羅亨俊，史玲娜，涂 耘，王小軍

(1.貴州省公路局，貴州 貴陽 550003；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶 400067)

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太陽光光纖照明在隧道中應(yīng)用的可行性分析

羅亨俊1，史玲娜2，涂 耘2，王小軍2

(1.貴州省公路局，貴州 貴陽 550003；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，交通工程與節(jié)能分院，重慶 400067)

針對(duì)隧道照明能耗過高、入口段能耗比重大的問題，提出利用太陽光光纖照明技術(shù)進(jìn)行隧道入口段照明的方案。根據(jù)太陽輻射計(jì)算方法和太陽光譜分布，分析了不同地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度、太陽光光纖照明系統(tǒng)的光能利用率及隧道的照明需求，建立了太陽光光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模與建設(shè)成本與不同影響因素之間的關(guān)系，并得出了不同輻射強(qiáng)度及隧道照明需求下所需的太陽光光纖照明系統(tǒng)規(guī)模，從而為太陽光光纖照明在隧道中的應(yīng)用提供了可行性的理論分析依據(jù)和工程指導(dǎo)建議。

大氣光學(xué)；隧道照明；太陽能；光纖照明；輻射強(qiáng)度；節(jié)能減排

引言

隨著國(guó)家及地方高速公路網(wǎng)規(guī)劃的逐步實(shí)施以及高速公路不斷向山嶺重丘延伸，我國(guó)公路隧道規(guī)模在不斷擴(kuò)大[1-2]。為確保行車安全，隧道照明需全年每天連續(xù)不間斷開啟，隧道照明費(fèi)用已成為公路隧道運(yùn)營(yíng)中的一項(xiàng)沉重負(fù)擔(dān)[3-4]，其中隧道入口段的加強(qiáng)照明又占了照明總能耗的40%左右，如何有效降低隧道照明能耗特別是入口段的能耗，成為隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段節(jié)能減排研究的重點(diǎn)。與此同時(shí)，直接利用太陽光照明的采光方法已在一些領(lǐng)域投入試點(diǎn)應(yīng)用，如利用導(dǎo)光管進(jìn)行太陽光地下車庫的照明、利用光纖導(dǎo)光進(jìn)行太陽光室內(nèi)照明等[5-8]。相比較目前應(yīng)用較多的太陽能光伏照明技術(shù)[9-10]，直接采用太陽光照明可以避免太陽能轉(zhuǎn)化為電能、電能再轉(zhuǎn)化為光能這種兩次轉(zhuǎn)換過程所帶來的光能浪費(fèi)，以及轉(zhuǎn)換所涉及的過程復(fù)雜、成本較高等問題。

隧道照明受天氣、交通量、照明時(shí)段等不同因素的影響，特別是隧道入口段，其亮度需求直接與洞外亮度密切相關(guān)，為了避免駕駛員白天進(jìn)入隧道產(chǎn)生的“黑洞效應(yīng)”，入口段亮度要求較高[11-12]。另一方面，隧道入口段是緊靠洞口位置，其空間位置最有可能直接利用太陽光照明。通過光纖照明技術(shù)直接將太陽光導(dǎo)入隧道入口段以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電光照明，不但可以從根本上解決白天隧道入口段高能耗的問題，更可為道路交通實(shí)現(xiàn)綠色照明提供全新的解決方案。

根據(jù)光纖照明技術(shù)的特點(diǎn)，從系統(tǒng)尾端出射的太陽光能量受到系統(tǒng)采光面積、光耦合效率、光傳輸效率及出射效率等因素的影響。其中系統(tǒng)采光面積決定了用于隧道照明的光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模，進(jìn)而影響其建設(shè)成本。為了分析太陽光光纖照明技術(shù)用于隧道照明的可行性，必須從光能量的利用角度出發(fā)，結(jié)合隧道照明和光纖照明的特點(diǎn)，對(duì)滿足隧道照明前提下的光纖照明系統(tǒng)規(guī)模及建設(shè)成本進(jìn)行分析。本文就是從太陽輻射度學(xué)出發(fā)，根據(jù)光度學(xué)與輻射度學(xué)的關(guān)系，分析隧道照明要求與光纖照明系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，得出達(dá)到隧道照明要求的系統(tǒng)規(guī)模及工程造價(jià)與相關(guān)影響參數(shù)之間的關(guān)系，從而為太陽光光纖照明技術(shù)用于隧道照明提供可供參考的理論及經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)意見。

