基本信息
- 项目名称：
- 基于混合光源的室内光纤照明系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本系统的目的是用较低的成本来实现一个太阳能室内光纤照明系统的，照明的光源主要来自太阳追踪器控制的镜面收集的阳光，在天气不佳时采用传感器侦测室内照度，依据实际照度调整电光源（LED）功率，使总照度恒定。照明的室内部分采用PMMA塑料光纤，将收集到的阳光过滤后保留可见光导入光纤。光纤的铺设同时兼顾对某些较偏位置的照明要求。随着光纤质量的提高和成本的降低，本系统是最有希望的未来照明方式。
- 详细介绍：
- 照明的光源主要来自太阳追踪器控制的镜面收集的阳光，在天气不佳时采用传感器侦测室内照度，依据实际照度调整电光源（LED）功率，使总照度恒定。照明的室内部分采用PMMA塑料光纤，将收集到的阳光过滤后只保留可见光导入光纤。光纤的铺设可以根据最少材料最大照度的原则合理分布，同时兼顾对某些较偏位置的照明要求。随着光纤质量的提高和成本的降低，本系统是最有希望的未来照明方式。因为它节能，大部分使用阳光，电光源也采用高光效LED；健康，滤除阳光中的紫外线；舒适度高，光纤几乎可以任意排布，均匀柔和；使用安全，维护简单，光电部件分离，降低电气危险。 整个照明系统的效果可以从4个方面来评估： （主要依据为中国《建筑照明设计标准》GB 50034—2004） 1. 照度 照度与传递到室内的阳光能量成正比。低纬度地区的太阳辐射强度为1400W/m2,而我们系统各个部件的传递效率为： 聚光镜：85%（镀铝膜反射，反射率0.94）； 太阳光束-光纤耦合：30-40%； 红外-紫外滤光片：>60%； 光纤：衰减6%/m（采用250分贝/公里的衰减量，这是商用照明光纤的标准值）； 若光纤长按10m算，聚光镜的平行于太阳光的投影面积按2m2计算，加上弯曲损耗掉10%，传递到灯头处的功率有280W，可以驱动7个灯在距灯头0.75m处（垂直于灯头方向）产生900lx的照度, 20°偏斜于灯头方向产生350lx照度。如果仅使用紫外滤光片，不滤除红外线，通过加大光纤芯径等方式提高光纤耐热性，或换用玻璃光纤，则一只1.78m2的聚光镜可以将420W以上的能量传递到室内阴暗处，足够驱动10只以上的光纤灯头。 （以上数据都是与各部分零件有关的科学测量结果或是文献数据，误差较小。）可见我们的系统可实现照度700lux，可以满足绝大部分场合的需要。如果将一面聚光镜驱动的灯数减少一半，则可以使最高照度达1400lx，满足所有场合需要。 除此，为了与不同的光源进行比较，我们需要了解平均照度的估算，对于室内的情况，一般采用以下公式： 平均照度 = (光源光通量)×(CU)×(MF)÷ 照射区域面积 其中，维护系数MF=(LLD)X(LDD)一般取0.7～0.8 利用系数CU，一般室内取0.4 由此，我们计算了一些光源的平均照度（取一平方米做比较） ： （1） T8三基色荧光灯（即家中常用的日光灯管）：75~93流明/w，一般T8 三基色36W光源的光效最高，其光通量为3150lm，则代入公式计算得在1㎡内的照度为882lx （2） T5荧光灯：96~104流明/w，一般T5 28W光源的光通量为：2900lm， 1㎡内的照度为812lx （3） 节能灯： 50~65流明/w，一般18W的节能灯其光通量为：1100~1200lm，1㎡内的照度为336lx （4） LED： 单个LED的发光效率只有10~35流明/w，而一般的LED台灯采用30个左右的LED，单体LED的功率在0.5~1w，1㎡内的照度为210lx 2. 辐射 因为在太阳光收集过程中就已经用滤光片滤除了紫外线，加上紫外波段处于塑料聚合物光纤的低通窗口，损耗率很高，所以室内不会有紫外线被引入。 3. 色温和均匀度 根据GB 50034-2004，色温要在3000K到5000K范围内。均匀度要求Emin/Eave>0.8。我们的系统完全能满足色温的要求，因为正午阳光的色温为5400K，早上、下午阳光色温为4000K左右，平均在4500K。相比之下，蜡烛色温在1930K，白炽灯的色温在2760-2900K，荧光灯在3000K。色温越高，色调越偏蓝，反之偏红。从这里可以看出，相比白炽灯，荧光灯偏红的光，阳光会给人以舒服的感觉。均匀度可以通过加反射式灯头来改善。 4. 光效 白炽灯15流明/瓦，日光灯60，LED为120，一般跟太阳光垂直的地面上的辐射通量为1400W/平方米（低纬度地区），同等条件下的照度为100000勒克斯，这样的话阳光光效为100流明/瓦。可见阳光直接照明在能量上节省很多，光效（跟人眼带来的感觉）上也比较高。 综上，光纤照明系统有着如下优势： 灵活：光纤可以在一定的转弯弧度（25°—30°）以上灵活弯曲，方便地照到传统点光源不易安置或光线不易照到的地方，如地面标志、隧道、走廊、地下室、房顶，或者室内靠墙靠角的位置。我们采用塑料光纤更是易于加工和布设，可以用在狭小空间内灵活安排发光点。 安全：光电分离，光源可放在非专业人员难于触及的位置，不易被破坏。