CN113203073A - 公路隧道加强照明的阳光输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了公路隧道加强照明的阳光输送系统，能够高效利用太阳光对隧道进、出口内规定距离进行加强照明，并且可以避免阳光刺激驾驶员眼睛影响行车安全的不良因素，包括在隧道口外侧固定设置的支架，支架设置有多个角度可调的镜面反射镜，镜面反射镜朝向太阳光入射方向定向反射至隧道内，隧道口的顶部由外向内依次间隔且安装高度依次递减的多个漫反射镜，漫反射镜的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，且当漫反射镜安装于隧道入口时，准平面与竖直线的夹角β1＞设定角度；当漫反射镜安装于隧道出口时，准平面与竖直线的夹角β2＜设定角度，漫反射镜将镜面反射镜定向反射的太阳光漫反射至隧道内的路面进行加强照明，提高工作效率。

Description

公路隧道加强照明的阳光输送系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及公路隧道加强照明的阳光输送系统。

背景技术

高速公路为标志的交通运输业的发展迅猛成为国家经济发展的特征之一，但是公路隧道运营管理费用特别是隧道照明电费已成为一笔巨额开支，安全与节能的矛盾也变得日益突出。对驾驶员来说，汽车速度一定情况下在隧道的进、出口段光亮度梯度太大将导致视觉不能尽快调节过来而产生“黑洞”和“白洞”效应，进而使得交通事故的几率上升。为了保证安全前提下实现节能，国家规定隧道照明由基本照明和增强(加强)照明两个系统组成，其中分布于整个隧道的基本照明系统一直处于日夜不停的照明状态，而安装于隧道进出口区段的加强照明则通过自动控制的方法，使其根据隧道外太阳光强弱程度而自动控制打开照明灯的个数，只要使其亮度梯度满足技术要求即可；例如夏天中午太阳光最强时所有的加强照明灯组全部打开工作；冬天或者阴雨天只打开部分；而在晚间全部关闭。从而达到满足技术要求条件下有效节能的目标。

目前，隧道加强照明中大多利用常规电力，以高压钠灯、LED灯等作为照明光源，但实际工程中由于闭环式自动控制中的太阳光传感器所处工作环境恶劣，例如：过多灰尘附在表面时则等效于阴雨天甚至晚上时分等和位置偏僻维修不便等因素导致系统故障率高的实际问题，迫使人们放弃自动控制功能以保证系统工作可靠性，通常加强照明系统都是按照夏天最强太阳光设计配备的恒定照明系统，并且与基本照明系统工作状态一样，从而在高可靠性保障满足要求的同时却造成电能源的巨大浪费。相关技术中基于光纤传输的阳光输送机将太阳光用于隧道进、出口50米长度范围的加强照明工程中后发现，该系统仍然存在着系统成本高，其中光纤占总系统成本70％，且远距离传输时光能损耗高达80％的技术瓶颈，直接影响到新技术的推广应用。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了免光纤式的公路隧道加强照明的阳光输送系统，能够通过空气介质直接反射方式高效传输太阳光对隧道进、出口内规定距离进行加强照明，降低隧道进出口的亮度梯度，并且可以避免阳光刺激驾驶员眼睛影响行车安全的不良因素；同时隧道外镜面反射镜面的安装朝向太阳光入射方向，提高太阳光利用效率。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括在隧道口外侧固定设置的支架，所述支架的高度与隧道的高度相适配，所述支架的顶部设置有多个角度可调的镜面反射镜，所述镜面反射镜朝向太阳光入射方向，能够将太阳光通过隧道的顶部空间沿平行于隧道中心线的方向定向反射至隧道内，隧道口的顶部由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜，且多个所述漫反射镜的安装高度由外向内依次递减，所述漫反射镜的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，且当所述漫反射镜安装于隧道入口时，准平面与竖直线的夹角β1＞设定角度；当所述漫反射镜安装于隧道出口时，准平面与竖直线的夹角β2＜设定角度，所述漫反射镜能够接收所述镜面反射镜定向反射的太阳光并漫反射至隧道内的路面进行加强照明。

