太阳光光纤照明在隧道中应用的可行性分析

罗亨俊，史玲娜，涂 耘，王小军

(1.贵州省公路局，贵州 贵阳 550003；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆 400067)



太阳光光纤照明在隧道中应用的可行性分析

罗亨俊1，史玲娜2，涂 耘2，王小军2

(1.贵州省公路局，贵州 贵阳 550003；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，交通工程与节能分院，重庆 400067)

针对隧道照明能耗过高、入口段能耗比重大的问题，提出利用太阳光光纤照明技术进行隧道入口段照明的方案。根据太阳辐射计算方法和太阳光谱分布，分析了不同地区的太阳辐射强度、太阳光光纤照明系统的光能利用率及隧道的照明需求，建立了太阳光光纤照明系统的规模与建设成本与不同影响因素之间的关系，并得出了不同辐射强度及隧道照明需求下所需的太阳光光纤照明系统规模，从而为太阳光光纤照明在隧道中的应用提供了可行性的理论分析依据和工程指导建议。

大气光学；隧道照明；太阳能；光纤照明；辐射强度；节能减排

引言

随着国家及地方高速公路网规划的逐步实施以及高速公路不断向山岭重丘延伸，我国公路隧道规模在不断扩大[1-2]。为确保行车安全，隧道照明需全年每天连续不间断开启，隧道照明费用已成为公路隧道运营中的一项沉重负担[3-4]，其中隧道入口段的加强照明又占了照明总能耗的40%左右，如何有效降低隧道照明能耗特别是入口段的能耗，成为隧道建设及运营阶段节能减排研究的重点。与此同时，直接利用太阳光照明的采光方法已在一些领域投入试点应用，如利用导光管进行太阳光地下车库的照明、利用光纤导光进行太阳光室内照明等[5-8]。相比较目前应用较多的太阳能光伏照明技术[9-10]，直接采用太阳光照明可以避免太阳能转化为电能、电能再转化为光能这种两次转换过程所带来的光能浪费，以及转换所涉及的过程复杂、成本较高等问题。

隧道照明受天气、交通量、照明时段等不同因素的影响，特别是隧道入口段，其亮度需求直接与洞外亮度密切相关，为了避免驾驶员白天进入隧道产生的“黑洞效应”，入口段亮度要求较高[11-12]。另一方面，隧道入口段是紧靠洞口位置，其空间位置最有可能直接利用太阳光照明。通过光纤照明技术直接将太阳光导入隧道入口段以代替传统的电光照明，不但可以从根本上解决白天隧道入口段高能耗的问题，更可为道路交通实现绿色照明提供全新的解决方案。

根据光纤照明技术的特点，从系统尾端出射的太阳光能量受到系统采光面积、光耦合效率、光传输效率及出射效率等因素的影响。其中系统采光面积决定了用于隧道照明的光纤照明系统的规模，进而影响其建设成本。为了分析太阳光光纤照明技术用于隧道照明的可行性，必须从光能量的利用角度出发，结合隧道照明和光纤照明的特点，对满足隧道照明前提下的光纤照明系统规模及建设成本进行分析。本文就是从太阳辐射度学出发，根据光度学与辐射度学的关系，分析隧道照明要求与光纤照明系统参数之间的关系，得出达到隧道照明要求的系统规模及工程造价与相关影响参数之间的关系，从而为太阳光光纤照明技术用于隧道照明提供可供参考的理论及经济指导意见。

1 光纤照明系统可行性影响因素分析

1.1 太阳辐射强度

地球上太阳辐射能量由太阳对地球的天文位置决定，到达地球的太阳辐射量除昼夜和季节的变化外，还存在地区的差异。根据朗伯-比尔定律，在水平面上的辐射强度I可表示为[13]

I=I0(sinφsinδ+cosφcosδcosω)

(1)

