太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景_王凡

[文章编号]100228528(2008)0820109205
太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景
王　凡1
,龙惟定
2
(1.同济大学机械工程学院,上海200092;2.同济大学中德工程学院,上海200092)
[摘　要]在大力倡导绿色照明的今天,光导管系统作为一项很有发展前途的自然采光技术受到人们的广泛关注。

本文
在讨论当前能源现状的基础上简要介绍了光导管系统的产生和发展历程,重点分析了光导管的优异性能和目前面临的问题,并探讨了将来的发展趋势,总结得出光导管系统和其它技术相结合才能更好地发挥该系统照明节能的优势。

[关键词]光导管;绿色照明;自然采光;照明节能[中图分类号]T U113.5 [文献标识码]A
Application Status and Development Prospect of S olar Lighting Vessel T echnology
WANG Fan 1
,LONG Wei 2ding 2
(1.College o f Mechanical Engineering ,Tongji Univer sity ,Shanghai 200092,China ;2.Sino 2G erman
College o f Applied Sciences ,Tongji Univer sity ,Shanghai 200092,China )
[Abstract ]In today πs w orld ,green lighting is strongly prom oted.As a developing natural lighting technology ,the s olar lighting vessel had been caused wide public concern.In this paper ,based on the discussion of energy res ource status ,the emergence and development of s olar lighting vessel were briefly introduced.And then ,the advantages and disadvantages of this system and the main problems were analyzed.Als o ,the development tendency was discussed.I t was concluded that the system should be combined with other technologies to achieve the lighting energy 2saving.
[K eyw ords ]s olar lighting vessel ,green lighting ,natural lighting ,lighting energy 2saving
[收稿日期]2008207207[作者简介]王　凡(19822),男,在读硕士研究生[联系方式]into 2rain @
1　引　言
当前,能源问题已经升级为全球性的重大问题,世界各国都在开发新能源,同时在利用新技术方面也不惜余力。

人工照明在现代照明中仍然占据着举足轻重的分量,全世界的平均照明用电已占总发电量的10%～20%,而我国照明用电也已经占到了总发电量的10%～12%。

2001年,我国的总发电量为1433215亿kWh ,年照明耗电达1433125亿kWh ,是建设中的三峡水力发电工程投产应用后发电能力(840亿kWh )的大约2倍。

因此,为了满足不断增长的用电需求,就需要国家加大电力设施的投资,这不但增加了用电成本还会产生严重的环境污染,因为大部分地区都是火力发电,使用燃煤不仅加快了非可再生能源的消耗,在燃烧过程中产生的大量C O 2,S O 2和NO x 等有害气体也会对环境产生较大影
响,“温室效应”和“酸雨”已经是全球性问题,同时燃烧过程中产生的粉尘同样会污染环境并对人们的正
常生活构成威胁[1]。

人口、资源和环境是制约国民经济可持续发展的重要因素,在这样的背景下,1991年1月,美国环保局(EPA )首先提出了旨在节约能源、保护环境、提高照明质量的“绿色照明”概念。

1993年11月,我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程,1995年11月16日召集8家单位研讨“中国绿色照明实施规划”,其中有1条就是倡导自然采光,这说明自然采光是绿色照明的重要方面。

自然采光就是引用户外的天然光进入室内进行照明的过程。

太阳光是取之不尽,用之不竭的天然能源,但是通过门窗等进入室内的仅仅是很小一部分。

为了更好地利用太阳能,人们研究出许多新技术,光导管系统便是其中之一,光导管系统引入的是自然光,不需要消耗非可再生资源,而且不会对环境造成污染,能够节约20%～30%的建筑用电,对节能有着重要意义。

第24卷第8期
2008年8月
建　筑　科　学
BUI LDI NG SCIE NCE
V ol 124,N o 18Aug.2008
2　光导管的产生和发展
光导管的构想最初源于人们对自来水的联想,既然水可以通过水管输送到任何需要的地方,那么光线是否也能象水流一样人工输送呢?最初人们研究光导管只是想输送人工光,直到20世纪80年代才开始扩展到自然采光。

现代越来越紧张的能源局势使自然采光成为了光导管技术的主流,同时也是照明领域的热点问题之一。

早在1880年,俄国的科学家就提出了光导管的设想,但是由于当时的材料和技术工艺都很不成熟,在若干次尝试后制作出来的光导管性能并不令人满意,这也直接导致了在很长一段时间内光导管技术处于停滞状态。

