張 龍，劉 穎，史玲娜，劉貞毅

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司交通與節(jié)能工程院，重慶 400067)

引言

隨著我國公路隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道照明能耗問題日益突出，高昂的照明運營成本仍是公路隧道運營管理部門急需解決的問題[1]。太陽光光纖照明技術(shù)有望解決隧道照明高能耗問題，是隧道照明節(jié)能、綠色、安全的發(fā)展方向[2，3]。

隧道照明具有高光能需求的特點，采用光纖照明系統(tǒng)時，應(yīng)采用耐高溫的石英光纖，并在表面涂覆耐高溫涂層以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前缺乏對高光能收集下太陽光耦合對光纖端頭涂覆層的影響，及其工藝改進(jìn)方面的必要研究。本文在光纖照明系統(tǒng)用于隧道照明的前提下，研究系統(tǒng)耦合端光纖涂覆層的處理工藝，以期得到高光能收集下滿足結(jié)構(gòu)可靠性的端頭工藝處理要求。

1 光纖照明系統(tǒng)

1)光纖照明系統(tǒng)的構(gòu)成。光纖照明系統(tǒng)主要由采光器采光、光纖傳輸以及尾燈出射這三部分組成。太陽光被采光器匯聚于光纖耦合端頭，并且在光纖中以全反射的方式傳輸，最后通過尾燈將光線照射到需要照明的區(qū)域，光在光纖照明系統(tǒng)傳光過程如圖1所示。

圖1 光纖照明系統(tǒng)傳光過程Fig.1 Light transmission process of solar optical fiber lighting system

2)石英光纖的構(gòu)成。單根石英光纖一般由三層結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示：內(nèi)芯是高折射率純石英纖芯，溫度達(dá)到1 600 ℃時才會發(fā)生軟化，耐熱性好；中間層是低折射率硅玻璃包層保護(hù)內(nèi)芯，熔點較高、質(zhì)地柔軟；最外層是樹脂或金屬涂覆層，減少光的損耗，根據(jù)不同材料，其耐高溫性能也各不相同，根據(jù)最新研究成果，光纖上樹脂涂覆層能在400 ℃左右條件下不發(fā)生分解，金屬涂覆層能在高于400 ℃的條件下工作[4]。

圖2 光纖構(gòu)成Fig.2 Composition of optical fiber

3)太陽光耦合傳輸原理。光的傳輸原理如圖3所示，在某個角度范圍的入射光進(jìn)入光纖后，在其內(nèi)部發(fā)生全反射并最終從另一端出射[5]。

圖3 光纖耦合傳輸原理Fig.3 Principle of optical fiber coupled transmission

為提高光纖照明系統(tǒng)的出光效果，就需要保證聚集于焦點處的光斑小于光纖直徑，并且滿足全反射條件，才能實現(xiàn)光束的理想耦合：耦合透鏡的NA1和光纖的NA2匹配[6]。

NA1=NA2

(1)

(2)

(3)

其中NA為數(shù)值孔徑，D為透鏡通光孔徑，f為透鏡的焦距，n1、n2為光纖纖芯和包層的折射率。

本試驗采用透鏡直徑為0.4 m，焦距為0.22 m，纖芯的折射率為1.7，樹脂涂層的折射率為1.4，根據(jù)式(2)、式(3)，算出透鏡的NA1為0.91，光纖的NA2為0.96，兩者數(shù)值幾乎相等，能夠很好地耦合。

當(dāng)實現(xiàn)光束的理想耦合時，經(jīng)過采光器匯聚到耦合端的太陽光由于能量集中，溫度非常高，此時的聚光效果如圖4所示?？梢钥吹?，亮白色光斑匯聚在光纖耦合端面，在夏季晴天實測可達(dá)1 000 ℃左右。

圖4 光纖耦合端頭光斑Fig.4 Fiber coupling end spot

為驗證耦合溫度，利用式(4)、式(5)計算耦合溫度：

(4)

(5)

其中：Q為經(jīng)過光纖照明系統(tǒng)平均每小時接受的太陽輻射能，E0為當(dāng)?shù)仄骄贻椛淇偭?，S為光纖照明系統(tǒng)采光面積，η1為耦合效率，d為一年的天數(shù)，h為一天的小時數(shù)，Δt為溫差，c為比熱容，m為光纖質(zhì)量。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，取重慶地區(qū)平均年輻射總量為3 492 MJ·a/m2，單個采光器透鏡的直徑為0.4 m，假設(shè)系統(tǒng)耦合效率為0.9，n為光纖根數(shù)6。則每小時接受的太陽輻射能約為7 514 J。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，取光纖的比熱容為1 092 J/(kg·K)，本系統(tǒng)采用的光纜為0.064 kg/m，則單根光纖重量約0.01 kg/m，則1 m單根光纖每小時就能升溫約688 ℃。