式中I0为太阳常数，其值为1368W/m2，φ为地理纬度，δ为太阳赤纬，ω为时角。

结合一年中不同时间由于日地距离不同引起的大气上界辐射强度不同，地球上天文辐射强度可表示为

(2)

对于太阳光光纤照明系统而言，其采光系统菲涅耳透镜在太阳光跟踪系统的作用下对准太阳直射方向，与水平面往往具有一定的倾角。一般情况下，地球表面倾斜面的太阳辐射强度包括太阳直接辐射强度、太阳散射辐射强度和反射辐射强度。通常，太阳散射辐射强度远小于太阳直射辐射强度，并且，在晴朗的天气利用太阳辐射进行照明时，阳光采集器距地面往往有一定的距离，由地面反射至采集器的反射辐射强度也可忽略不计。因此在太阳光光纤照明技术中，太阳辐射强度只需考虑直射到阳光采集器的太阳直射辐射即可，即

Iθ=IDθ=Ipm(cosθsinh+sinθcoshcos(a-γ))

(3)

由式(2)～(3)可以得出不同地区不同季节在一天不同时刻地面上任一平面所接收到的太阳辐射强度。

1.2 光纤照明系统效率

太阳光光纤照明系统是通过采光装置收集太阳光，通过光纤将收集到的太阳光传输到需照明区域，再通过合适的尾灯将太阳光投射出来，如图1所示。根据原理不同，在国际上有不同的采光系统，如日本的“向日葵”系统、美国的碗碟状反光系统等。目前，国内研究较多的菲涅耳透镜采光系统的原理与“向日葵”系统类似，即采用菲涅耳透镜将太阳光会聚到焦点处，再将会聚后的太阳光耦合至传输光纤，因此系统的采光效果受到透镜的聚光度C和光学效率η的影响，其中

(4)

(5)

式中S1为透镜的采光面积，S2为焦斑面积，E1为透镜上的太阳光照度，E2为焦斑处的太阳光照度，U为透镜总的光损失，是由反射、吸收、散射及加工误差等造成的。

图1 太阳光光纤照明系统示意图Fig.1 Sketch map of solar fiber lighting

阳光采集器将太阳光会聚于透镜的焦点处，由于太阳光谱连续分布，不同波长的太阳光聚集于轴线不同位置，将光纤入射端置于太阳光谱可见光范围的焦斑处，可滤去光谱中的红外与紫外光成份，只将人眼可见的太阳光导入光纤，如图2所示。所导入的太阳光能量受光纤的耦合效率τ及太阳光在光纤内的传输效率影响。耦合效率是指入射到光纤输入端面耦合的光通量Φ2与透镜焦斑处的光通量Φ1之比，即

(6)

图2 太阳光会聚示意图Fig.2 Sketch map of sunlight focusing

为提高光纤的耦合效率，最有效的办法是选用大直径的光纤，以提高光纤束的填充比，从而增大有效入射面积，但同时也会增加系统成本的大幅增加。

光纤的传输效率主要与材料本身的特性有关，其能量衰减性用衰减系数表示，其定义为每公里光纤对光功率的衰减值，即

(7)

式中Pi为输入光功率值，Po为输出光功率值。

经光纤传输的太阳光通过光纤尾灯将太阳光投射到需照明的区域，出射的太阳光能利用率与尾灯的灯具效能有关。为了尽可能地提高太阳光的利用率，要求从光纤末端出射的太阳光在经过尾灯后尽可能地投射到需照明区域，因此，需要根据隧道照明要求对光纤尾灯进行配光优化设计。

综合而言，太阳光光纤照明系统的总效能可表示为

ηQ=C×η×τ×(1-a)×L×ρ

(8)

