姚君霞，寧 鐸

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

引言

眾所周知，當汽車駕駛員在白晝駕車駛入或駛出隧道時，視覺有時會產生“黑洞效應”或者“白洞效應”，即由亮環(huán)境至暗環(huán)境或由暗環(huán)境至亮環(huán)境的轉換過程中由于亮度梯度差過大而引起的眩光現(xiàn)象，從而影響行車安全。根據(jù)醫(yī)學證明人眼視覺能適應小于0.1 lx的星光視場，也能適應大于100 000 lx 的正午太陽照射下的視場，但是在同一時間內，人眼能調節(jié)并適應的照度范圍最多只有1 000倍左右。具體來說，當汽車駕駛員從中午太陽光很強(如60 000 lx)的公路上一旦以較高速度進入光線較弱(200 lx)的隧道內的很短時間內，由于隧道內外亮度梯度差太大，往往會引起駕駛員眩暈甚至在短時間內失去視力而發(fā)生事故。因此，人眼需要一定的調節(jié)時間來適應不同的照度等級，以恢復對路面狀況的識別，防止交通事故的發(fā)生。

根據(jù)文獻[1]，為了保障行車安全，長度超過100 m的公路隧道都必須安裝照明系統(tǒng)。且通常情況由基本照明系統(tǒng)和增強照明系統(tǒng)兩部分組成，其中的基本照明系統(tǒng)主要安裝在隧道里面，并要求晝夜不停的工作，以保證隧道內路面的亮度；而增強照明系統(tǒng)則是安裝于隧道進出口區(qū)段作為補充照明系統(tǒng)，主要是為了有效解決駕駛員在隧道進、出口區(qū)段由于黑洞(白洞)效應，要求隧道照明在基本照明系統(tǒng)的基礎上再在隧道進出口段加裝增強照明系統(tǒng)的同時，又為了節(jié)約能源，對增強照明系統(tǒng)的亮度設計要求通常不是一個常數(shù)，而是隨著隧道外面的太陽光照度情況分為四檔(晴天、云天、陰天、重陰)進行自適應控制[1]。但是在實際工程中由于隧道所處區(qū)域偏僻，系統(tǒng)使用過程中零事故的要求與性能維護不便等客觀因素的限制，相當多的公路隧道增強照明系統(tǒng)并沒有按照此要求配套安裝相應的自動控制系統(tǒng)，但是又必須保證行車安全，所以對于如隧道天氣、車速、車流量等參數(shù)已知情況下只能在設計時以夏天太陽光強度的最大值考慮其亮度梯度參數(shù)而安裝增強照明系統(tǒng)；因此目前高速公路隧道增強照明系統(tǒng)實際上存在著大量電能浪費問題。隨著新能源的推廣使用，如果采用普通的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)完成隧道增強照明功能，除了上述現(xiàn)象依然存在外，這種光-電(14%)-光(38%)變換系統(tǒng)，其總的5%的太陽能利用效率太低也是推廣應用的技術瓶頸之一。

近年來我們研制成功的陽光輸送機[2-3]主要由聚光器、自動跟蹤系統(tǒng)以及光纖3部分組成，如圖1所示。雖然該系統(tǒng)能夠通過光導纖維把匯聚的太陽光直接輸送進隧道里實現(xiàn)太陽光直接照明，并因為避免了光-電轉換而實現(xiàn)了太陽能的高效率利用(如傳輸10 m左右距離進入陰面房間內時40%左右)，而且還因為隧道增強照明系統(tǒng)本身要求亮度自動適應隧道外太陽光強度的特點而回避了太陽光時有時無的重大性能缺陷，相比于應用于隧道增強照明的普通太陽能光伏照明方式優(yōu)勢明顯，而且也比光導管傳輸方式安裝方便和傳輸效率高。但是由于其中光導纖維成本高(占系統(tǒng)成本的60%以上)和損耗高[4]長達50 m的光纖其損耗≥70%)又阻礙了其推廣應用。因此全面仔細分析隧道增強照明系統(tǒng)技術特點，研究制作一種新型的高效節(jié)能、綠色環(huán)保、高性價比的專門用于隧道增強照明系統(tǒng)的陽光輸送機意義重大。

