聚光和凸透鏡聚光。菲涅爾透鏡對(duì)跟蹤太陽(yáng)的精度要求低;而凸透鏡對(duì)跟蹤太陽(yáng)的精度要求較高，但是由于光折射作用，可使不同波長(zhǎng)的光在不同距離處產(chǎn)生焦點(diǎn)，紫外線焦點(diǎn)靠近透鏡，紅外線焦點(diǎn)遠(yuǎn)離透鏡，可見(jiàn)光焦點(diǎn)居中。日光聚光光纖照明系統(tǒng)僅利用了約占太陽(yáng)輻射能量的47%的可見(jiàn)光。在可見(jiàn)光焦點(diǎn)處設(shè)置光導(dǎo)纖維接受端面，不但可以避免太陽(yáng)光譜中紫外線對(duì)光纖材料的破壞，而且還可以剔除紅外線對(duì)光纖接收端面的溫升影響，保持特定形狀，不使耦合效果變壞。日光聚光裝置對(duì)日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能影響很大的1個(gè)參數(shù)是聚光比，可用n表示，并由生產(chǎn)廠家提供的每一個(gè)透鏡的直徑計(jì)算出每鏡的受光面積，或直接由廠家提供的日光聚光裝置總的受光面積除以該聚光裝置中的透鏡個(gè)數(shù)獲得，前后兩種方法的計(jì)算結(jié)果相同。例如，對(duì)于“向日葵”型日光聚光光纖照明系統(tǒng)而言，聚光裝置的聚光比估算約為9000多倍，這樣不但可以極大地提高了該系統(tǒng)的總效能，而且還極大地節(jié)約了價(jià)格昂貴的光纖材料，從而把該系統(tǒng)推廣到實(shí)際照明應(yīng)用成為可能。

1.1.3 耦合效率

如何將太陽(yáng)光高效地耦合到光導(dǎo)纖維中，從而在光纖輸出端獲得更多的光通量，這是一個(gè)聚光采光的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)橛绊懸蛩睾芏啵砸虢鉀Q耦合問(wèn)題就變得非常困難。為了實(shí)現(xiàn)與光纖的最佳偶合，即使之具有最大的耦合效率，就必須首先要達(dá)到以下的要求:一是使日光聚焦光斑不大于光纖輸入端面積，耦合光軸與光纖端面法線重合;二是光纖輸入端面光滑且保持特定形狀，就需要有效地消除紅外線，防止光纖升溫而導(dǎo)致輸入端面變形;三是光纖輸入端要鍍?cè)鐾改?，防止可?jiàn)光產(chǎn)生反射;四是盡量選用直徑大的光纖;五是使光入射角不能太大，否則在光纖中不產(chǎn)生全反射等?？傊?，影響耦合效率的因素還有很多，所以要想精確地確定耦合后的光通量與耦合前的光通量比值，即要想精確地確定耦合效率是非常困難的。

式中:η12——耦合效率;

φ2——耦合后的光通量;

φ1——耦合前的光通量。

雖然很難獲得聚光光纖采光系統(tǒng)中的耦合效率，但是該值在計(jì)算日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能時(shí)是必不可少的，所以建議采用實(shí)測(cè)的方法間接估算出耦合效率的大小，即在光度學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)量出垂直于平行光的照度值大小，再用積分球測(cè)出光導(dǎo)纖維輸出光通量，于是，一旦確定了跟蹤效率、聚光比、光束填充率和光纖透光率，就可以計(jì)算出耦合效率的估算值，并可以用于日光聚光光纖照明計(jì)算和照明設(shè)計(jì)中去。