1 光纖照明系統(tǒng)可行性影響因素分析

1.1 太陽輻射強(qiáng)度

地球上太陽輻射能量由太陽對(duì)地球的天文位置決定，到達(dá)地球的太陽輻射量除晝夜和季節(jié)的變化外，還存在地區(qū)的差異。根據(jù)朗伯-比爾定律，在水平面上的輻射強(qiáng)度I可表示為[13]

I=I0(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(1)

式中I0為太陽常數(shù)，其值為1368W/m2，φ為地理緯度，δ為太陽赤緯，ω為時(shí)角。

結(jié)合一年中不同時(shí)間由于日地距離不同引起的大氣上界輻射強(qiáng)度不同，地球上天文輻射強(qiáng)度可表示為

(2)

對(duì)于太陽光光纖照明系統(tǒng)而言，其采光系統(tǒng)菲涅耳透鏡在太陽光跟蹤系統(tǒng)的作用下對(duì)準(zhǔn)太陽直射方向，與水平面往往具有一定的傾角。一般情況下，地球表面傾斜面的太陽輻射強(qiáng)度包括太陽直接輻射強(qiáng)度、太陽散射輻射強(qiáng)度和反射輻射強(qiáng)度。通常，太陽散射輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)小于太陽直射輻射強(qiáng)度，并且，在晴朗的天氣利用太陽輻射進(jìn)行照明時(shí)，陽光采集器距地面往往有一定的距離，由地面反射至采集器的反射輻射強(qiáng)度也可忽略不計(jì)。因此在太陽光光纖照明技術(shù)中，太陽輻射強(qiáng)度只需考慮直射到陽光采集器的太陽直射輻射即可，即

Iθ=IDθ=Ipm(cosθsinh+sinθcoshcos(a-γ))

(3)

由式(2)～(3)可以得出不同地區(qū)不同季節(jié)在一天不同時(shí)刻地面上任一平面所接收到的太陽輻射強(qiáng)度。

1.2 光纖照明系統(tǒng)效率

太陽光光纖照明系統(tǒng)是通過采光裝置收集太陽光，通過光纖將收集到的太陽光傳輸?shù)叫枵彰鲄^(qū)域，再通過合適的尾燈將太陽光投射出來，如圖1所示。根據(jù)原理不同，在國(guó)際上有不同的采光系統(tǒng)，如日本的“向日葵”系統(tǒng)、美國(guó)的碗碟狀反光系統(tǒng)等。目前，國(guó)內(nèi)研究較多的菲涅耳透鏡采光系統(tǒng)的原理與“向日葵”系統(tǒng)類似，即采用菲涅耳透鏡將太陽光會(huì)聚到焦點(diǎn)處，再將會(huì)聚后的太陽光耦合至傳輸光纖，因此系統(tǒng)的采光效果受到透鏡的聚光度C和光學(xué)效率η的影響，其中

(4)

(5)

式中S1為透鏡的采光面積，S2為焦斑面積，E1為透鏡上的太陽光照度，E2為焦斑處的太陽光照度，U為透鏡總的光損失，是由反射、吸收、散射及加工誤差等造成的。

圖1 太陽光光纖照明系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of solar fiber lighting

陽光采集器將太陽光會(huì)聚于透鏡的焦點(diǎn)處，由于太陽光譜連續(xù)分布，不同波長(zhǎng)的太陽光聚集于軸線不同位置，將光纖入射端置于太陽光譜可見光范圍的焦斑處，可濾去光譜中的紅外與紫外光成份，只將人眼可見的太陽光導(dǎo)入光纖，如圖2所示。所導(dǎo)入的太陽光能量受光纖的耦合效率τ及太陽光在光纖內(nèi)的傳輸效率影響。耦合效率是指入射到光纖輸入端面耦合的光通量Φ2與透鏡焦斑處的光通量Φ1之比，即

(6)

圖2 太陽光會(huì)聚示意圖Fig.2 Sketch map of sunlight focusing

為提高光纖的耦合效率，最有效的辦法是選用大直徑的光纖，以提高光纖束的填充比，從而增大有效入射面積，但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)成本的大幅增加。

