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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于混合光源的室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本系統(tǒng)的目的是用較低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)太陽(yáng)能室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)的，照明的光源主要來(lái)自太陽(yáng)追蹤器控制的鏡面收集的陽(yáng)光，在天氣不佳時(shí)采用傳感器偵測(cè)室內(nèi)照度，依據(jù)實(shí)際照度調(diào)整電光源（LED）功率，使總照度恒定。照明的室內(nèi)部分采用PMMA塑料光纖，將收集到的陽(yáng)光過(guò)濾后保留可見光導(dǎo)入光纖。光纖的鋪設(shè)同時(shí)兼顧對(duì)某些較偏位置的照明要求。隨著光纖質(zhì)量的提高和成本的降低，本系統(tǒng)是最有希望的未來(lái)照明方式。
詳細(xì)介紹：
照明的光源主要來(lái)自太陽(yáng)追蹤器控制的鏡面收集的陽(yáng)光，在天氣不佳時(shí)采用傳感器偵測(cè)室內(nèi)照度，依據(jù)實(shí)際照度調(diào)整電光源（LED）功率，使總照度恒定。照明的室內(nèi)部分采用PMMA塑料光纖，將收集到的陽(yáng)光過(guò)濾后只保留可見光導(dǎo)入光纖。光纖的鋪設(shè)可以根據(jù)最少材料最大照度的原則合理分布，同時(shí)兼顧對(duì)某些較偏位置的照明要求。隨著光纖質(zhì)量的提高和成本的降低，本系統(tǒng)是最有希望的未來(lái)照明方式。因?yàn)樗?jié)能，大部分使用陽(yáng)光，電光源也采用高光效LED；健康，濾除陽(yáng)光中的紫外線；舒適度高，光纖幾乎可以任意排布，均勻柔和；使用安全，維護(hù)簡(jiǎn)單，光電部件分離，降低電氣危險(xiǎn)。 整個(gè)照明系統(tǒng)的效果可以從4個(gè)方面來(lái)評(píng)估： （主要依據(jù)為中國(guó)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2004） 1. 照度 照度與傳遞到室內(nèi)的陽(yáng)光能量成正比。低緯度地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1400W/m2,而我們系統(tǒng)各個(gè)部件的傳遞效率為： 聚光鏡：85%（鍍鋁膜反射，反射率0.94）； 太陽(yáng)光束-光纖耦合：30-40%； 紅外-紫外濾光片：>60%； 光纖：衰減6%/m（采用250分貝/公里的衰減量，這是商用照明光纖的標(biāo)準(zhǔn)值）； 若光纖長(zhǎng)按10m算，聚光鏡的平行于太陽(yáng)光的投影面積按2m2計(jì)算，加上彎曲損耗掉10%，傳遞到燈頭處的功率有280W，可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)燈在距燈頭0.75m處（垂直于燈頭方向）產(chǎn)生900lx的照度, 20°偏斜于燈頭方向產(chǎn)生350lx照度。如果僅使用紫外濾光片，不濾除紅外線，通過(guò)加大光纖芯徑等方式提高光纖耐熱性，或換用玻璃光纖，則一只1.78m2的聚光鏡可以將420W以上的能量傳遞到室內(nèi)陰暗處，足夠驅(qū)動(dòng)10只以上的光纖燈頭。 （以上數(shù)據(jù)都是與各部分零件有關(guān)的科學(xué)測(cè)量結(jié)果或是文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，誤差較小。）可見我們的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)照度700lux，可以滿足絕大部分場(chǎng)合的需要。如果將一面聚光鏡驅(qū)動(dòng)的燈數(shù)減少一半，則可以使最高照度達(dá)1400lx，滿足所有場(chǎng)合需要。 