式中ηQ为光纤照明系统的总效能；η为透镜的光学效率；C为阳光采集器的聚光度；τ为光纤的耦合效率；a为光纤的衰减系数；L为光纤的传输距离；ρ为灯具效率。

为了使光纤照明系统具有较好的照明效果，必须使光纤照明系统的总效能越大越好。在系统上需分别提高阳光采集器的采光效率、光纤导光系统效率和光纤照明出射效率。

1.3 隧道照明需求

根据《公路隧道照明设计细则》(以下简称《细则》)[14]，隧道照明需求与洞外亮度、设计车速及交通量等因素有关。以隧道入口段为例，隧道洞外亮度为L20(S)，在设某种设计车速及交通量下入口段的长度为D，隧道宽度为W。根据《细则》规定，隧道两侧2m高范围内的平均亮度，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为隧道入口段的总光通量，Φr为入口段路面所需光通量，Φw为入口段两侧墙面所需光通量，k为亮度折减系数，q为平均亮度与平均换算系数，不同材质的路面该换算系数不同，Eth为入口段路面平均照度，hW为墙面高度，根据《细则》要求取2 m。

根据式(9)，只要隧道洞外亮度、设计车速、交通量、隧道结构已知，隧道入口段的照明需求就可以获得，其他区段亦如此。

2 光纤照明系统可行性分析

由于不同地区地理纬度和太阳高度不同，当地的太阳辐射强度不同，加之不同隧道的设计参数及工况不同，对应的照明需求亦不同。因此，在采用太阳光光纤照明系统时，需综合考虑当地的实际情况和隧道的照明需求进行太阳光光纤照明系统的规模设置分析，以确定该系统应用的可行性，从而在可行的前提下为系统的设计安装提供工程依据。

图3 太阳辐射光谱分布Fig.3 The spectrum of solar radiation intensity

图3为地球表面太阳辐射光谱分布φλ(λ)，由式(3)和图3可得不同地区的太阳辐射强度分布与波长之间的关系，即

(10)

(11)

式中V(λ)是明视觉条件下眼睛对可见光不同波长辐射的光谱光视函数。

假设用太阳光光纤照明系统进行隧道照明时，满足式(9)隧道照明要求所需的系统采光面积为S，根据式(8)所表示的光纤照明系统的总效能，可以建立起不同地区太阳辐射强度与隧道照明需求之间的关系，如式(12)所示。

(W+1.2hW)qkL20(S)D

(12)

式中Iθ由式(3)表示，由当地的纬度、太阳方位角、采光镜方位角等因素决定，M为出射尾灯的维护系数，k表示出射光的利用系数，在尾灯出射光配光合理的情况下，k可以达到90%以上。

根据式(12)太阳辐射强度、光纤照明系统效能、隧道照明参数要求及所需系统规模S之间的关系，可以得到不同条件下的太阳光光纤照明系统的建设成本，用s表示单个菲涅耳透镜的面积，N表示单套系统的透镜数目，L表示光纤照明系统引入隧道照明的总距离，fs表示太阳光采集器的单价(元/套)，ff表示光纤束单价(元/m)，ft表示系统总价，则由式(12)可得不同条件下的隧道光纤照明系统的设备成本为

(13)

以一座二车道、设计速度为80 km/h、单向交通设计小时交通量小于350 veh/(h·ln)的隧道为例，根据所取的维护系数、利用系数及光纤照明系统，由式(11)可得不同地区不同太阳光辐射强度下满足隧道入口段要求所需的阳光采集器的采光面积大小。图4表示不同太阳光辐射强度下根据式(12)在满足隧道入口段照明要求时所需的系统采光面积，即系统规模S。从图4中可见，随着太阳辐射强度的增加，光纤照明系统的规模递减。由于不同地区太阳辐射强度不同，根据不同地区太阳辐射强度分布可以确定在应用该系统时所需的光纤照明系统的规模。以上是对隧道入口段应用太阳光光纤照明的系统规模的分析，其他照明区段的分析亦如此。

图4 光纤照明系统规模与太阳辐射强度的关系Fig.4 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity

