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探讨光导照明技术应用困境及化解方法

2020-09-19 245 上传者：管理员

摘要：全球能源危机的背景下，光导照明技术所带来的清洁节能照明广受青睐。其主要组成部分有太阳能聚光器、太阳光自动追踪装置、传光光纤、漫射装置等。照明光源为自然太阳光，光导照明有着绿色节能、健康安全、低成本易维护等优点。同时光导照明又有着一些固有不足，限制了其在不同场景的应用推广，可通过智能调光对光导照明的部分不足进行优化。光导照明技术应用场景广泛，且随着技术的发展，其应用范围进一步拓宽。本文最后对技术现遇到的发展瓶颈进行原因分析，并结合当下智能化时代特征对未来应用取得突破指出合理化的解决方向。

关键词：
传光光纤
光导照明技术
应用研究
新能源
漫射装置
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全球能源危机的背景下，光导照明技术所带来的清洁节能照明广受青睐。其主要组成部分有太阳能聚光器、太阳光自动追踪装置、传光光纤、漫射装置等。照明光源为自然太阳光，光导照明有着绿色节能、健康安全、低成本易维护等优点。同时光导照明又有着一些固有不足，限制了其在不同场景的应用推广，可通过智能调光对光导照明的部分不足进行优化。光导照明技术应用场景广泛，且随着技术的发展，其应用范围进一步拓宽。本文最后对技术现遇到的发展瓶颈进行原因分析，并结合当下智能化时代特征对未来应用取得突破指出合理化的解决方向。

随着化石能源的逐渐枯竭，全球能源危机日趋严重，绿色能源逐渐登上能源舞台，其中太阳能作为取之不尽、用之不竭的庞大能源得到重视。如何充分利用太阳能成为社会日益关注的问题。据国际能源署统计，全球照明消耗电力约占总发电量的20%以上，而常用的光伏发电技术能量转化效率低下，正作为普通太阳能能源利用的瓶颈，阻碍着太阳能能源产业的发展。然而在照明领域，白天利用太阳光照明本就为一种照明方式。

因照明消耗大量能源和为充分利用太阳光，光导照明技术应运而生。它利用导光管或导光纤维直接将室外聚光器收集的太阳光传输到白天需要光照的地方，其中利用光导照明技术进行能量传输的过程中不涉及不同形式能量间的转换，因而能量传输效率较高。此外，这种照明方式极大的保留了太阳光的原始自然属性，相比于普通人造光源更有助于人体健康。

光导照明技术是一种绿色新型照明技术，整体装置分为采光区、导光区、漫射区三部分，通过采光区高效采集太阳光导入系统内重新分配，再经过导光区传输至漫射区将太阳光高效匀和的散射到任意需要光线照明的场地，提供基本光亮的同时，带来的太阳光的特殊照明效果。

采用光导照明技术利用太阳光进行照明是一种绿色节能、健康安全的照明方式，对应对能源危机，推动太阳能利用等方面具有重大意义，成为当下环保意识逐步提升下，人们关注的焦点之一。然而，光导照明技术在我国起步较晚，部分技术落后制约着国内的发展，且限于外界光照强度较强的情况下照明，较为局限，虽有着众多的优势，但仍尚未大规模进入市场。

1、光导照明主要构成部分

1.1太阳能聚光器

太阳能聚光器为采光区的一部分，按形状可分为：半球型采光罩、钻石型采光罩、平板型采光罩，分别适用于不同使用场景。半球型采光罩自洁功能较强，适用于灰尘较多的区域，但其采集低角度的太阳光的能力较差；钻石型采光罩对低角度的太阳光采光效果较好，但自洁功能较球面型更差，通过弧度设计可增加其自洁功能，因此使用效果较好；平面型采光罩适用于地上需要提供通行的特殊地下场地的采光，不占用地面空间，因此不影响地面的交通。

