CN102537825A

CN102537825A - 一种能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置

Info

Publication number: CN102537825A
Application number: CN2012100289703A
Authority: CN
Inventors: 宁铎; 李宏杰; 罗万志; 辛登科; 孟惠; 张剑莉
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，采用若干个小平面组成的抛物线柱折平面来代替聚光器中的抛物线柱曲面，从生产工艺上把曲面镀银玻璃生产工艺简化为常规的平面镀银玻璃的生产工艺，使得生产成本大幅度下降；再把汇聚后的平行太阳光与隧道顶部以夹角β的方向从隧道上部入射进隧道里，并且在隧道顶部洞壁一定区域直接喷涂具有很好反光性能的薄膜来实现平行太阳光直接反射到路面上照明；从而既节省了反射玻璃组的使用、安装及维护费用，而且直接把反光涂料喷涂在隧道顶部的方法，既保证了反射到路面上太阳光的均匀性，又大幅度降低了材料和施工成本，也提高了自洁性能，方便了维护和管理，从而为太阳光直接应用于隧道增强照明推广应用创造了条件。

Description

一种能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能照明装置，具体涉及一种能够直接利用太阳光进行隧道增强照明装置的改进。

背景技术

对于公路隧道来说，除了必须安装昼夜照明系统保证基本照明亮度要求外，还有一个很大的特点，就是汽车驾驶员特别要求隧道进出口一段距离内(简称亮度过渡区间)的亮度梯度(亮度变化率)必须限制在一定范围内，否则将会出现“黑洞”和“白洞”现象而造成事故，即在这个重要的也是最危险的区段内亮度(相比于外面环境亮度)是一个相比于外面环境亮度的相对值而非绝对值；一旦经过这个亮度过渡区间后驾驶员已经适应灯光亮度的变化，驾驶员眼睛的视力已经恢复正常后也就不存在上述问题了。例如汽车驾驶员从中午太阳光很强(如60000Lx)的公路上一旦以较高速度进入(光线较弱(200Lx)的)隧道内(200Lx)的很短时间内，由于亮度变化梯度太大，往往会引起驾驶员眩晕感甚至在短时间内失去视力而发生事故。而在阴雨天，即隧道外面光线比较弱(如5000Lx)的时候，对于相同或者更低的隧道内照明亮度，驾驶员则不存在上述问题。特别是这种情况的极端现象-----夜晚，对于驾驶员来说，隧道外公路上的亮度相对隧道内部照明对于驾驶员来说，甚至是从光线暗处进入亮处，就根本不存在不适应问题。根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)技术标准关于目前隧道照明系统中过渡区间的亮度设计要求，一般把隧道进出口分为入口区、过渡区、中间区和出口区等四个区段，并要求在进出口区根据隧道外面的亮度(太阳光强度)变化而自动调节照明光源的强度，以达到节省能源的目标。但是由于自动控制系统工作环境太差等原因而导致故障率高，其系统维修保养又有很大困难，所以实际工程中大部分仍然采用固定亮度照明方案：即隧道过渡区的亮度梯度值必须小于夏天中午最强太阳光照射下的亮度梯度极限，这个极限数据显然对光照较弱的(于夏天以外的三个季节，特别是)冬天、阴雨天以及晚上来说，在亮度过渡区间照明光源就存在着能源浪费现象。

综上所述，如果直接利用太阳光能实现隧道进出口处的增强照明，恰好能够满足这个要求。因此先后研制了具有自主知识产权的“阳光输送机”和“PV-LED太阳能直接照明系统”以及太阳光直接照明隧道装置等用于隧道出入口处的增强照明，虽然其太阳能利用效率明显提高，但是在制作成本和运行可靠性等使用性能方面仍然存在一定缺陷，从而阻碍了在其领域的推广应用。所以在此基础上进一步寻找高效率利用太阳光能直接实现隧道进出口处的照明的方法及装置，对于节约能源和推广太阳能应用意义重大。

直接利用太阳光进行隧道进出口增强照明装置在理论设计上比较完善的，但是在实际使用中因为其性能缺陷而制约了推广应用。主要是抛物柱曲面具体制作工艺复杂以及成本太高的问题。如果采用镀银玻璃作为聚光体，则由于加热弯曲和消除应力导致工艺复杂而使得成本太高；如果采用304不锈钢材质则在恶劣的室外环境中因为其自洁性能差和锈蚀问题而失去使用价值。另外，隧道中安装的反射镜给系统的一次性成本和使用过程中清洁费用增加不少。