圖1 陽光輸送機結構圖及實物圖Fig.1 Structure and physical configuration of sunlight conveyor

1 研究思路

針對陽光輸送機和PV-LED隧道照明[5]在多年實際應用中存在的傳輸損耗大、系統(tǒng)成本高等應用技術問題，基于全面分析公路隧道進出口區(qū)段增強照明系統(tǒng)所處位置以及要求其具有自適應性特點[1]的基礎上，提出了太陽光直接增強照明新系統(tǒng)，其特點是，直接利用太陽聚光并經過適當?shù)墓饴纷儞Q后得到的增強型平行太陽光在不需要光纖等傳輸介質的情況下，通過反射在空氣中直線傳輸方式實現(xiàn)隧道進出口段的增強照明功能。

如果采用傳統(tǒng)的光纖實現(xiàn)太陽光的傳輸，則光纖的成本會占到整個系統(tǒng)成本的65%以上，而在該系統(tǒng)中利用平行光的高傳輸性采用普通導光鏡實現(xiàn)對增強型平行太陽光的反射，使其準確反射至隧道頂部的固定位置，再經過涂抹在隧道頂部的高反射率薄膜反射至隧道進出口路面，實現(xiàn)隧道進出口段的良好照度均勻度，而且這種反射式傳輸方法安全、可靠、成本低。較陽光輸送機而言，該系統(tǒng)繼續(xù)保持了系統(tǒng)本身具有自適應隧道外面亮度的特點，直接滿足隧道增強照明系統(tǒng)技術要求條件外，還因為采用直接在空氣介質中遠距離高效率傳輸增強的平行太陽光而避免使用光導纖維引起的光損耗，使得整個系統(tǒng)的太陽能利用效率大幅度提高，即使傳輸過程中被空氣中灰塵微粒散射所損耗的部分太陽光實際上都被利用來提高整個隧道空間亮度，并且實現(xiàn)其均勻性，而不會像光導纖維或者導光管轉換成為熱量等其他能量形式而損失掉；并且避免了用光導纖維傳輸，這一項就使得系統(tǒng)的成本降低到原來的三分之一以下，其性能完全滿足高速公路隧道進出口段的增強照明系統(tǒng)技術要求。因此這種突出的技術優(yōu)勢在今后太陽能的推廣應用中具有巨大的社會效益和經濟效益。

2 系統(tǒng)組成

隧道平行太陽光直接增強照明系統(tǒng)主要由聚光器、導光裝置以及自動跟蹤系統(tǒng)3部分組成，工作原理如圖2所示。通過太陽光的匯聚及其相應的光路變換后得到高亮度平行太陽光；再經導光鏡及其相配套的自動調整系統(tǒng)，把亮度增強但入射方向連續(xù)變化的平行太陽光高效率地反射至一直固定不動的隧道頂部，最后經噴涂在隧道頂部的反射薄膜反射到路面，從而實現(xiàn)匯聚太陽光的直接傳輸并完成隧道進出口段的增強照明功能。

圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of system

2.1 聚光系統(tǒng)

聚光器的功能是，在高精度自動跟蹤系統(tǒng)驅動下把接收的太陽光匯聚后再調整成為增強型平行太陽光輸出到導光板，其主要由聚光體和調光體組成，還可以根據(jù)聚光方式分為反射方式(反射曲面)[6]、透射方式[7](菲涅爾透鏡)、點聚光方式[8](截面為矩形)或者線聚光方式[9](截面為圓形)，在該系統(tǒng)中以菲涅爾透聚光鏡和調光鏡來實現(xiàn)透射式圓形平行光輸出的點聚光，聚光器中聚光鏡和調光鏡是2個大小與焦距不同的菲涅爾透鏡，其空間結構上必須是處于同光軸且二者之間的距離為2個透鏡焦距之和；此外安裝在聚光鏡上的太陽光信號采集器的光軸與聚光鏡的光軸在三維空間平行，通過它與相應的信號處理器和驅動結構同時工作，保證聚光器的光軸一直保持與太陽光線平行的狀態(tài)，從而實現(xiàn)太陽光經過聚光鏡匯聚增強后，再利用調光鏡變換成增強型平行太陽光輸出到導光鏡。其結構圖及樣機如圖3所示。