因此，適用于光纖照明系統(tǒng)的光纖必須采用耐高溫的石英光纖，同時為保證系統(tǒng)在高溫下始終具有高效的耦合傳輸性能，對耦合頭進(jìn)行一定的散熱設(shè)計，降低耦合端溫度，該設(shè)計如圖5所示。該耦合頭中的透氣孔能加速空氣的對流，從而實現(xiàn)耦合頭部位的熱量與外界的快速交換，試驗測試可使耦合端溫度下降30%。

圖5 具有散熱功能的耦合頭Fig.5 Coupling head with heat dissipation

除了對耦合端頭進(jìn)行散熱設(shè)計能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以對光纖端頭進(jìn)行處理看是否能提高系統(tǒng)的可靠性。

2 光纖端頭涂覆層處理試驗

根據(jù)光纖材料的特性進(jìn)行端頭涂覆層處理試驗，實驗圍繞是否剝離涂覆層、剝離光纖方式以及剝離涂覆層長度展開。

2.1 有無涂覆層對出光效果的影響

1)試驗設(shè)備。準(zhǔn)備兩根光纖，其中一根不做處理，另一根剝?nèi)ヒ欢ㄩL度涂覆層。為保證受光面和光纖端面垂直，將光纖端面用磨刀石進(jìn)行平整打磨。

2)試驗方法。將光纖裝入圖6所示的裝置內(nèi)，并且光纖端頭和裝置斷面對齊。安裝完畢后將本裝置放入圖4所示的采光器底端原先放置光纜的位置。

圖6 光纖放置裝置Fig.6 Optical fiber placement device

出光效果的測試采用照度計測量光纖尾端的出光照度。為保證測量的數(shù)據(jù)不受外界太陽光的影響，用3D打印機(jī)打印的黑色小蓋子套在照度計檢測器上，小蓋子上僅留下一個可供光纖插入的小孔。

系統(tǒng)耦合光斑不在裝置正中心將導(dǎo)致同一裝置兩根光纖測量照度差距很大。為了提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，測量間隔要短，并且測完一根光纖數(shù)據(jù)后將裝置轉(zhuǎn)180°，這就相當(dāng)于光纖的測量條件一致。

3)試驗結(jié)果。得到的試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 有無涂覆層照度實驗Fig.7 Optical fiber with or without coating illuminance test

從圖7看出，光纖在試驗開始時不做處理的照度大，剝?nèi)ネ扛矊拥恼斩葥p失為25%；隨著時間的推移，剝?nèi)ネ扛矊雍筒蛔鎏幚淼墓饫w照度數(shù)值逐漸差別不大；等到試驗結(jié)束，剝?nèi)ネ扛矊拥恼斩缺炔蛔鎏幚淼恼斩却?，照度增益?9%。

拆開光纖放置的光纖如圖8所示，不做處理的光纖因為受到長時間耦合高溫的影響，涂覆層表面發(fā)生碳化；而剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w表面只是略微發(fā)黃；兩根光纖純石英纖芯沒有變化。

圖8 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.8 Optical fiber situation after dismantling placement Device

試驗表明：試驗開始時，由于剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w數(shù)值孔徑不能匹配透鏡數(shù)值孔徑，即不是所有光傳輸時都能發(fā)生全反射，導(dǎo)致進(jìn)入光纖的進(jìn)光量比不作處理的少，相應(yīng)的照度低。隨著試驗的進(jìn)行，光纖耦合端溫度很高使不作處理光纖的涂覆層發(fā)生碳化，碳化后光纖涂覆層透光率低、光衰大，相當(dāng)于耦合端受光面積減少；而剝?nèi)ネ扛矊庸饫w的涂覆層離耦合端距離較遠(yuǎn)，溫度不是很高，所以表層只是略微發(fā)黃，出光效果和開始時差不多，最終導(dǎo)致剝?nèi)ネ扛矊拥墓饫w出光效果優(yōu)于不做處理的。

2.2 不同剝離方式對出光效果的影響

1)試驗設(shè)備。準(zhǔn)備光纖兩根，其中一根剝?nèi)ネ扛矊?，另一根剝?nèi)ネ扛矊蛹肮璨ＡО鼘?，只留下石英纖芯，光纖剝離長度一致。

2)試驗方法。試驗方法同2.1小節(jié)。

3)試驗結(jié)果。得到試驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 光纖不同剝離方式照度實驗Fig.9 Optical fiber of different stripping methods illuminance test

從圖9可知：剝?nèi)ネ扛矊右约皠內(nèi)ネ扛矊雍凸璨ＡО鼘拥墓饫w從實驗開始到實驗結(jié)束，兩者的照度變化不大。

拆開光纖放置裝置的光纖如圖10所示，兩根光纖外表面都只是略微發(fā)光，并且外表沒有明顯差別。

圖10 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.10 Optical fiber situation after dismantling placement Device

實驗表明：剝?nèi)ネ扛矊右约皠內(nèi)ネ扛矊雍凸璨ＡО鼘拥墓饫w在試驗中差別不大，應(yīng)用于實際工程中效果一致。

2.3 不同剝離長度對出光效果的影響

1)試驗設(shè)備。準(zhǔn)備光纖三根，都只剝涂覆層，三根剝離長度分別為1 cm、2 cm、3 cm。

2)試驗方法。試驗方法同2.1小節(jié)，測量的時間統(tǒng)一為不同時間的下午3點。

3)試驗結(jié)果。得到試驗數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖11 光纖不同剝離長度照度實驗Fig.11 Optical fiber of different stripping length illuminance test