按聚光原理可分为：反射式、透射式和混合式聚光器。反射式聚光器易于实现对太阳位置的高精度追踪，但其光学效率易受镜面沉积的粉尘等外界因素影响，且高性能的反射式聚光器需要大量占地面积，不利于推广应用；透射式聚光器以菲涅尔透镜为主要光学元件，对追踪精度要求较低，但透镜本身易对太阳光光学特性产生影响，影响照明质量；混合式聚光器在聚光光强分布方面有着巨大改进，混合式的结构使其产生许多优化特性，但现有混合式聚光器的技术尚未成熟，太阳能利用效率较低，仍需进一步的优化。

太阳能聚光器将外界大面积的太阳光聚集在光纤端点上，聚光器作为整个光导照明技术的第一道关卡，设计出产品的聚光能力的高低直接决定了太阳能的利用率，进而影响了整个照明系统的性能的好坏。

1.2太阳光自动追踪装置

太阳光自动追踪装置为采光区的一部分，实时自动追踪太阳方位，保证聚光器最大面向太阳，进行高效的垂直采光。

追踪装置按追踪轴的数目可分为单轴追踪方式和双轴追踪方式两种，单轴追踪结构简单、易于控制，但若采用单轴结构，聚光器一天之中只有很短的时间与太阳入射光线保持垂直状态，因此装置跟踪精度低，导致太阳能的收集效率较低；双轴追踪方式较单轴追踪而言，结构更加复杂，但相较而言能够实现高精度追踪，因此采用该追踪方式，对太阳光的采集有着更高的效率。

根据太阳光追踪方法大致可以分为三类：视日运动轨迹追踪方式、光电式追踪方式与混合追踪方式。因为太阳位置变化的周期性，其在不同地区的运动轨迹都是可预测的，视日运动轨迹追踪方式根据太阳位置变化规律计算出所在地区太阳在不同时间的轨迹位置，由此调整聚光器旋转角度。光电式追踪方式利用遮光原理，采集太阳光线在装置不同位置安装的光电传感器产生的电压或电流偏差信号，通过偏差信号获得聚光器与太阳的相对位置，进行旋转调整，实现追踪太阳，该方式具有良好的容错性，结构简单，追踪灵敏性较高。混合式追踪方式将开环主动式追踪和闭环被动式追踪两种追踪方式的优点融为一体，克服了两种追踪方式存在的缺点，实现太阳位置实时追踪的良好效果，但该融合增加了追踪控制硬件的设计复杂度，增加了光导照明的成本。太阳光自动追踪装置的实时追踪精度和装置运行的稳定性是影响采光效率和太阳能利用效率的关键因素。

1.3传光光纤

传光光纤为导光区的一部分，按材料可分为石英光纤和塑料光纤，两种光纤各有其优缺点。石英光纤衰减低，通光率好，可承担长距离传光任务，但售价高，光纤直径较小，耦合难度大，且制备的较高难度限制了它的大规模应用。塑料光纤(POF)是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的，成本低，易于加工，光纤直径大，易耦合，但由于衰减较高，无法承担长距离传光任务。

1.4漫射装置

漫射装置是漫射区的一部分，主要利用透镜的光折射原理，因此主要通过采用菲涅尔透镜将传光光纤传输的太阳光匀和地漫射到房间内，使房间达到一定程度的光照强度，以达到照明的目的。漫射装置外形一般分为方形或圆形，使用材料要求高透光性、高漫射性，以充分利用太阳光，主要使用PC材料或PMMA材料制成，该种材料具有良好的透光性，漫射性强，而且具有非常好的隔热、隔音效果，安全，成本低。从传光光纤传至室内的光线不是完全均匀的，而照明需要室内的光线尽可能分散均匀，借助漫射装置的光散射特性调节室内光线的分布。透镜可将光汇聚或发散，漫射装置通常使用较薄的透镜，如菲涅尔透镜等。它可以改变光的传播方向，在透射光和散射光特性方面有着良好的效果，且其本身外形精致美观。