直到后来光导纤维的出现,人们才意识到光的确是可以被传导的,然而光纤的尺寸太小,难以传输大的光通量,不能用于建筑照明。

这时候有学者提出采用空心圆柱管道输送光的设想,受这个设想启发,美国和欧洲各国纷纷开展相关研究工作并取得了重大进展,光导管终于达到了的商业化运作的程度[2]。

目前国外已经有不少公司具备了生产光导管的能力,如英国的蒙诺加特公司、美国的OD L公司,以及日本的共荣株式会社等。

我国也已开展了光导管的研制工作,有的公司已经能生产结构不很复杂的光导管,但是因为起步晚,加之光导管的核心技术———管内的高反射率膜的生产工艺没有掌握,我国制造的光导管在性能上和国外还有较大差距,这需要国内的企业和科研单位在理论研究和制造工艺方面做进一步的研究[3]。

3　光导管的结构和分类
比较常见的光导管系统一般分为3部分:采光部分、导光部分和散光部分(见图1)。

采光部分通常是一个透明的玻璃罩,放置于室外楼顶或室外墙体的侧面;导光部分是导光管,管壁是反射率一般在95%以上的反射材料,有的光导管可以旋转弯曲来改变导光角度和长度;散光部分安装在系统底部,是将通过光导管传输的光线散射到室内使光线均匀照明的装置,同时具有避免眩光的作用。

按照采光方式,光导管可分为主动式和被动式。

主动式光导管通过一个聚光器采集太阳光,再将太阳光传输到室内,因为聚光器上装置了传感器和反馈装置,可以使聚光器的采光方向总是向着太阳。

图1　光导管系统的采光罩和导管机理
这种光导管采集太阳光的效果非常好,但是由于聚光器的较高工艺要求造成了其成本过高,因此主动式光导管很少见。

人们通常所说的光导管是指被动式光导管,这种光导管的采光罩和光导管本身连接固定在一起,采光罩一般是由有机玻璃等材料注塑而成,整个系统一经安装便不能移动。

此外,光导管按传输光的方式还可以分为有缝光导管和棱光镜光导管。

有缝光导管是在管壁上留一条很长的出光缝,以使光线能够照射到工作面上,这种光导管看似简单,其实工艺要求很高,而且光在传输过程中容易造成泄露,因此效率不高,实际中很少用到。

比较常见的是棱光镜光导管,这是著名的美国3M公司研制的一种高效光导管,其最主要的部分是一层覆盖在管壁上的棱镜薄膜,薄膜厚度约为015mm,根据光辐射在光密介质中的全反射原理,这种薄膜的反射率可以高达99199%,是世界上反射率最高、传导性能最好的光导材料,同样这种光导管对制作工艺也有很高的要求,国内还没有厂家具备这种光导管的生产制造技术[4]。

4　光导管系统的性能特点
411　光导管系统的优点
光导管最大的优点是节能。

一方面,由于完全采用自然采光不需要消耗人工能源,所以光导管可以节约20%～30%的建筑用电,如果换算成标煤将数量客观(我国目前75%的电能来源于燃煤)。

另一方面,因为相比人工采光,光导管系统引入室内的热负荷比较小。

长期以来,人们一直对自然光存在一种误解,认为自然光进入室内所带来的热量要多于人工光源的发热量,实际上如果提供相同的照度,自然光的发热量绝对比大多数人工光源要少,这是
011建筑科学第24卷
因为人工光源在利用电能发光的同时将大部分电能转化为了热量,也就是说人工光源实际的发光效率
是很低的,如果用自然光代替人工照明可大大减少空调负荷,有利于减少建筑能耗。

作为绿色建筑所倡导的采光形式,光导管同时也是健康环保的。

一方面,光导管因为使用自然能源,不消耗非可再生能源,在使用过程中不产生污染,也不会对环境产生影响。

另一方面,光导管系统对人体是健康的,因为光导管利用太阳光,相比于人工光源的照射,更多的人还是偏爱享受自然光,这是由于自然光的光谱范围广,光线均匀柔和,可以起到杀菌和防治多种皮肤病的功效,且经过光导管系统处理的太阳光没有频谱和眩光,在采光罩上加设防辐射涂层还能有效地滤除有害辐射,这些都是人工光源办不到的。