由于光纤照明系统的太阳光利用效率受到阳光采集、传输及出射等不同环节的影响，不同光学部分的性能不同，均会影响到系统的整体利用效率。图5显示了当系统的总利用效率分别为10%和20%时不同太阳辐射强度下所对应的光纤照明系统的规模。由图5可见，当系统的光利率增加一倍时，所需的系统规模就减小一半，从而系统的建设成本亦随之减半。

图5 不同光利用效率下的光纤照明系统规模与太阳 辐射强度的关系Fig.5 Relation between scale of solar fiber lighting system and solar radition intensity in different utilization of sunlight

另一方面，不同隧道由于长度、朝向、线形及交通量等因素不同，对隧道照明的需求亦不同，这就意味着在同一地区应用太阳光光纤照明系统时，亦需根据隧道实际进行系统的合理优化设计，图6为太阳辐射强度300 W/m2时由式(12)得到的不同隧道照明需求下的光纤照明系统规模，两者满足线性关系，当隧道照明需求介于中间值时，可用线性插值法求出所需的光纤照明系统规模及成本。

图6 不同隧道照明需求下的光纤照明系统规模Fig.6 Solar fiber lighting system in different damand of tunnel lighting

根据上述内容可见，在采用太阳光光纤照明系统进行隧道照明时，可根据不同地区的太阳辐射强度，结合光纤照明系统的光利用率和隧道的照明需求，得出在满足隧道照明需求下的系统规模。以陕西某地五月份为例，当地在该月的太阳辐射平均强度为300 W/m2，当隧道入口段的照明需求为400 000 lm时，所需的系统规模在10 m2左右，对于6镜式向日葵阳光采集系统，用22套系统即可满足要求。图7和图8为该太阳光光纤照明系统用于隧道入口段照明的效果图及对应指标值，由仿真结果可见，在采用太阳光光纤照明系统时，根据光纤尾灯的出射光分布进行系统的合理布置，其出射光的分布可以满足隧道照明要求。

图7 太阳光光纤隧道照明效果图Fig.7 Lighting effect of soar fiber lighting in tunnel

图8 太阳光光纤隧道照明指标值Fig.8 Index of soar fiber lighting in tunnle

3 结论

本文在目前隧道照明能耗问题突出，国家积极推行使用绿色能源、实行节能减排方针政策的背景下，提出采用太阳光光纤照明技术进行隧道照明的方法。通过太阳辐射原理，采用光度学和辐射度学的方法，建立了太阳辐射强度、太阳光光纤照明系统效能、隧道照明需求与所需太阳光光纤照明系统的规模及建设成本之间的关系，为太阳光光纤照明技术在隧道照明中的应用提供可行性的理论及工程建设依据，总体结论如下：

1)采用太阳光光纤照明系统直接将太阳光通过光纤导入隧道进行照明，可以避免目前太阳能在照明领域使用上存在光电—电光转换引起的光能利用率低且转换系统庞大而复杂的问题，从直接利用太阳光能角度提出一种解决隧道照明能耗过高的方法，为太阳能在隧道照明中的应用提供了一种全新的解决方案；

2)从太阳辐射原理建立了不同地区太阳辐射参量对照明所需光通量的影响，从物理原理上为太阳光直接照明应用提供了理论依据；

3)建立的太阳辐射强度、太阳光光纤照明系统的光能利用率、隧道照明光通量需求与太阳光光纤照明系统的规模及成本的关系，从系统上为太阳光光纤照明技术在隧道照明中的应用提供可行性指导方案；

4)隧道太阳光光纤照明系统的规模和成本随太阳辐射强度和系统光能利用总效能的增加而减小，随着隧道照明需求的增加而增加，不同地区在应用太阳光光纤照明技术进行隧道照明时，需根据当地的太阳辐射强度和隧道照明参数进行科学分析和计算。

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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

交通运输部科技成果推广项目(2013316350070)，陕西省交通厅科技项目(13-29K)，贵州省交通厅科技项目(2014-122-020)

史玲娜，E-mail:shilingna@cmhk.com

TU113.665，U453.7

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.010