從圖11可知，剝?nèi)ゲ煌L度涂覆層對出光效果是有影響的。試驗開始時剝離長度越長、出光照度越低。隨著試驗的進(jìn)行，剝2 cm涂覆層的光纖照度逐漸比剝1 cm的照度大。整個實驗過程剝3 cm涂覆層的光纖照度始終三個中最低的。

拆開光纖放置裝置如圖12所示。隨著剝離長度的增加，最外層顏色是逐漸變淺的，剝離涂覆層的光纖也沒有出現(xiàn)2.1小節(jié)中所示的碳化現(xiàn)象。

圖12 拆開光纖放置裝置后光纖情況Fig.12 Optical fiber situation after dismantling placement Device

再剝1.5 cm和2.5 cm涂覆層長度的光纖，同樣放置7天后測量照度讀數(shù)如圖13所示。

圖13 不同剝離長度光纖照度值Fig.13 Illuminance of different stripping length

從圖13可以看出，最終剝光纖涂覆層長度的出光效果有先增后減的趨勢，本試驗采用光纖剝2 cm長度涂覆層效果最佳。

實驗表明：光纖剝離涂覆層長度與出光效果有關(guān)。試驗開始時，由于數(shù)值孔徑不匹配，剝離涂覆層越長，進(jìn)入耦合端發(fā)生全反射的光也越少，導(dǎo)致出光效果越差。隨著試驗的進(jìn)行，光纖耦合端溫度很高，但由于剝?nèi)ネ扛矊拥拇嬖谑蛊洳幌癫蛔鎏幚淼墓饫w發(fā)生碳化，只是表面發(fā)黃。但這也會影響光纖的透光率，顏色越深、透光率越低、光衰越大，這和2.1小節(jié)的結(jié)論一樣。但也并不是剝離長度越長，對出光效果的改善越好，這也是有限度的，隨著剝離涂覆層長度的增加，耦合端進(jìn)入光纖并發(fā)生全反射的光就少很多，導(dǎo)致出光照度一直較低。本試驗所用光纖經(jīng)試驗測試用于工程時，建議剝離2 cm涂覆層使用以達(dá)到良好的出光效果。

2.4 透鏡的優(yōu)化設(shè)計

本文提及的光纖出光效果提升方案，是將光纖涂覆層進(jìn)行剝離，因此光纖的數(shù)值孔徑根據(jù)式(3)計算得出為1.375，相較于原設(shè)計方案有所增加，與原來透鏡的數(shù)值孔徑不匹配，這就導(dǎo)致耦合入光纖的太陽光不是100%在光纖內(nèi)發(fā)生全反射。

為保證太陽光耦合端的效率，也需要對光纖照明系統(tǒng)的透鏡進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)本文使用的光纖型號以及式(2)可重新算得與之匹配的最佳透鏡的焦徑比為0.364。

調(diào)研某透鏡廠商現(xiàn)有透鏡型號并根據(jù)本焦徑比，列出推薦使用的透鏡如表1所示。

表1 推薦使用透鏡型號Table 1 Recommended lens model

3 總結(jié)

本文基于光纖照明系統(tǒng)，對光纖端頭涂覆層進(jìn)行不同的處理并得出如下結(jié)論：

1)剝?nèi)ス饫w端頭一定長度涂覆層比不做處理的光纖出光效果好。

2)剝?nèi)ス饫w涂覆層和剝?nèi)ネ扛矊蛹肮璨ＡО鼘拥某龉庑Ч恢隆?/p>

3)剝離一定長度的光纖涂覆層對出光效果有一定提升作用，但并不是無限提升的。

4)光纖剝離涂覆層后，透鏡也需要根據(jù)光纖進(jìn)行重新選擇。

本次試驗的不足之處有：

1)剝?nèi)ス饫w涂覆層的長度可以更加細(xì)化，可以精確到0.1 cm確定本類光纖最佳剝離長度。

2)本試驗只采用一種光纖進(jìn)行試驗，類型太少，后期應(yīng)找不同類型的光纖對其規(guī)律做進(jìn)一步研究。

3)光纖剝離后應(yīng)選擇最佳焦徑比的透鏡進(jìn)行實驗而不是原有設(shè)計方案的透鏡，下一步應(yīng)該用采用最佳方案透鏡進(jìn)行論證試驗。

綜上，基于光纖照明系統(tǒng)進(jìn)行光纖涂覆層試驗對于實際隧道照明工程有一定的參考價值。建議根據(jù)光纖類型在安裝光纖時將端頭涂覆層剝?nèi)ミm當(dāng)長度，這樣能夠提高光纖照明系統(tǒng)的出光效率，保證光纖照明系統(tǒng)長期使用的可靠性，同時還能減少系統(tǒng)運維管理的費用，降低隧道照明工程運營費用。