因此自然采光和自然通风一样受到人们的青睐。

光导管系统在民用建筑中的的应用如图2所示,同一房间在安装光导管前后效果比较如
图3所示[5]。

图2　光导管系统在民用建筑中的应用
图3　同一房间在安装光导管前后效果比较
对于一些特殊的建筑,光导管采光是最安全可行的采光方式,世界上第一套光导管系统就是应火药库的照明需求而开发的电光源光导管。

由于光导管系统的光源与照明区域可以分开,从而为易燃易爆、高温高湿、有电磁辐射危险及有毒害物质场所的照明提供了新的解决方案。

在以上场所若使用普通
电光源进行照明,由于工作环境比较恶劣,大大增加了光源损坏的几率,从而增加了维护工作量,而且在
易燃易爆场所电光源本身就是一个不安全因素[6]。

采用光导管系统照明则能够从根本上解决上述问题,同时可以保障工作人员的人身安全,这也是一些大型的、对安全要求较高的建筑采用光导管照明的原因。

此外光导管系统从安装使用开始便属于一次性投资,不需要维护,使用寿命很长,正常情况下大于30年,利用效率比较高,可以有效地弥补人工照明的不足。

如今大力发展绿色照明,光导管不失为一种经济可靠的照明方式。

412　光导管系统的自身缺陷
作为一种新型的自然采光照明方式,光导管技术有很大的发展空间,同时该技术也存在许多固有的缺陷。

1)光导管系统使用太阳光作为光源,因此其采集的光能量受气候影响极大,不同季节和不同天气都对系统的性能产生影响。

对于大多数地区来说,夏季的日照比较充分,光导管的采光率比较高,而在其它季节,光导管的效率就要打些折扣;天气的影响要更明显些,在阴天或云雨天,光导管的采光率可能非常低,不得不依靠电光源照明来补充。

2)光导管系统有地区性要求。

有的地区日照时间比较长,适宜采用光导管照明;而有的地区常年光照量比较少,应用光导管照明效果就不是很好。

一般来说,靠近热带、亚热带地区的光照比温带和寒带地区充足,因此采用光导管采光也更实际。

在我国,年光照量最强的是西藏和新疆地区,这些地区采用光导管从理论上讲照明效果不错,而在阴雨天较多的地区,用光导管就没有那么理想。

3)光导管由于其本身的采光方式,对采光的时段性也有要求。

对于屋顶采光系统,正午时太阳接近直射,其采光率最高,采光效果最好,而在早晚太阳升降时其光能量通常不能满足照明要求;对于屋外墙侧采光系统,可能早晨(或傍晚)的采光量最高,而在其它时段则不能保证。

另外,光导管系统在夜间不能进行采光照明,造成了设备闲置,对于需要夜间作业的建筑来说还是需要备有人工照明。

4)由于光导管对光路技术有很高要求,比较成熟、性能较高的光导管只有国外的某些大公司才能生产,国内由于还没有掌握一些关键的生产技术工
1
11第8期王　凡,等:太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景
艺(比如高反射率反光薄膜的制造),产品性能和国外有很大差距。

这也就造成了一个问题,即性能好的光导管产品成本太贵,售价过高,不利于该系统的推广和普及,而价格能让人接受的光导管系统性能又差很多,实用价值有限。

所以光导管的普及还需要进一步的技术突破来降低成本。

5)光导管的安装问题。

因为光导管和其它管道一样需要在建筑中进行安装,有2个问题需要考虑。

一是在建筑设计的同时是否需要考虑给光导管预留安装空间,因为光导管和水管道不同,符合一般建筑采光量要求的光导管其管路直径都比水管道大的多,如果在建筑已经建好后再考虑安装光导管很可能对原有建筑结构造成破坏。

二是由于现在的光导管系统多是顶装式,对于高层建筑,顶层的安装使用较为方便,而对与低层用户则相当不便,一方面是现在的建筑还没有专设的光导管道,不可能象自来水管道一样来去自如,低层用户需要很长的管路,造成了安装的不便;另一方面,由于光导管在传导光线时,如果管路过长,则光度的衰减也会很大,即使是性能很好的光导管,在通过很长的传输距离后也会造成大量光通量的削减,因此低层用户的采光率就会大打折扣,这也限制了光导管的使用和普及。