光纖的傳輸效率主要與材料本身的特性有關(guān)，其能量衰減性用衰減系數(shù)表示，其定義為每公里光纖對(duì)光功率的衰減值，即

(7)

式中Pi為輸入光功率值，Po為輸出光功率值。

經(jīng)光纖傳輸?shù)奶柟馔ㄟ^光纖尾燈將太陽光投射到需照明的區(qū)域，出射的太陽光能利用率與尾燈的燈具效能有關(guān)。為了盡可能地提高太陽光的利用率，要求從光纖末端出射的太陽光在經(jīng)過尾燈后盡可能地投射到需照明區(qū)域，因此，需要根據(jù)隧道照明要求對(duì)光纖尾燈進(jìn)行配光優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜合而言，太陽光光纖照明系統(tǒng)的總效能可表示為

ηQ=C×η×τ×(1-a)×L×ρ

(8)

式中ηQ為光纖照明系統(tǒng)的總效能；η為透鏡的光學(xué)效率；C為陽光采集器的聚光度；τ為光纖的耦合效率；a為光纖的衰減系數(shù)；L為光纖的傳輸距離；ρ為燈具效率。

為了使光纖照明系統(tǒng)具有較好的照明效果，必須使光纖照明系統(tǒng)的總效能越大越好。在系統(tǒng)上需分別提高陽光采集器的采光效率、光纖導(dǎo)光系統(tǒng)效率和光纖照明出射效率。

1.3 隧道照明需求

根據(jù)《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)[14]，隧道照明需求與洞外亮度、設(shè)計(jì)車速及交通量等因素有關(guān)。以隧道入口段為例，隧道洞外亮度為L(zhǎng)20(S)，在設(shè)某種設(shè)計(jì)車速及交通量下入口段的長(zhǎng)度為D，隧道寬度為W。根據(jù)《細(xì)則》規(guī)定，隧道兩側(cè)2m高范圍內(nèi)的平均亮度，不宜低于路面平均亮度的60%。因此，隧道入口段的光通量要求可用式(9)表示。

Φs=Φr+Φw=(W+1.2hW)EthD

(9)

式中Eth=qLth=qkL20(S)，Φs為隧道入口段的總光通量，Φr為入口段路面所需光通量，Φw為入口段兩側(cè)墻面所需光通量，k為亮度折減系數(shù)，q為平均亮度與平均換算系數(shù)，不同材質(zhì)的路面該換算系數(shù)不同，Eth為入口段路面平均照度，hW為墻面高度，根據(jù)《細(xì)則》要求取2 m。

根據(jù)式(9)，只要隧道洞外亮度、設(shè)計(jì)車速、交通量、隧道結(jié)構(gòu)已知，隧道入口段的照明需求就可以獲得，其他區(qū)段亦如此。

2 光纖照明系統(tǒng)可行性分析

由于不同地區(qū)地理緯度和太陽高度不同，當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸?qiáng)度不同，加之不同隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)及工況不同，對(duì)應(yīng)的照明需求亦不同。因此，在采用太陽光光纖照明系統(tǒng)時(shí)，需綜合考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和隧道的照明需求進(jìn)行太陽光光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)置分析，以確定該系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，從而在可行的前提下為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝提供工程依據(jù)。

圖3 太陽輻射光譜分布Fig.3 The spectrum of solar radiation intensity

圖3為地球表面太陽輻射光譜分布φλ(λ)，由式(3)和圖3可得不同地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度分布與波長(zhǎng)之間的關(guān)系，即

(10)

(11)

式中V(λ)是明視覺條件下眼睛對(duì)可見光不同波長(zhǎng)輻射的光譜光視函數(shù)。

假設(shè)用太陽光光纖照明系統(tǒng)進(jìn)行隧道照明時(shí)，滿足式(9)隧道照明要求所需的系統(tǒng)采光面積為S，根據(jù)式(8)所表示的光纖照明系統(tǒng)的總效能，可以建立起不同地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度與隧道照明需求之間的關(guān)系，如式(12)所示。

(W+1.2hW)qkL20(S)D

(12)

式中Iθ由式(3)表示，由當(dāng)?shù)氐木暥?、太陽方位角、采光鏡方位角等因素決定，M為出射尾燈的維護(hù)系數(shù)，k表示出射光的利用系數(shù)，在尾燈出射光配光合理的情況下，k可以達(dá)到90%以上。