进一步地，当所述漫反射镜安装于隧道入口顶部时，所述漫反射镜的准平面与竖直线的安装夹角β1＞45°；当所述漫反射镜安装于隧道出口顶部时，所述漫反射镜的准平面与竖直线的安装夹角β2＜45°。

进一步地，所述漫反射镜呈多列布置于隧道口的顶部，每列包括安装高度由外向内依次递减的多个所述漫反射镜，且多列所述漫反射镜沿隧道的顶部拱形间隔设置，且所有所述漫反射镜接受平行太阳光线的有效面积布满平行太阳光线通过的隧道的顶部拱形空间的截面积。

进一步地，还包括控制器和在隧道口内侧顶部设置的光线方向传感器，所述光线方向传感器通信连接至所述控制器，所述光线方向传感器位于所述镜面反射镜反射太阳光线的路径上，且所述光线方向传感器的光轴平行于隧道中心线。

进一步地，所述支架上还设置有驱动装置，多个所述镜面反射镜均传动连接至所述驱动装置，所述驱动装置被配置为能够同时驱动多个所述镜面反射镜沿水平轴和竖直轴转动，以同时调整多个所述镜面反射镜的角度，所述驱动装置通信连接至所述控制器。

进一步地，所述控制器还设置有GPS时间器，所述GPS时间器能够实时获取GPS位置对应的GPS时间并发送给所述控制器，所述控制器根据GPS时间对应的太阳方位控制所述驱动装置启动实时调整镜面反射镜的角度。

进一步地，所述支撑架还设置有风速传感器，所述风速传感器通信连接至所述控制器。

进一步地，所述漫反射镜和/或所述镜面反射镜包括钢化玻璃，所述漫反射镜的钢化玻璃的外表面还设置有压花处理的漫反射图形构成的准平面。

进一步地，所述钢化玻璃的外表面设置有防尘膜，所述钢化玻璃的背面粘有TPT板，所述钢化玻璃的四周固定设置铝合金框架。

进一步地，所述支架的顶部两侧均固定设置有多个所述漫反射镜，所述支架两侧的所述漫反射镜的准平面法线倾斜于内下方，能够将太阳光在部分时间内漫反射至隧道内部对面的隧道墙壁上。

进一步地，所述镜面反射镜在北半球时优选设置在隧道北进、出口外；所述镜面反射镜在南半球时优选设置在隧道南进、出口外。

与现有技术相比，本发明在隧道口外侧固定设置支架，在支架上设置多个镜面反射镜，且多个镜面反射镜的角度可随太阳方位进行调节，在隧道口的顶部拱形空间由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜，且多个漫反射镜的安装高度由外向内依次递减，从而利用镜面反射镜定向反射太阳光至漫反射镜，各个漫反射镜均可以接收到镜面反射镜定向反射的平行太阳光，再漫反射至隧道内及路面，达到加强照明效果，能够高效利用太阳光对隧道进、出口内规定距离进行加强照明，降低隧道进出口的亮度梯度。另外，漫反射镜的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，且当漫反射镜安装于隧道入口时，准平面与竖直线的夹角β1＞设定角度；当漫反射镜安装于隧道出口时，准平面与竖直线的夹角β2＜设定角度，可以避免阳光直射驾驶人眼镜，避免阳光刺激驾驶员眼睛影响行车安全的不良因素，提高驾驶安全性，节能环保，降低成本。而且镜面反射镜的安装方向朝向太阳光入射方向，提高太阳光的利用效率，如在北半球时，根据工程现场优选镜面反射镜安装在隧道朝北的进出口外或者相近处；在南半球时，镜面反射镜优选设置在隧道南进出口外，将有着更高的太阳光利用效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是本发明的漫反射镜在隧道入口的安装示意图；图2b是本发明的漫反射镜在隧道出口的安装示意图；