如果能够有效解决上述二个太阳光直接照明实际应用中技术问题，根据隧道进、出口区段(40米左右)一般都呈直线性的具体特点以及平行太阳光直接传输损耗小、成本低的优势，采用更有实用价值的太阳能聚光器实现低成本汇聚太阳光并调整光路后以高亮度平行太阳光直接照射的方式实现太阳光高效率低成本的直接隧道过渡区增强照明，当然具有重大的实用价值，并且能够有效解决由于山区崎岖复杂引起的出入口过渡段隧道拐弯的实际问题。

发明内容

本发明的目的在于根据实际使用中存在的技术问题，提供一种能够有效提高太阳光利用效率和可靠性、降低成本，提高使用性能的直接利用太阳光进行隧道照明的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括安装在隧道口的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜，所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱形反射折面安装架以及固定在该安装架上的若干个平面镜组成的折面型聚光镜，以及与其具有同一个焦点并与抛物柱形反射折面安装架成为一体结构的抛物柱曲面调光镜，平行太阳光经聚光镜汇聚后再经过抛物柱曲面调光镜调整光路后成为增强后的平行太阳光，然后从抛物柱形反射折面安装架的出射槽中输出到导光镜，其中导光镜的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外，其安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器二者的高度；另外还有在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜导入的平行太阳光均匀反射到隧道中各处路面上的反射薄膜。

所述的聚光器还与高精度跟踪系统相连接。

所述的导光镜与自动跟踪装置相连接，导光镜将汇聚后的平行太阳光输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，但是由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgβ＝H/S，其中H为平行光的高度，S为隧道内输送的直线距离。

所述的聚光镜的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度高度。

所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜安装在该亮度缓冲建筑上。

所述的若在隧道的入口段就存在拐弯的隧道，在隧道顶部侧面安装与导光镜相配合的、而且不需要自动跟踪系统的平面导光镜，实现平行太阳光的相应拐弯并传输更远的距离。

本发明针对太阳光实现隧道增强性照明过程中存在的具体技术问题，采用数学中极限的思路，那么就能够在工程中把这个抛物柱曲面用若干个小平面组成的折平面来代替，因为在实际工程中都是要求只要有效的把太阳光汇聚到某一个矩形区域即可而非一条直线，所以曲面用小折平面代替就有了理论依据；同时如果从另外角度考虑，也可以认为是把曲面等分成N个部分，当N足够大时曲面就成为若干个小平面组成，但是当N趋于无穷大时，本身就又是变成曲面。但是这个变换，从生产工艺上却把曲面镀银玻璃生产工艺简化为常规的平面镀银玻璃的生产工艺，使得生产成本下降几乎一个数量级，因为不但不需要专门的曲面玻璃镀银的生产设备，而且避免了平面玻璃加热弯曲以及应力处理等工序，为低成本工业化生产创造了条件。

另外，为了进一步降低系统成本，还可以通过改进设计方案在隧道顶部免安装反射镜而且能够达到同样的效果。即如果把汇聚后的平行太阳光不是平行于隧道顶部、而是与其以夹角β的方向从隧道上部射进隧道里，并且在隧道顶部洞壁一定区域直接喷涂具有很好反光性能的薄膜来实现平行太阳光的反射；这种改进方案既节省了反射玻璃组的使用、安装及维护费用，而且有效增加了太阳光在隧道传输的截面积和路面照明的均匀性，并且直接把反光涂料喷涂在隧道顶部的方法，既大幅度降低了材料和施工成本，也提高了自洁性能，方便了维护和管理。

附图说明

图1是本发明的整体结构示图；

图2是隧道进口过渡段拐弯情况下本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括安装在隧道口上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜2，所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱形反射折面安装架以及固定在该安装架上的若干个平面镜组成的聚光镜11，以及与聚光镜11具有同一个焦点并与抛物柱形反射折面安装架一体结构的抛物柱曲面调光镜13，太阳光经聚光镜11以汇聚方式大幅度提高太阳光强度(十倍左右)，再经过抛物柱曲面调光镜13调整光路后成为平行光，然后从抛物柱形反射折面安装架的出射槽12中输出到导光镜2，其中聚光器与高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置相连接(见发明专利：一种高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置，专利号：ZL200910254626.4)，聚光镜11的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽12的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度高度，其中导光镜2的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外其高度处于隧道上部弧形区域，导光镜2与自动跟踪装置相连接，导光镜2将汇聚后的平行太阳光输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，以防止行驶于道路上的大型货车的遮挡，由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgβ＝H/S，其中H为平行光的高度，S为隧道内输送的直线距离。所以导光镜2安装固定空间位置主要取决于聚光器和隧道入口处的高度。在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜2的平行太阳光均匀输导到隧道中各处路面上反射薄膜3。利用隧道顶部壁上喷涂的反射薄膜3把通过隧道顶部输送进来的平行太阳光直接以反射的方式均匀输导到隧道中各处路面上；从而实现太阳光高效率低成本的隧道进、出口处过渡区段太阳光直接增强型照明。