5　光导管系统的发展前景分析
如上所述,光导管系统的一些缺陷限制了其使用和推广,目前光导管照明仅在少数企业和一些特殊建筑中有所应用。

但是作为一种很有发展潜力的采光照明技术,光导管的应用前景还是被人们看好的,其本身的进步将和社会的科技发展能力成正比。

光导管系统的各种缺陷决定了其单独使用的局限性,于是有学者提出了复合系统的概念,这是一种很通行的设计构想,其实就是利用互补的方法来解决单一系统的受限问题,不少研究单位和学者也提出了各种解决办法,其中有的已经应用在成品中,有的则还在实验阶段。

1)考虑到光导管在阴雨天和夜间的照明受限,有学者提出设计光导—光伏系统,即在光导管系统中加装太阳能电池,在光照充分的时候储存多余的太阳能以便在晚间或需要的时候进行照明,此技术对太阳能电池的蓄能量和蓄能时间有较高要求,会增加光导管系统的应用成本,但是太阳能电池也是不消耗人工能源的,其投资成本高但是使用成本相对较低。

相比之下,电光源光导管系统在技术上则比太阳能电池光导管系统简单许多,它只是把电光源嵌入到光导管系统内,在光导管无法满足正常照明的情况下提供电光源照明,此系统比太阳能电池的光导—光伏系统在照明性能上有了更好的保证,初投资也要便宜许多,但是它需要消耗人工能源,其节能性比前者差。

2)在建筑智能化和多元化的潮流下,绿色建筑更加偏重于利用自然的能量来达到节能和环保的目的,现在的热点问题之一就是自然采光和自然通风系统的结合。

开发与自然通风相结合的光导系统,将进一步拓宽光导管的应用领域,在满足采光需求的同时也保证了良好的自然通风,这样可以使光导管系统的功能更加完善,对于节能和改善室内空气品质有重要意义,是将来光导技术的发展方向之一。

3)由于各地区、各季节和各时段的太阳照度的不稳定性和不均匀性,造成了光导管系统采光的差异性,人们在使用时会感到室内光线时强时弱。

简单的光导系统不具备自动调光的能力,于是人们需要研制出可以根据室内光线强弱自动调节光通量的光导照明系统,现在比较通行的作法是对出光端的散光板采取措施,加设遮光板遮光来减弱在光强时的光通量,而在室内光线较弱时全开遮光板,甚至使用备用光源。

但是目前系统的整合度和控制还有很多需要改进的地方,将来发展的方向是感光、反馈、控制和调节的有机结合,既需要提高性能又需要做到节能环保。

4)为了克服随太阳高度角的变化光导管系统采光不均匀的现象,人们研制出了可根据太阳在天空中方位的变化而自动跟随的采光器,应用这种采光器的光导管系统就是主动式光导管系统,但是好的采光器也会大大增加光导管的投资,同时在实际应用中的效果(比如在自动跟随中遇到太阳被云层遮挡)也还有待检验。

现在还有学者提出了应用平面镜列阵耦合光导管系统的方式来解决太阳照明随高度角变化的问题,即在平面上沿南北向布置若干个平行的平面反光镜,平面的倾斜角度可以调整,使镜面的轴向与阳光入射方向垂直,通过改变角度来控制反射光线以达到在太阳方位变化的过程中始终使光导管的入射光能量达到最强,同样,这种系统也需要在实践中进行检验。

211建筑科学第24卷
6　小　结
光导管技术在国外已经取得了一定的研究成
果,但是在国内还是方兴未艾,研究光导管技术的目的就是要把光导管做成一种具有代表性的新型节能环保产品,这不但要体现在光导管本身,其生产制造、使用过程,以及寿命结束后的回收分解都应被考虑在内,这也就是全程节能环保的概念。

另一方面,现今国内外对于光导管的研究很多还处于对其本身性能的不断强化和改善,实际上,没有任何系统是孤立存在的,光导管系统的研究也需要和其它系统结合起来考虑,比如自然通风系统等,结合新技术不但可以提高光导管的性能还能拓展其应用范围。

未来光导管的发展趋势不仅要节能环保健康,还应功能全面,新颖时尚,这就需要业内人士在综合应用上做
更多的研究。

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