图3a是本发明的镜面反射镜设置在隧道北进、出口时的定向反射光路图；图3b是本发明的镜面反射镜设置在隧道南进、出口时的定向反射光路图；

其中，1是支架、2是镜面反射镜、3是漫反射镜、4是光线方向传感器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例提供了公路隧道加强照明的阳光输送系统，参见图1至图3b，包括在隧道口外侧固定设置的支架1，支架1的高度与隧道的高度相适配，支架1的顶部设置有多个角度可调的镜面反射镜2，镜面反射镜2朝向太阳光入射方向，能够将太阳光通过隧道的顶部空间沿平行于隧道中心线的方向定向反射至隧道内，隧道口的顶部由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜3，且多个漫反射镜3的安装高度由外向内依次递减，漫反射镜3的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，且当漫反射镜3安装于隧道入口时，准平面与竖直线的夹角β1＞设定角度；当漫反射镜3安装于隧道出口时，准平面与竖直线的夹角β2＜设定角度，漫反射镜3能够接收镜面反射镜2定向反射的太阳光并漫反射至隧道内的路面进行加强照明。

优选地，当漫反射镜13安装于隧道入口顶部时，漫反射镜13的准平面与竖直线的安装夹角β1＞45°；当漫反射镜13安装于隧道出口顶部时，漫反射镜13的准平面与竖直线的安装夹角β2＜45°。

隧道内太阳光漫反射后对于车辆行驶安全具有重要影响，下面分别从系统安装于不同隧道进出口的不同朝向中，隧道外安装的镜面反射镜2的安装特点和分别于进、出口时安装于隧道内顶部的漫反射镜3安装角度安装特点分别予以说明，进而根据计算结果优化其方向设置。

参见图3a和图3b，隧道中心线出口方向与太阳光线夹角α＞π/2(北半球朝向南)和α＜π/2(北半球朝向南)二种情况下对于安装在隧道口外的镜面反射镜2的利用效率影响予以分析讨论，而在南半球则正好相反。在地处北半球时，所以图3a和图3b中左右分别为镜面反射镜2安装于隧道北进出口朝向太阳光和安装于南进出口时背向太阳光时的定向反射光路图，对于镜面反射镜2来说，如果隧道中路面是水平的，则反射太阳光线任何时候都是与隧道中心线平行的水平线，若当太阳光线与地球表面(水平面)的夹角为α时，同样面积反射镜S反射太阳光的有效利用面积分别为：

(1)对于北出口:S1＝S*cos(α/2)；

(2)对于南出口：S2＝S*cos(90-α/2)＝S*sin(α/2)；

但是，由于0≤α≤90，所以α/2必然小于45度，即相同太阳光照射角度情况下，余弦函数值大于正弦函数值。所以上面计算式中，安装于北进出口朝向太阳光的镜面反射镜2的利用效率高于南出口背向太阳光的利用效率，例如当太阳高度角为60度时，1平米镜面反射镜2在北出口最多可以反射S1＝1*cos30＝0.866平米的太阳光；但是如果安装在南出口，则仅最多反射S2＝1*sin30＝0.5平米的太阳光。可见其前者利用率是后者的1.5倍。所以对于隧道口外安装的镜面反射镜2，安装选择在隧道北出口更利于太阳光反射效率的提高。而在南半球时，镜面反射镜2的安装方向与北半球时相反，即在南半球时优选设置在隧道南进、出口外，具有更高的太阳光利用效率。

隧道进、出口不同时安装于顶部的漫反射镜3方向对于漫反射太阳光线统计方向的影响因素进行分析，漫反射镜3的漫反射的方向基本上是垂直向下照射的，但是由于其漫反射特点，一部分散射太阳光线会直接照射到驾驶员眼睛仍然会造成刺激的不良效果，特别是隧道出口处更为明显。而该系统实际使用过程中理想的漫反射太阳光的基本方向最好是与车辆行驶方向一致，则能够完全避免漫反射光线对于驾驶员眼睛的直接照射及刺激问题。对漫反射镜3光路仔细分析，其中均匀分布于隧道内路面上的漫反射本身从理论上严格来说已经无光路方向可言，但是工程实际中仍然存在一个基本照射方向，按照本身特点称其为“漫反射统计方向”。因为虽然是漫反射形式，但是免光纤式阳光输送机工作过程中其统计方向垂直向下均匀照射期间，仍然存在着部分散射太阳光刺激驾驶员眼睛的现象而影响车辆安全行驶，而这种现象在车辆驶出口段影响更为突出。

因此参见图2a和2b，本实施例通过调整漫反射镜3安装角度的方式，实现隧道进、出口的漫反射统计方向与车辆行驶方向基本一致，从而彻底解决刺激驾驶员眼睛的问题，实现太阳光直接加强照明功能的同时，又保证其行车安全。