根據(jù)式(12)太陽輻射強(qiáng)度、光纖照明系統(tǒng)效能、隧道照明參數(shù)要求及所需系統(tǒng)規(guī)模S之間的關(guān)系，可以得到不同條件下的太陽光光纖照明系統(tǒng)的建設(shè)成本，用s表示單個(gè)菲涅耳透鏡的面積，N表示單套系統(tǒng)的透鏡數(shù)目，L表示光纖照明系統(tǒng)引入隧道照明的總距離，fs表示太陽光采集器的單價(jià)(元/套)，ff表示光纖束單價(jià)(元/m)，ft表示系統(tǒng)總價(jià)，則由式(12)可得不同條件下的隧道光纖照明系統(tǒng)的設(shè)備成本為

(13)

以一座二車道、設(shè)計(jì)速度為80 km/h、單向交通設(shè)計(jì)小時(shí)交通量小于350 veh/(h·ln)的隧道為例，根據(jù)所取的維護(hù)系數(shù)、利用系數(shù)及光纖照明系統(tǒng)，由式(11)可得不同地區(qū)不同太陽光輻射強(qiáng)度下滿足隧道入口段要求所需的陽光采集器的采光面積大小。圖4表示不同太陽光輻射強(qiáng)度下根據(jù)式(12)在滿足隧道入口段照明要求時(shí)所需的系統(tǒng)采光面積，即系統(tǒng)規(guī)模S。從圖4中可見，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模遞減。由于不同地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度不同，根據(jù)不同地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度分布可以確定在應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)所需的光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模。以上是對(duì)隧道入口段應(yīng)用太陽光光纖照明的系統(tǒng)規(guī)模的分析，其他照明區(qū)段的分析亦如此。

圖4 光纖照明系統(tǒng)規(guī)模與太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity

由于光纖照明系統(tǒng)的太陽光利用效率受到陽光采集、傳輸及出射等不同環(huán)節(jié)的影響，不同光學(xué)部分的性能不同，均會(huì)影響到系統(tǒng)的整體利用效率。圖5顯示了當(dāng)系統(tǒng)的總利用效率分別為10%和20%時(shí)不同太陽輻射強(qiáng)度下所對(duì)應(yīng)的光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模。由圖5可見，當(dāng)系統(tǒng)的光利率增加一倍時(shí)，所需的系統(tǒng)規(guī)模就減小一半，從而系統(tǒng)的建設(shè)成本亦隨之減半。

圖5 不同光利用效率下的光纖照明系統(tǒng)規(guī)模與太陽 輻射強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity in different utilization of sunlight

另一方面，不同隧道由于長(zhǎng)度、朝向、線形及交通量等因素不同，對(duì)隧道照明的需求亦不同，這就意味著在同一地區(qū)應(yīng)用太陽光光纖照明系統(tǒng)時(shí)，亦需根據(jù)隧道實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖6為太陽輻射強(qiáng)度300 W/m2時(shí)由式(12)得到的不同隧道照明需求下的光纖照明系統(tǒng)規(guī)模，兩者滿足線性關(guān)系，當(dāng)隧道照明需求介于中間值時(shí)，可用線性插值法求出所需的光纖照明系統(tǒng)規(guī)模及成本。

圖6 不同隧道照明需求下的光纖照明系統(tǒng)規(guī)模Fig.6 Solar fiber lighting system in different damand of tunnel lighting

根據(jù)上述內(nèi)容可見，在采用太陽光光纖照明系統(tǒng)進(jìn)行隧道照明時(shí)，可根據(jù)不同地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度，結(jié)合光纖照明系統(tǒng)的光利用率和隧道的照明需求，得出在滿足隧道照明需求下的系統(tǒng)規(guī)模。以陜西某地五月份為例，當(dāng)?shù)卦谠撛碌奶栞椛淦骄鶑?qiáng)度為300 W/m2，當(dāng)隧道入口段的照明需求為400 000 lm時(shí)，所需的系統(tǒng)規(guī)模在10 m2左右，對(duì)于6鏡式向日葵陽光采集系統(tǒng)，用22套系統(tǒng)即可滿足要求。圖7和圖8為該太陽光光纖照明系統(tǒng)用于隧道入口段照明的效果圖及對(duì)應(yīng)指標(biāo)值，由仿真結(jié)果可見，在采用太陽光光纖照明系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)光纖尾燈的出射光分布進(jìn)行系統(tǒng)的合理布置，其出射光的分布可以滿足隧道照明要求。