圖3 聚光器結構圖及樣機Fig.3 Structure of sunlight concentrator and prototype

對于折射率相同的菲涅爾聚光透鏡和菲涅爾調光透鏡以上述結構組合安裝。

垂直入射的太陽光經過聚光鏡投射到調光鏡的平均能流密度(在光學領域，光強定義為平均能流密度)可表達為

Ee=ηcEs

式中：Es是垂直入射到聚光鏡上的太陽輻射能流密度；c是透鏡幾何聚光比，即聚光鏡正入射面積與調光鏡面積之比，則c=W1/W2；η是聚光鏡的光學效率，它與光在透鏡中和界面上傳輸所產生的光學損失有關[10]，是透鏡的有效聚光比。由于光學損失很小，因此省略不計，則聚光比就是聚光鏡和調光鏡的面積之比c=W1/W2。

此外，在該系統(tǒng)中利用不銹鋼皮封閉聚光器四周后，只是平整一面朝外，能夠有效地防止聚光鏡和調光鏡凹槽灰塵集聚而影響其太陽光透過率的嚴重問題。如此透射式聚光器為產品產業(yè)化創(chuàng)造了條件。

2.2 導光系統(tǒng)

導光裝置的主要任務是把聚光器輸出的方向不斷變化的增強型平行太陽光以一定角度反射到固定不動的隧道拱頂?shù)姆瓷淠ど希M而被反射后照射到路面上，從而完成隧道增強照明任務，其主要由平面反射鏡以及相應的自動調整系統(tǒng)兩部分組成，其結構圖如圖4所示。因為早上和下午提供給平面反射鏡的增強平行太陽光的方位角的方向幾乎相反，從早上開始太陽光大致向西到下午向東在時刻不停地變化，另外，其高度角也在變化。為了保證把這些來自于不同方向的增強平行太陽光以一定角度反射進隧道上部空間，還必須配套相應的自動跟蹤系統(tǒng)，這個自動跟蹤系統(tǒng)包括太陽光信號采集器、信號處理器和相應的二維驅動裝置(包括方位角調整系統(tǒng)和高度角調整系統(tǒng))所組成。

圖4 導光系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structure of sunlight-lead system

為了提高系統(tǒng)的可靠性，對于不同方向的隧道，系統(tǒng)的聚光裝置安裝方向都與正北方向隧道口的聚光裝置的安裝方向一致，而導光鏡的安裝方向則須調整。具體方案是：

對于南北方向的隧道來說，處于正北面(對于地球北半球)隧道出入口處的太陽光直接增強照明系統(tǒng)直接安裝于隧道口延長的遮光建筑物上面即可；處于正南面隧道進出入口處的增強照明系統(tǒng)，僅須在北面隧道增強照明系統(tǒng)中導光鏡安裝的基礎上把導光鏡的傾斜角轉動一定角度即可，其光路圖如圖5(為了使光路變換清楚可見，沒有畫出導光鏡，只畫出了導光鏡對應的法線)所示。

圖5 南北朝向隧道的光路變換圖Fig.5 Optical path transforming in south and north sides of tunnel

圖5中∠1是導光鏡輸送的光線的光軸與隧道頂部直線之間的夾角，且tan∠1=H/S，其中H為平行光的高度(其取值取決于隧道寬度和隧道頂部弧度的大小)，S為隧道內輸送的直線距離(一般在40 m左右)。不管隧道進出口朝南或朝北，對于滿足要求的太陽光增強照明系統(tǒng)，其入射太陽光與隧道頂部的夾角是不變的，分析上圖可知，對于南面進出口的隧道的導光鏡只須在北面進出口隧道的導光鏡的基礎上按順時針方向(由東到西)旋轉∠1的余角大小就可滿足要求。