通常分为公路隧道进、出口段二种情况说明如下：

1)对于隧道入口段，安装于隧道顶部的漫反射镜3的准平面与竖直线之间夹角β1＞π/4，如图2a所示。例如β1＝50度，此时默认定向反射光线为水平线，那么漫反射统计方向以与竖直线呈10度的夹角照射路面，基本上满足了与车行驶方向相同；当然如果选择β1＝55度时漫反射统计方向与竖直线呈20度夹角，效果更好，但是又会导致漫反射镜3有效利用率降低。因此，优选β1＝50度。

2)对于隧道出口段，安装于隧道顶部的漫反射镜3的准平面与垂直线之间夹角β2＜π/4，如图2b所示。例如β2＝40度，此时也默认定向反射光线为水平线，那么漫反射统计方向以与垂直线10度的夹角照射路面，基本上满足了与车行驶方向相同；当然如果选择β2＝35度时效果更好，但是同样会导致漫反射镜3有效利用率降低。因此，优选β2＝40度。

本实施例通过设置隧道内顶部漫反射镜3的准平面固定方向与竖直线的夹角，分别满足了公路隧道进出口路段漫反射太阳光统计方向与车辆行驶基本方向一致的技术要求，有效消除了由此引起刺激驾驶员眼睛影响行车安全的不良因素，取得了很好的使用效果实用价值；当然如果条件允许情况下再选择隧道北进出口处安装则使得系统效率进一步提高。

具体地，本实施例的漫反射镜3呈多列布置于隧道口的顶部，每列包括安装高度由外向内依次递减的多个漫反射镜3，且多列漫反射镜3沿隧道的顶部拱形间隔设置，且所有漫反射镜3接受平行太阳光线的有效面积布满平行太阳光线通过的隧道的顶部拱形空间的截面积。

具体地，本实施例还包括控制器和在隧道口内侧顶部设置的光线方向传感器4，光线方向传感器4通信连接至控制器，光线方向传感器4位于镜面反射镜2反射太阳光线的路径上，且光线方向传感器4的光轴平行于隧道中心线。支架1上还设置有驱动装置，多个镜面反射镜2均传动连接至驱动装置，驱动装置被配置为能够同时驱动多个镜面反射镜2沿水平轴和水平轴转动，以同时调整多个镜面反射镜2的角度，驱动装置通信连接至控制器。

具体地，控制器还设置有GPS时间器，GPS时间器能够实时获取GPS位置对应的GPS时间并发送给控制器，控制器根据GPS时间对应的太阳方位控制驱动装置启动实时调整镜面反射镜2的角度，并且同时光线方向传感器11检测定向镜面反射镜5反射的太阳光线方向信息并反馈给控制器，控制器根据反馈的太阳光线方向信息控制驱动装置对镜面反射镜2的角度进行实时修正。利用GPS提供的准确时间与天文坐标系，通过开环控制实现镜面反射镜2的连续不间断的在一天24小时内自动跟踪太阳光源，有效解决使用过程中客观存在的“脱靶”现象；再通过镜面反射镜2、光线方向传感器4以及软硬件组成的闭环控制系统所享有的优先权，在太阳光照射期间实现镜面反射镜2定向反射目标。

优选地，支撑架1还设置有风速传感器，风速传感器通信连接至控制器，实时监测风速，保证大方风状态下系统安全。

优选地，漫反射镜3和/或镜面反射镜2包括钢化玻璃，漫反射镜3的钢化玻璃的外表面还设置有压花处理的漫反射图形构成的准平面，钢化玻璃的外表面设置有防尘膜，背面粘有TPT板，四周被铝合金框架固定。采用钢化玻璃目的是提高使用安全性，并且利用防尘膜减少落灰，避免落灰影响漫反射镜3和/或镜面反射镜2的光学反射性能。