圖7 太陽光光纖隧道照明效果圖Fig.7 Lighting effect of soar fiber lighting in tunnel

圖8 太陽光光纖隧道照明指標(biāo)值Fig.8 Index of soar fiber lighting in tunnle

3 結(jié)論

本文在目前隧道照明能耗問題突出，國(guó)家積極推行使用綠色能源、實(shí)行節(jié)能減排方針政策的背景下，提出采用太陽光光纖照明技術(shù)進(jìn)行隧道照明的方法。通過太陽輻射原理，采用光度學(xué)和輻射度學(xué)的方法，建立了太陽輻射強(qiáng)度、太陽光光纖照明系統(tǒng)效能、隧道照明需求與所需太陽光光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模及建設(shè)成本之間的關(guān)系，為太陽光光纖照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用提供可行性的理論及工程建設(shè)依據(jù)，總體結(jié)論如下：

1)采用太陽光光纖照明系統(tǒng)直接將太陽光通過光纖導(dǎo)入隧道進(jìn)行照明，可以避免目前太陽能在照明領(lǐng)域使用上存在光電—電光轉(zhuǎn)換引起的光能利用率低且轉(zhuǎn)換系統(tǒng)龐大而復(fù)雜的問題，從直接利用太陽光能角度提出一種解決隧道照明能耗過高的方法，為太陽能在隧道照明中的應(yīng)用提供了一種全新的解決方案；

2)從太陽輻射原理建立了不同地區(qū)太陽輻射參量對(duì)照明所需光通量的影響，從物理原理上為太陽光直接照明應(yīng)用提供了理論依據(jù)；

3)建立的太陽輻射強(qiáng)度、太陽光光纖照明系統(tǒng)的光能利用率、隧道照明光通量需求與太陽光光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模及成本的關(guān)系，從系統(tǒng)上為太陽光光纖照明技術(shù)在隧道照明中的應(yīng)用提供可行性指導(dǎo)方案；

4)隧道太陽光光纖照明系統(tǒng)的規(guī)模和成本隨太陽輻射強(qiáng)度和系統(tǒng)光能利用總效能的增加而減小，隨著隧道照明需求的增加而增加，不同地區(qū)在應(yīng)用太陽光光纖照明技術(shù)進(jìn)行隧道照明時(shí)，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸?qiáng)度和隧道照明參數(shù)進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算。

[1] 交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司. 2012年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].(2016-05-01)[2013-4-25].http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/zhengwugonggao/jiaotongbu/guihuatongji/201304/t201304 26_1403039.html.

[2] 交通運(yùn)輸部綜合規(guī)劃司. 2013年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/OL].(2016-05-01)[2014-05-13].http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201405/t20140513_1618277.html.

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Feasible Analysis of the Application of Solar Fiber Lighting in Tunnel

LUO Hengjun1，SHI Lingna2, TU yun2, WANG Xiaojun2

(1.HighwayBureauofGuiZhou,Guiyang550003,China; 2.TrafficEngineeringandEnergy-savingDepartment,ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd,Chongqing400067,China)

Aiming at the issues of high energy consumption and high rate of energy consumption in entrance section of tunnel lighting, a lighting solution is proposed for the entrance section of tunnel lighting used by solar fiber lighting technique. Based on the calculation method of solar radiation and the spectrum of solar radiation intensity, the solar radiation intensity in different region, the use ratio of optical energy of solar fiber lighting system and the demand of tunnel lighting are analyzed. Then, the relation between the scale and cost of solar fiber lighting system and different factors influencing them is established, and the scale of solar fiber lighting system in the condition of different solar radiation intensity and demand of tunnel lighting is deduced. This work will supply the theoretical basis and directed suggestion for the appliance of solar fiber lighting in tunnel.

atmospheric optics； tunnel lighting； solar energy； fiber lighting； radiation intensity； energy saving and emissions reduction

交通運(yùn)輸部科技成果推廣項(xiàng)目(2013316350070)，陜西省交通廳科技項(xiàng)目(13-29K)，貴州省交通廳科技項(xiàng)目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail:shilingna@cmhk.com

TU113.665，U453.7

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.010