2、光导照明技术的优点

绿色节能：直接引入太阳光进行照明，减少了大量照明电能的消耗，从而减少火力发电产生的如二氧化硫、粉尘、氮氧化物、二氧化碳等大量污染物的排放，间接提高周围环境的空气质量。避免了人造电光源产生的光污染，提高周围居民的生活质量。照明装置的各项部件都可回收利用，不会对环境形成负担。

健康安全：与电光源不同，光导照明技术将室外太阳光直接引入室内，保留太阳光自然特性，并无普通人造电光源的频闪、单色、光照度不均匀等现象，避免了人们长期在人造电光源环境下生活和工作引起的心理和生理上的不适，引入适宜柔和的光线缓解眼部的疲劳、眩光，室内生活、办公区域舒适的光环境也在一定程度上使内心的压抑得到缓解。同时因为不使用电能，避免了电气安全事故的发生。

低成本易维护：由于直接通过导光将室外太阳光导入室内，建筑内部无易受外界干扰发生而损坏的电力设备，易于后期维护，因此虽安装时成本超过普通照明成本，但长期以来，少能源消耗、少维护需求的导光照明实则拥有更低成本。

3、光导照明技术的优化

光导照明对于太阳光自然属性的充分利用，使其达到环保健康、能源利用高效的清洁照明需求，但与此同时光导照明本身对于太阳光的依赖，导致在单一使用光导照明时，应用环境较为局限。因此优化方案之一为进行人造光源补光。智能调光控制器的合理应用对于光导照明技术的顺利推广应用起巨大作用。在实际应用中，面对阴雨天气、夜间等光照强度较弱的情况和室外追踪装置跟踪抖动、物体遮挡等意外情况，经传光光纤传输至照明位置的光照强度会产生波动，从而导致照明效果的降低。增设智能调光控制和辅助补偿光源，使照明系统不再受制于太阳光强，而具有光强自动调节功能。当外界光强波动时，控制器动实时调节辅助补偿光源产生的光强，使系统产生的总体光强保持基本稳定，从而获得良好的室内照明效果。

4、光导照明技术的应用场景

光导照明与其他照明系统的应用场景类似，且由于其本身照明的健康舒适的优势，更适合在如教室、办公室、工厂车间、医院、餐厅、家居等场景的应用。又由于其安全的特性，可在储存易燃易爆物品等不宜通电的封闭空间使用，如化学贮藏室、地下矿井、等。因其绿色、节能的特性及不断更新的照明技术、不断提高的照明效率，光导照明逐渐在地铁、隧道、车内等不同场景取得发展。

5、光导照明技术的未来发展趋势

光导照明技术虽是绿色清洁能源利用的代表，受到国家政策的推动，但因其本身技术的低技术门槛，原理在于对太阳光的直接搬运，相关企业产品同质化严重，个体企业难以积累投资，因此资金流形成困难，技术在社会的推广较慢，行业并未给产生巨大的社会影响力。

因此光导照明技术的发展在于技术的不断革新，提高应对不同环境、多种建设需求的能力。结合当下智能化发展背景，光导照明产品需要逐步发展其自主学习迭代能力、对不同环境的自主适应能力、故障点的自主检测能力；结合互联网发展中C2M模式的兴起，光导照明生产企业与消费者个性化需求之间也应逐步形成需求与生产的有效对接；结合5G时代万物互联发展趋势，光导照明产品本身应逐步建立自己的物联系统且应提高其他各物联系统的融合性与扩展性。结合外部国家政策性的支持与环保意识不断提升的人们对环保产品日益增加的需求，同时内部进行技术革新，将光导照明系统彻底智能化，销售策略革新，根据客户需求进行个性化定制。

相信随着人民生活水平的不断提高，对健康绿色生活需求的不断增加，光导照明技术本身的不断发展与成熟，光导照明一定能够在未来取得更加长足的发展与应用，势必成为现代化照明的一个重要组成部分。

付晓奇,孙炳源,李海生,王向阳.光导照明技术及应用研究[J].电子世界,2020(17):15-16.