對于東西方向或者其他任意方向的隧道進出口處的過渡區(qū)增強照明裝置，同樣可以根據(jù)當前隧道與北面隧道的方向夾角α的大小，在北面隧道增強照明系統(tǒng)安裝的基礎上由調整系統(tǒng)自動調整導光鏡的角度即可，該調整角為α/2─∠1，旋轉方向由當前隧道與北面隧道的地理位置有關。

2.3 跟蹤系統(tǒng)

在本文中，針對受光體位置固定不變的隧道增強照明系統(tǒng)提出了一種新型太陽光極軸式自動跟蹤系統(tǒng)和導光鏡自動調整系統(tǒng)。其中太陽光極軸式自動跟蹤系統(tǒng)保證太陽光始終垂直入射聚光器，導光鏡自動調整系統(tǒng)保證來自不同方向的增強平行太陽光按照一定角度順利進入隧道上部空間，其中的2個信號采集傳感器都是根據(jù)四象限光電檢測原理[11]研制的具有自主知識產權的太陽光信號采集器[12]，分別安裝于聚光鏡和入射隧道頂部的光路上，前者要求其光軸與聚光器光軸平行，后者的光軸要求與進入隧道的增強平行太陽光的光軸重合。因為地球自轉速度比較慢，數(shù)據(jù)處理量小，所以用一個單片機作信號處理器即可。驅動裝置是2個獨立的二維驅動裝置，分別驅動聚光器和導光鏡，分別實現(xiàn)太陽光匯聚和增強平行太陽光以最大量傳輸進隧道，其跟蹤系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6 跟蹤系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Block diagram of tracking system

該系統(tǒng)中應用的是透鏡非成像的光路變換，要求實現(xiàn)實際跟蹤誤差小于等于0.02°立體角的高精度自動跟蹤系統(tǒng)，才能保證此光學系統(tǒng)按照設計的光路實現(xiàn)增強平行太陽光，高效率、遠距離傳輸并完成隧道進出口區(qū)段的增強照明功能。但是，其他天文時間或者計算機設定時間等間接提供太陽光方向信號的方式組成的自動跟蹤系統(tǒng)[13]或者其他跟蹤方法，實踐證明都是無法實現(xiàn)高精度自動跟蹤任務的。這種高精度立體自動跟蹤系統(tǒng)采用主動的太陽光信號采集器與相應的控制和驅動結構，實現(xiàn)了對聚光器和導光鏡的準確跟蹤調整。

2.3.1 太陽光極軸式自動跟蹤系統(tǒng)

這種極軸式太陽光自動跟蹤裝置，包括太陽時角跟蹤機構、太陽赤緯角跟蹤機構以及聚光器。聚光器的受光面上安裝有太陽光信號采集器；聚光器下端通過多段式軸連結構(包括上半段的旋轉軸和下半段的主軸)固定，多段式軸連結構為聚光器提供太陽時角旋轉和赤緯角調節(jié)的自由度；太陽時角跟蹤機構包括弧形軌道以及設置在弧形軌道上的軌道車[14](軌道基體的曲線形狀為圓周的一部分，而相應的圓周半徑即是軌道基體所處位置到主軸的距離)，軌道車與弧形軌道之間設置有鏈條驅動機構，軌道車與聚光器的外側面固定連接；太陽赤緯角跟蹤機構設置在太陽時角跟蹤機構下端，用于完成上下升降行程，以帶動整個太陽時角跟蹤機構和聚光器進行太陽赤緯角調節(jié)。