光纤部分不会漏电或者出现电气故障，无电磁干扰，发热量低。 环境友好：在光源处通过滤光片滤除红外、紫外光，且塑料光纤的低损耗窗口位于可见光区。 舒适：光纤可以按照照度要求选择合适的密度均匀分布，光线柔和，使用电光源时可以调整色调、亮度，达到与人眼视觉的最佳匹配。 节能：在白天使用太阳光作为光源，节省照明用电。我国照明用电量占全国总发电量的12%，2008年照明用电总量为4100亿千瓦时，相当于当年英国全国用电量。用太阳光在一定程度上代替电光源，将起到非常巨大的节能和减排效果。每节约1亿千瓦时的用电量，可以减排10万吨二氧化碳，1000吨二氧化硫。世界资源研究所（WRI）对2005年各国碳排放的检测数据显示，中国的碳排放当量（6种温室气体排放量的二氧化碳折合）为72.192亿吨，排名世界第一，占全球总量的19.12%。也就是说，中国照明用电导致的排放占全国总碳排放的5.6%。由于建筑中不是所有位置都能收到太阳光，许多位置还是用电灯照明，比如大楼内部的房间，走廊，地下室等。如果能将白天的电照明用太阳光代替，无疑能很好地起到节能减排的效果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 人工照明的能源和方式伴随着科技发展一同前进。在日益注重低碳减排、环境友好的今天，以阳光为能源、光纤为传导方式的新型照明系统是最符合今日观念的最佳选择。设计制造本系统的目的是用较低的成本来实现一个太阳能室内光纤照明系统，并实测该系统在节能、减少辐射和提高照明舒适度方面的表现。照明的光源主要来自太阳追踪器控制的镜面收集的阳光，在天气不佳时采用传感器侦测室内照度，依据实际照度调整电光源（LED）功率，使总照度恒定。照明的室内部分采用PMMA塑料光纤，将收集到的阳光过滤紫外线后导入光纤。光纤的敷设根据最少材料最大照度的原则合理分布，同时兼顾对某些较偏位置的照明要求。随着光纤质量的提高和成本的降低，本系统是最有希望的未来照明方式。因为它节能，大部分使用阳光，电光源也采用高光效LED；健康，滤除阳光中的紫外线；舒适度高，光纤几乎可以任意排布，均匀柔和；使用安全，维护简单，光电部件分离，降低电气危险。
科学性、先进性
- 基于混合光源的太阳能光纤照明系统能够满足建筑物室内照明的要求，就在于它设计的科学性保证了系统的照明效果，而且在节能环保、环境友好等方面有着独特的优势。 单从照明系统最关心的照度问题来讲： 照度与传递到室内的阳光能量成正比。低纬度地区的太阳辐射强度为1200W/m2,而我们系统各个部件的传递效率为： 聚光镜：85%（镀铝膜反射，反射率0.94）； 太阳光束-光纤耦合：30-40%； 红外-紫外滤光片：>60%； 光纤：衰减6%/m（采用250分贝/公里的衰减量，这是商用照明光纤的标准值）； 若光纤长按10m算，聚光镜的平行于太阳光的投影面积按2m2计算，加上弯曲损耗掉10%，传递到灯头处的功率有280W，可以驱动7个灯在距灯头0.75m处（垂直于灯头方向）产生900lx的照度, 20°偏斜于灯头方向产生350lx照度。一只1.78m2的聚光镜可以将420W以上的能量传递到室内阴暗处，足够驱动10只以上的光纤灯头。
获奖情况及鉴定结果
- 浙江大学第十二届挑战杯复赛一等奖 浙江大学第十二届挑战杯初赛优秀作品 浙江大学第十三期校内科研训练SRTP中检评审优秀
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型 视频 图片 录像 现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 进入20世纪80年代，随着低价质优的聚合物光纤的发明和高效光源的开发，光纤照明的应用范围扩大，开始用于博物馆、购物中心、手术室、汽车仪表和灯具、灯箱、建筑装饰、街道标志等的照明。 我们的室内光纤照明系统，可以用在办公楼，学校，医院等照明要求高，能耗大，同时又注重环境保护和人体健康的场合。同样对于阳光充足的地区有安装条件的楼房也很合适。即使由于工程技术原因的限制无法用在真正的建筑物室内照明，也在性价比、工程难度、与建筑的匹配性上研究了光纤照明的前景。我们不可能完全模拟真实建筑和实际的施工条件，所以我们所做的与日后商业上可行的应用肯定有差距。但重要的是我们进行了创新，不是重复设计一套光纤照明的系统，而是将太阳能与现有的光纤照明结合起来，而这类产品市场上还是几乎没有的。我们研制过程中的经验教训能够为想要尝试的企业提供借鉴。
同类课题研究水平概述
- 1.“燕山大学”高伟霞等教师在《应用光学》上发表过论文《光纤太阳光照明系统中聚光装置的设计》，提出过相关的想法，但他们仅提出了系统中一个部分——“聚光灶”的设计思路并且并未付诸实践。 2.最近国内外提出了一个新的概念“地铁阳光工程（The Subway Light Project）”即利用光纤将太阳光源引入地铁中或地下商场进行照明从而大大减少能源消耗。 3.近期美国橡树岭国家实验室项目“Hybrid solar lighting”，利用GPS定位追踪太阳，将太阳光通过透镜耦合到光纤内进行照明。