1.1.4 填充率

影響光纖傳輸光通量性能的重要參數(shù)還有光纖在光束端套內(nèi)截面積，即就是說(shuō)光纖的排列方式以及光纖本身的幾何形狀，光纖皮層厚度等對(duì)光束端套內(nèi)光纖芯部有效傳光面積大小產(chǎn)生影響，也就是使光纖芯部有效傳光面積之和同光束端套內(nèi)截面積之比——光束填充率產(chǎn)生影響。從(1）式看，光束填充率η13越大，光纖照明系統(tǒng)的總效能越大，照明效果就越好。光束填充率可由更實(shí)用的參數(shù)斂集率、光束的幾何參數(shù)、排列方式和幾何形狀等計(jì)算出來(lái)，但是計(jì)算較為復(fù)雜。對(duì)于“向日葵”型日光聚光光纖照明系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)采用了1個(gè)透鏡聚焦在1根光纖端面上的技術(shù)措施，所以可把該型號(hào)的光束填充率視為1。

1.2 光纖導(dǎo)光系統(tǒng)效能

在日光聚光光纖照明系統(tǒng)中所采用的導(dǎo)光光纖可采用聚合物光纖、石英光纖、多組分玻璃光纖、液芯光纖和空心光纖等，其中石英光纖的光傳輸效率較大，但價(jià)貴。評(píng)價(jià)光纖光傳輸效率的指標(biāo)是單位長(zhǎng)的光纖透光率，

式中:τ——單位長(zhǎng)的光纖透光率(%）;

φ——光纖輸出光通量(lm）;

φ0——光纖輸入光通量(lm）。

光纖透光率大小與光在光纖中的材料吸收、散射、反射和缺陷等材料本身的質(zhì)量好壞有關(guān)，此外還與光纖皮層材料特性及光纖的制備工藝有關(guān)等，尤其與傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于照明應(yīng)用而言，可不考慮光的波長(zhǎng)對(duì)透光率大小影響，直接用(5）式來(lái)計(jì)算單位長(zhǎng)的光纖透光率，也可以由單位長(zhǎng)光纖的光能衰減量β且按下式換算出來(lái)，

光衰減量可根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15972.40—2008規(guī)定的測(cè)量方法，由截?cái)喾?、插入損耗法、后向散射法和譜衰減模型來(lái)確定。因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)光纖產(chǎn)品時(shí)，廠家一般會(huì)提供光纖的光衰減量數(shù)據(jù)，所以一般可由(7）式計(jì)算出單位長(zhǎng)的光纖透光率，當(dāng)然在具有測(cè)量條件時(shí)，可根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15972.46—2008規(guī)定的測(cè)量方法測(cè)算出光纖透光率。

1.3 光纖照明系統(tǒng)效能

光纖燈具也是一種能透光、分配和改變通過(guò)光纖傳輸過(guò)來(lái)光分布的器具，因此衡量光纖燈具合適與否的首要參數(shù)是配光曲線，即是說(shuō)運(yùn)用于特定場(chǎng)合的光纖燈具的光分布是否使光分布符合要求，因?yàn)樽罱K目的是使通過(guò)光纖燈具把光分配到需要光的區(qū)域，從而使照明水平符合相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)光纖燈具而言，為了使燈具發(fā)出的總光通量更多，就必須使投射在燈具內(nèi)表面被其吸收的光能更少，即燈具效率更大。所謂光纖燈具效率就是在相同的使用條件下，燈具發(fā)出的總光通量與燈具內(nèi)所有光纖輸出端出射的總光通量之比，

式中:η——光纖燈具效率(%）;

φ——光纖燈具發(fā)出的總光通量(lm）;

φ0——光纖輸出端射出的總光通量(lm）。

光纖燈具效率大小取決于燈罩開(kāi)口大小和燈罩材料的光反射比和光透射比大小。

在實(shí)際照明工程應(yīng)用場(chǎng)合，光纖燈具還應(yīng)滿(mǎn)足使用環(huán)境的要求，即具有相應(yīng)的防水汽、防灰塵的防護(hù)等級(jí)，還要符合壽命要求以及價(jià)格合理，維護(hù)方便，安全可靠，美觀實(shí)用等要求。對(duì)于一些特殊照明場(chǎng)所，例如，對(duì)于公路隧道照明，還要滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)車(chē)速、交通量、隧道線形等方面的要求，提高駕乘人員的安全性和舒適性，使通過(guò)隧道時(shí)安全、迅速。