系統(tǒng)具體工作原理是：太陽時角方向采用鏈齒復合的方法，在距離主軸一定距離的位置拖著負載聚光器沿著與太陽每天升起和落下的運行軌跡相同的滑道運動，從而實現(xiàn)太陽時角的轉動跟蹤功能，可以解決地球本身自轉過程中對太陽光的偏離問題，即時角調整。傾斜角方向則通過調節(jié)傾斜平臺的傾斜角，使得安裝于上面的聚光器同步轉動跟蹤太陽，有效解決了地球圍繞太陽公轉形成的對于赤緯方向的偏離即赤緯角調整。采用這種按照太陽每天運行軌跡制作弧度滑道的方法，大大減小了垂直方向電機的工作時間，節(jié)省了能源。

對于云天、陰天和雨天這種天氣，上述光電跟蹤系統(tǒng)就不能正常工作，因此在該系統(tǒng)中還需要以視日運動軌跡跟蹤作為輔助跟蹤。當出現(xiàn)特殊天氣情況(陰天或者雨天等)時，光電跟蹤自動停止工作，同時啟動視日運動軌跡跟蹤，使得聚光器可以按照程序預定的運動軌跡轉動；當光電傳感器可以再次采集到太陽光信息時，視日運動軌跡跟蹤停止，同時光電跟蹤自動啟動。其控制原理圖如圖7所示。對于早晚聚光器跟蹤的啟動和停止，根據(jù)實際情況設定為早上某一時刻聚光器開始自動跟蹤，晚上某一時刻停止跟蹤并把聚光器還原到早晨開始跟蹤時的位置，實現(xiàn)了聚光器對太陽光的實時跟蹤。

圖7 太陽光極軸式自動跟蹤控制原理Fig.7 Schematic of polar-axis type automatic tracking system for sunlight

2.3.2 導光鏡自動調整系統(tǒng)

在該隧道增強照明系統(tǒng)中須借助導光鏡把方向時刻變化的高亮度平行太陽光按照固定方向導入隧道頂部，因此其自動控制系統(tǒng)的作用，就是使得導光鏡始終根據(jù)增強型平行太陽光的方向調整導光鏡的方向。

在該調整系統(tǒng)中，包括太陽光信號采集器、單片機和對應的驅動裝置等。太陽光信號采集器安裝于入射截面上且其光軸必須與入射至隧道頂部的太陽光光軸重合，太陽光信號采集器將采集到的信息傳送給單片機，并且通過單片機控制導光鏡的正確旋轉(包括方位角調整和高度角調整)，使得增強型的平行太陽光始終能夠準確反射至隧道頂部的反射薄膜。同聚光器對太陽光的跟蹤一樣，本系統(tǒng)還須配備相應的輔助調整裝置。當沒有增強型平行太陽光入射到導光鏡時，應使導光鏡按照設定的運動軌跡動作，保證異常情況結束時(如太陽重新從云中出來時刻)導光鏡對增強型的平行太陽光進行準確的反射。通過這兩種跟蹤調整方式相互配合來調節(jié)導光鏡的位置，從而把太陽光實時準確高效率地輸送到隧道頂部。

3 結論

本文在分析隧道增強照明系統(tǒng)技術要求的基礎上，提出了一種通過太陽光的匯聚和光路變換后，在空氣中高效率傳輸并直接用于隧道增強照明系統(tǒng)的太陽能應用新方法。通過實驗證明，這種增強照明系統(tǒng)不但無須光導纖維或者導光管使得傳輸效率提高40%左右，同時使系統(tǒng)成本降低了近2/3，而且其本身固有的特點滿足了隧道增強照明亮度自適應隧道外太陽光強度的技術要求，同時又回避了太陽光直接照明系統(tǒng)在實際應用過程中時有時無不穩(wěn)定的致命缺陷。又因為配備了高精度高可靠性的極軸式跟蹤系統(tǒng)和導光鏡自動調整系統(tǒng)，使得太陽光實時傳送至隧道進出口區(qū)段路面，實現(xiàn)增強照明系統(tǒng)總是處于最佳的工作狀態(tài)，從而獲得良好的照度均勻度來滿足隧道進出口段的增強照明。該系統(tǒng)也為太陽能在白天需要照明的地下工程建筑如地下車庫等推廣應用提供了技術保障。

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