本发明还在隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑4。功能之一是有效降低了汽车进入隧道时的亮度，相对减小了对隧道进出口处增强照明的强度要求；而且再把本系统的设计安装与之进行一体化统一设计优化，在增加很小成本的情况下，既有效实现了过渡区亮度的缓冲功能，又方便了本装置系统中部件(聚光器)和2()导光镜的安装施工，而且由于系统照明距离最短使得太阳光直接照明效率得到明显提高的效果。

另外，对于地形复杂，导致隧道在进出口过渡段就不得不形成弯曲形状的情况，为了能够同样实现太阳光直接增强照明功能，必须有效延长增强照明的直线长度，即在隧道顶部侧面安装与导光镜2相配合的平面导光镜20实现平行太阳光的相应拐弯而传输更远的距离，但是此导光镜20不需要配置自动跟踪系统，具体参见图2所示的侧视图。

对于南北方向的隧道来说，处于南面(对于地球北半球)入口处过渡区的太阳光直接增强照明系统直接安装于隧道口延长的透明建筑物上面，其主要优点是：第一，最大限度减小了传输距离，有利于太阳光的输送效率的提高；第二，该透明建筑物已经有效的降低了入口处的亮度，减小了对增强照明组亮度的要求，第三，因为本装置直接采集太阳光进行隧道照明，所以本身就对具备自适应太阳光的特性。而对于北面出入口处的过渡区增强照明，依此不难推得，仅把导光镜的倾斜方向转动到垂直对称位置即可实现，具体过程不再叙述。

对于东西方向或者其它任意方向的隧道出入口处的过渡区增强照明，因为上面所述的从出射槽12得到的已经为汇聚后的平行太阳光，所以可以根据需要在此基础上再增加一个调整水平面上太阳光方向(角度)的平面反射镜即可。例如对于正东西方向的隧道，在此基础上直接再增加安装一个在水平方向改变光路方向90°的反光镜即可实现把平行太阳光导向隧道进出口的方向。

因为这种方法是在多年研究太阳能聚光应用、特别是隧道进出口处过渡区增强照明光源应用研究和应用的基础上反复研究基础上改进制作的，其聚光器成本大幅度降低，系统整体结构更加简单，太阳光输送过程损耗进一步减小，而且系统本身就具有自适应隧道外面太阳光强度的特性，所以作为隧道进出口过渡区的增强型照明光源是最佳选择；当然节能减排的社会效益更是明显，具有很大的实用价值。

Claims

1.一种能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：包括安装在隧道口的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜(2)，所述的聚光器包括面向太阳的抛物柱形反射折面安装架以及固定在该安装架上的若干个平面镜组成的折面型聚光镜(11)，以及与其具有同一个焦点并与抛物柱形反射折面安装架成为一体结构的抛物柱曲面调光镜(13)，平行太阳光经聚光镜(11)汇聚后再经过抛物柱曲面调光镜(13)调整光路后成为增强后的平行太阳光，然后从抛物柱形反射折面安装架的出射槽(12)中输出到导光镜(2)，其中导光镜(2)的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外，其安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器二者的高度；另外还有在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜(2)导入的平行太阳光均匀反射到隧道中各处路面上的反射薄膜(3)。

2.根据权利要求1所述的能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：所述的聚光器还与高精度跟踪系统相连接。

3.根据权利要求1所述的能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：所述的导光镜(2)与自动跟踪装置相连接，导光镜(2)将汇聚后的平行太阳光输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，但是由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgβ＝H/S，其中H为平行光的高度，S为隧道内输送的直线距离。

4.根据权利要求1所述的能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：所述的聚光镜(11)的开口长度L、宽度W分别取决于系统聚光比例即L/W1和隧道的宽度；出射槽(12)的宽度W1取决于隧道的高度或者顶部弧度高度。

5.根据权利要求1所述的能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑(4)，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜(2)安装在该亮度缓冲建筑(4)上。

6.根据权利要求1所述的能够直接利用太阳光进行隧道照明的装置，其特征在于：所述的若在隧道的入口段就存在拐弯的隧道，在隧道顶部侧面安装与导光镜(2)相配合的、而且不需要自动跟踪系统的平面导光镜(20)，实现平行太阳光的相应拐弯并传输更远的距离。