2 日光聚光光纖照明系統(tǒng)效能估算示例

在相同光輸入條件下，日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能越大，光纖輸出端射出的光通量就越大，而且與光纖總輸入光通量之間可用式(9）表示，

式中:η12Q——日光聚光光纖采光和導(dǎo)光系統(tǒng)的總效能，且有

式中:φQ——光纖輸出端射出的總光通量(lm）;

φ0Q——系統(tǒng)輸入端射入的總光通量(lm）。

于是由(9）式、(10）式和(2）式可得，

由前面分析可知，(4）式中的耦合效率η12很難精確地確定，為此，就必須在具有光軌和積分球等光學(xué)儀器設(shè)備的光度學(xué)實(shí)驗(yàn)條件下，即在最佳條件下，如用照度計(jì)測(cè)得該照明系統(tǒng)輸入端入射的照度值為9.8×104lx，則可在每根光纖端面積上產(chǎn)生光通量為0.07697 lm;經(jīng)過(guò)聚光后，用積分球測(cè)得“向日葵”型日光聚光光纖采光系統(tǒng)15 m長(zhǎng)φ1 mm的每根光纖輸出端射出的光通量為320 lm。

由于在光軌上用平行光垂直入射在該系統(tǒng)輸入端——聚光器透鏡平面上，所以此時(shí)可認(rèn)為跟蹤效率η11為 1。

現(xiàn)已知“向日葵”型是1鏡對(duì)應(yīng)1根φ1 mm光纖的情況下，以及12個(gè)透鏡的總受光面積為85100 mm2，于是可算得每鏡受光面積為7092 mm2，而每根光纖的光芯面積為0.7854 mm2。如果把該面積看成是焦斑面積的話(huà)，則對(duì)于“向日葵”型聚光器的聚光比至少為

并且可把“向日葵”型光束填充率η13視為1。但是，由于經(jīng)費(fèi)等限制，目前無(wú)法實(shí)測(cè)透光率τ，所以如果以15 m長(zhǎng)的高純度石英光纖每米透光率為95.5%計(jì)算，則光衰減量由(6）式算得

于是15 m長(zhǎng)光纖透光率，

因此，由(11）式算得耦合效率，

3 小結(jié)

日光聚光光纖照明系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，要想使日光聚光光纖照明系統(tǒng)的總效能更大，就必須使該系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的效能越大才行。其中提高聚光器的聚光比是增大總效能的一個(gè)好方法，隨著聚光采光技術(shù)的不斷進(jìn)步，將逐步解決由于聚光比增大而使光纖接受光端面產(chǎn)生的溫升等問(wèn)題?？傊酃獗仍酱?，所需的光纖材料將越少，因而使日光聚光光纖照明系統(tǒng)的成本越低，越有利于該照明系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

光纖的使用長(zhǎng)度主要由光纖導(dǎo)光時(shí)的傳輸損耗確定，即光纖透光率越大，光纖傳輸損耗越小，光纖使用長(zhǎng)度就越長(zhǎng);但是，光纖透光率越大，就對(duì)光纖材料本身要求越高，制備光纖的工藝也要求越高，于是，光纖的價(jià)格就越貴，越不利于該照明系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

［1］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

［2］陳秀雯，胡英奎，翁季，等.公路隧道出口段光纖采光照明設(shè)計(jì)方法探討［J］.燈與照明，2012(3）:18～20

［3］GB/T 15972.46—2008.光纖試驗(yàn)方法規(guī)范［S］

［4］GB/T 15972.40—2008.光纖試驗(yàn)方法規(guī)范［S］

［5］杜春旭，王普，吳玉庭，等.線性菲涅耳聚光裝置的聚光比分析［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2011(8）:1～7