光纤采光照明系统在建筑中的应用

摘要：光纤采光照明系统是一种新型绿色照明装置，它利用光导纤维将太阳光直接导入室内进行照明，为室内提供长达九个小时的日照，并营造出有益健康的照明环境。本文主要介绍了系统的原理、构成以及目前在建筑中的应用。

关键词：太阳光光导纤维照明

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：ＤａｙｌｉｇｈｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｂｙＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓｉｓａｎｅｗｇｒｅｅｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈｔｒａｎｓｍｉｔｓｓｕｎｌｉｇｈｔｉｎｔｏｂｕｉｌｄｉｎｇｓｂｙｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ，ｐｒｏｖｉｄｅｓｓｕｎｌｉｇｈｔａｂｏｖｅｎｉｎｅｈｏｕｒｓａｄａｙａｎｄｃｒｅａｔｅｓａｈｅａｌｔｈｙｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｓｕｎｌｉｇｈｔ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓ，ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ

引言

２０世纪７０年代的能源危机后，能源和环境成为全球共同关注的焦点，照明用电随着社会的发展已占能源消耗的相当比例。据国际照明委员会统计，全世界照明用电约占总发电量的９!￣２０!，照明方面所消耗的能源约占初级能耗的４!。目前，我国照明用电大体占总发电量的１０￣１２!，而照明用电中真正用于发光的仅不过２５!，其余则以热能方式散发，不但造成大量的能源浪费，而且加大了对环境的污染。

众所周知，太阳光是大自然赐予人类的宝贵财富，可以说是取之不尽、用之不竭，与其它能源相比具有清洁、安全的特点。充分利用太阳光不但可节省大量照明用电，而且能够提供更健康、舒适的光环境，符合人的生物特性，对人们的身心健康产生有利影响。

近年来，随着建设用地的紧张和建筑功能的日趋复杂，城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的采光方式已经不能满足建筑物内部的采光要求。尤其是那些较低层建筑和进深很大的大型建筑，即使是晴朗天气，室内也昏暗阴沉，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且对长期在此环境中生活与工作的人们身心健康带来不良影响。最为严重的是那些无窗房间和地下室，太阳光根本无法到达，只能依靠人工照明。

一、太阳光的利用

为了节能和改善室内光照环境，充分利用太阳光

资源，国内外许多照明工作者进行了大量的研究，提出不少利用太阳光的采光方法和设想。例如：利用反射镜的反射、棱镜组的全反射、导光管或光导纤维导光，将太阳光直接引到室内需要照明的地方；也可以间接的利用太阳光的红外辐射，产生热发电供照明使用；或是利用光电效应，将太阳光直接变成电能用于照明等等。

其中光导纤维是２０世纪７０年代开始应用的高新技术，最初应用于光纤通讯，８０年代开始应用于照明领域。光导纤维导光是利用全反射原理将太阳光经由光纤传送至室内，它与其它的用镜子反射、管道传送阳光等产品的形式相比，在设计和安装施工上有明显和较高的自由度优势，能方便地把阳光送达室内的任何地方。

二、国内外研究现状

近二十多年来，光导纤维导光技术一直是西方许多发达国家研究的热点，日本、美国、欧洲等一些国家纷纷开发研制出相应的产品，其中日本是世界上最早开展采集太阳光用于室内照明研发活动的国家之一。１９７９年８月ＬａＦｏｒｅｔ工程公司推出了第一台采集太阳光的照明系统“一眼Ｈｉｍａｗａｒｉ”，中文意译为“向日葵”。【１】８０、９０年代日本在集光机和信号控制方面做了大量研究，此后又陆续研制出各种型号。目前Ｈｉｍａｗａｒｉ是业内最具市场性的产品，在国内外已有大量的应用实例。

我国于２０世纪９０年代初开始进行光纤采光系统的研究，虽然起步较晚，但发展比较快。在２００１年自行研制开发出全自动跟踪太阳光的采光装置，经过测试，主要性能指标居国外同类产品先进水平，并且在性能价格比方面处于国际领先水平。

三、光纤采光照明系统的原理及构成

光纤采光照明系统是将太阳光利用技术与纤维光学技术结合起来，通过聚光组件收集汇聚太阳光，利用传光光纤将太阳光直接引入照明，不需要光热、光电、光化学等中间转换过程，极大程度的提高了太阳光的利用率。

图１是系统的光线传输示意图。太阳光１发出的

光纤采光照明系统在建筑中的应用

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＤａｙｌｉｇｈｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｂｙＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓｉｎＢｕｉｌｄｉｎｇｓ

刘柯Ｌｉｕｋｅ鲍家声Ｂａｏｊｉａｓｈｅｎｇ

光线经过聚光组件２的汇聚，通过光纤３传至弥散灯头４后输出。

系统主要分为以下几部分：聚光装置——

—太阳光集光机、导光装置——

—光导纤维光缆、散射装置——

—光线投射器。下面以日本研制的Ｈｉｍａｗａｒｉ为例将各部分的作用和原理作一简单介绍。

１、太阳光集光机——

—跟踪收集光线

安装在室外的太阳光集光机，由两部分组成：一个是由聚光组件和太阳光跟踪传感器组成，它由电动机组驱动并由丙烯树脂制成的圆顶覆盖；另一个是由一个包含了筒座的控制器构

成。太阳光跟踪传

感器探测太阳位置并传递信号至跟踪控制电路，控制电路输出驱动信号驱动相应电机，通过机械传动机构带动太阳光集光器转动，从而实现跟踪并对正太阳的功能（图２）。

２、光导纤维光缆——

—传送阳光

光导纤维光缆的作用是把太阳光集光机汇聚的浓缩太阳光传送到预定地方。光导纤维通常由纤芯及内外保护层三部分构成。光线在芯中传送，利用纤芯（光穿过的物质）与覆盖材料（包裹纤芯的物质）折射率的不同使得某一个射角以下的光不会漏到外面，在纤芯中以全反射的方式进行传递。对纤芯的材料而论，必须保证是在可见光范围内，对光能量应损耗最小，以保证照明质量。目前使用的纤芯材料有石英、玻璃和塑料三种，传输效果最好的属石英光纤，以１５ｍ长的高纯度的石英光纤构成的光缆为例，实际由输出端照射出来的光大约是直射太阳光的５０％。现国外使用最长的光缆达１６０多米。

３、光线照射器——

—散射光线

光线照射器相当于光源的灯具。一般导入的太阳光从光缆出射端以５８度角向外铺张，出光端附近亮度惊人，出射端的光线可以直接照射到被照物体，但光线所照到的范围有局限，所以通常为光缆终端装上多种类型的光线照射器，一可以起到固定和保护光纤终端的作用，二可以把光线散开。从安装形式上可分为：固定式、转动式、移动式和电子遥控式等多种（如图５所示）。在更多的实际应用中，光缆终端还可安装专用的反射器、透镜、滤色片或散射体而获得不同

图７系统运作示意图

图６光纤定位与安全阳光采集原理

图１系统光线传输示意图

图２太阳光集光机结构示意图图３光导纤维结构示意图

图４光缆外形图固定式转动式移动式图５光线照射器的几种形式