除此，為了與不同的光源進(jìn)行比較，我們需要了解平均照度的估算，對(duì)于室內(nèi)的情況，一般采用以下公式： 平均照度 = (光源光通量)×(CU)×(MF)÷ 照射區(qū)域面積 其中，維護(hù)系數(shù)MF=(LLD)X(LDD)一般取0.7～0.8 利用系數(shù)CU，一般室內(nèi)取0.4 由此，我們計(jì)算了一些光源的平均照度（取一平方米做比較） ： （1） T8三基色熒光燈（即家中常用的日光燈管）：75~93流明/w，一般T8 三基色36W光源的光效最高，其光通量為3150lm，則代入公式計(jì)算得在1㎡內(nèi)的照度為882lx （2） T5熒光燈：96~104流明/w，一般T5 28W光源的光通量為：2900lm， 1㎡內(nèi)的照度為812lx （3） 節(jié)能燈： 50~65流明/w，一般18W的節(jié)能燈其光通量為：1100~1200lm，1㎡內(nèi)的照度為336lx （4） LED： 單個(gè)LED的發(fā)光效率只有10~35流明/w，而一般的LED臺(tái)燈采用30個(gè)左右的LED，單體LED的功率在0.5~1w，1㎡內(nèi)的照度為210lx 2. 輻射 因?yàn)樵谔?yáng)光收集過(guò)程中就已經(jīng)用濾光片濾除了紫外線，加上紫外波段處于塑料聚合物光纖的低通窗口，損耗率很高，所以室內(nèi)不會(huì)有紫外線被引入。 3. 色溫和均勻度 根據(jù)GB 50034-2004，色溫要在3000K到5000K范圍內(nèi)。均勻度要求Emin/Eave>0.8。我們的系統(tǒng)完全能滿足色溫的要求，因?yàn)檎珀?yáng)光的色溫為5400K，早上、下午陽(yáng)光色溫為4000K左右，平均在4500K。相比之下，蠟燭色溫在1930K，白熾燈的色溫在2760-2900K，熒光燈在3000K。色溫越高，色調(diào)越偏藍(lán)，反之偏紅。從這里可以看出，相比白熾燈，熒光燈偏紅的光，陽(yáng)光會(huì)給人以舒服的感覺。均勻度可以通過(guò)加反射式燈頭來(lái)改善。 4. 光效 白熾燈15流明/瓦，日光燈60，LED為120，一般跟太陽(yáng)光垂直的地面上的輻射通量為1400W/平方米（低緯度地區(qū)），同等條件下的照度為100000勒克斯，這樣的話陽(yáng)光光效為100流明/瓦?？梢婈?yáng)光直接照明在能量上節(jié)省很多，光效（跟人眼帶來(lái)的感覺）上也比較高。 綜上，光纖照明系統(tǒng)有著如下優(yōu)勢(shì)： 靈活：光纖可以在一定的轉(zhuǎn)彎弧度（25°—30°）以上靈活彎曲，方便地照到傳統(tǒng)點(diǎn)光源不易安置或光線不易照到的地方，如地面標(biāo)志、隧道、走廊、地下室、房頂，或者室內(nèi)靠墻靠角的位置。我們采用塑料光纖更是易于加工和布設(shè)，可以用在狹小空間內(nèi)靈活安排發(fā)光點(diǎn)。 安全：光電分離，光源可放在非專業(yè)人員難于觸及的位置，不易被破壞。光纖部分不會(huì)漏電或者出現(xiàn)電氣故障，無(wú)電磁干擾，發(fā)熱量低。 環(huán)境友好：在光源處通過(guò)濾光片濾除紅外、紫外光，且塑料光纖的低損耗窗口位于可見光區(qū)。 舒適：光纖可以按照照度要求選擇合適的密度均勻分布，光線柔和，使用電光源時(shí)可以調(diào)整色調(diào)、亮度，達(dá)到與人眼視覺的最佳匹配。 節(jié)能：在白天使用太陽(yáng)光作為光源，節(jié)省照明用電。我國(guó)照明用電量占全國(guó)總發(fā)電量的12%，2008年照明用電總量為4100億千瓦時(shí)，相當(dāng)于當(dāng)年英國(guó)全國(guó)用電量。用太陽(yáng)光在一定程度上代替電光源，將起到非常巨大的節(jié)能和減排效果。每節(jié)約1億千瓦時(shí)的用電量，可以減排10萬(wàn)噸二氧化碳，1000噸二氧化硫。世界資源研究所（WRI）對(duì)2005年各國(guó)碳排放的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的碳排放當(dāng)量（6種溫室氣體排放量的二氧化碳折合）為72.192億噸，排名世界第一，占全球總量的19.12%。也就是說(shuō)，中國(guó)照明用電導(dǎo)致的排放占全國(guó)總碳排放的5.6%。由于建筑中不是所有位置都能收到太陽(yáng)光，許多位置還是用電燈照明，比如大樓內(nèi)部的房間，走廊，地下室等。如果能將白天的電照明用太陽(yáng)光代替，無(wú)疑能很好地起到節(jié)能減排的效果。