优选地，支架1的顶部两侧均固定设置有多个漫反射镜3，支架1两侧的漫反射镜3的准平面法线倾斜于内下方，能够将太阳光在部分时间内漫反射至隧道内部对面的隧道墙壁上。固定设置的漫反射镜3不自动跟踪太阳光，仅能够在太阳光照射的一部分时间内，例如早上或下午把其向内、向下漫反射或复合反射进入隧道内部甚至对面的隧道墙壁上，以进一步增加直接反射进入隧道内的太阳光通量。

本发明实施例能够高效利用太阳光对隧道进、出口内规定距离进行加强照明，降低隧道进出口的亮度梯度，并且漫反射镜3的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，避免漫反射后的太阳光线刺激驾驶员眼睛影响行车安全的不良因素，提高驾驶安全性，节能环保，降低成本，并通过选择隧道北进出口或者相近方向安装能够有效提高系统工作效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，包括在隧道口外侧固定设置的支架(1)，所述支架(1)的高度与隧道的高度相适配，所述支架(1)的顶部设置有多个角度可调的镜面反射镜(2)，所述镜面反射镜(2)朝向太阳光入射方向，能够将太阳光通过隧道的顶部空间沿平行于隧道中心线的方向定向反射至隧道内，隧道口的顶部由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜(3)，且多个所述漫反射镜(3)的安装高度由外向内依次递减，所述漫反射镜(3)的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，且当所述漫反射镜(3)安装于隧道入口时，准平面与竖直线的夹角β1＞设定角度；当所述漫反射镜(3)安装于隧道出口时，准平面与竖直线的夹角β2＜设定角度，所述漫反射镜(3)能够接收所述镜面反射镜(2)定向反射的太阳光并漫反射至隧道内的路面进行加强照明。

2.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，当所述漫反射镜(3)安装于隧道入口顶部时，所述漫反射镜(3)的准平面与竖直线的安装夹角β1＞45°；当所述漫反射镜(3)安装于隧道出口顶部时，所述漫反射镜(3)的准平面与竖直线的安装夹角β2＜45°。

3.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述漫反射镜(3)呈多列布置于隧道口的顶部，每列包括安装高度由外向内依次递减的多个所述漫反射镜(3)，且多列所述漫反射镜(3)沿隧道的顶部拱形间隔设置，且所有所述漫反射镜(3)接受平行太阳光线的有效面积布满平行太阳光线通过的隧道的顶部拱形空间的截面积。

4.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，还包括控制器和在隧道口内侧顶部设置的光线方向传感器(4)，所述光线方向传感器(4)通信连接至所述控制器，所述光线方向传感器(4)位于所述镜面反射镜(2)反射太阳光线的路径上，且所述光线方向传感器(4)的光轴平行于隧道中心线。

5.根据权利要求4所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述支架(1)上还设置有驱动装置，多个所述镜面反射镜(2)均传动连接至所述驱动装置，所述驱动装置被配置为能够同时驱动多个所述镜面反射镜(2)沿水平轴和竖直轴转动，以同时调整多个所述镜面反射镜(2)的空间角度，所述驱动装置通信连接至所述控制器。

6.根据权利要求5所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述控制器还设置有GPS时间器，所述GPS时间器能够实时获取GPS位置对应的GPS时间并发送给所述控制器，所述控制器根据GPS时间对应的太阳方位控制所述驱动装置启动实时调整镜面反射镜(2)的角度。

7.根据权利要求4所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述支撑架(1)还设置有风速传感器，所述风速传感器通信连接至所述控制器。

8.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述漫反射镜(3)和/或所述镜面反射镜(2)包括钢化玻璃，所述漫反射镜(3)的钢化玻璃的外表面还设置有压花处理的漫反射图形构成的准平面；所述钢化玻璃的外表面设置有防尘膜，所述钢化玻璃的背面粘有TPT板，所述钢化玻璃的四周固定设置铝合金框架。

9.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述镜面反射镜(2)在北半球时优选设置在隧道北进出口外；所述镜面反射镜(2)在南半球时优选设置在隧道南进出口外。

10.根据权利要求1所述的公路隧道加强照明的阳光输送系统，其特征在于，所述支架(1)的顶部两侧均固定设置有多个所述漫反射镜(3)，所述支架(1)两侧的所述漫反射镜(3)的准平面法线倾斜于内下方，能够将太阳光在部分时间内漫反射至隧道内部对面的隧道墙壁上。

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