作品圖片

  • 基于混合光源的室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)
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  • 基于混合光源的室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

人工照明的能源和方式伴隨著科技發(fā)展一同前進(jìn)。在日益注重低碳減排、環(huán)境友好的今天，以陽(yáng)光為能源、光纖為傳導(dǎo)方式的新型照明系統(tǒng)是最符合今日觀念的最佳選擇。設(shè)計(jì)制造本系統(tǒng)的目的是用較低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)太陽(yáng)能室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)，并實(shí)測(cè)該系統(tǒng)在節(jié)能、減少輻射和提高照明舒適度方面的表現(xiàn)。照明的光源主要來(lái)自太陽(yáng)追蹤器控制的鏡面收集的陽(yáng)光，在天氣不佳時(shí)采用傳感器偵測(cè)室內(nèi)照度，依據(jù)實(shí)際照度調(diào)整電光源（LED）功率，使總照度恒定。照明的室內(nèi)部分采用PMMA塑料光纖，將收集到的陽(yáng)光過(guò)濾紫外線后導(dǎo)入光纖。光纖的敷設(shè)根據(jù)最少材料最大照度的原則合理分布，同時(shí)兼顧對(duì)某些較偏位置的照明要求。隨著光纖質(zhì)量的提高和成本的降低，本系統(tǒng)是最有希望的未來(lái)照明方式。因?yàn)樗?jié)能，大部分使用陽(yáng)光，電光源也采用高光效LED；健康，濾除陽(yáng)光中的紫外線；舒適度高，光纖幾乎可以任意排布，均勻柔和；使用安全，維護(hù)簡(jiǎn)單，光電部件分離，降低電氣危險(xiǎn)。

科學(xué)性、先進(jìn)性

基于混合光源的太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)能夠滿足建筑物室內(nèi)照明的要求，就在于它設(shè)計(jì)的科學(xué)性保證了系統(tǒng)的照明效果，而且在節(jié)能環(huán)保、環(huán)境友好等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 單從照明系統(tǒng)最關(guān)心的照度問(wèn)題來(lái)講： 照度與傳遞到室內(nèi)的陽(yáng)光能量成正比。低緯度地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1200W/m2,而我們系統(tǒng)各個(gè)部件的傳遞效率為： 聚光鏡：85%（鍍鋁膜反射，反射率0.94）； 太陽(yáng)光束-光纖耦合：30-40%； 紅外-紫外濾光片：>60%； 光纖：衰減6%/m（采用250分貝/公里的衰減量，這是商用照明光纖的標(biāo)準(zhǔn)值）； 若光纖長(zhǎng)按10m算，聚光鏡的平行于太陽(yáng)光的投影面積按2m2計(jì)算，加上彎曲損耗掉10%，傳遞到燈頭處的功率有280W，可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)燈在距燈頭0.75m處（垂直于燈頭方向）產(chǎn)生900lx的照度, 20°偏斜于燈頭方向產(chǎn)生350lx照度。一只1.78m2的聚光鏡可以將420W以上的能量傳遞到室內(nèi)陰暗處，足夠驅(qū)動(dòng)10只以上的光纖燈頭。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

浙江大學(xué)第十二屆挑戰(zhàn)杯復(fù)賽一等獎(jiǎng) 浙江大學(xué)第十二屆挑戰(zhàn)杯初賽優(yōu)秀作品 浙江大學(xué)第十三期校內(nèi)科研訓(xùn)練SRTP中檢評(píng)審優(yōu)秀

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

模型 視頻 圖片 錄像 現(xiàn)場(chǎng)展示

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著低價(jià)質(zhì)優(yōu)的聚合物光纖的發(fā)明和高效光源的開發(fā)，光纖照明的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，開始用于博物館、購(gòu)物中心、手術(shù)室、汽車儀表和燈具、燈箱、建筑裝飾、街道標(biāo)志等的照明。 我們的室內(nèi)光纖照明系統(tǒng)，可以用在辦公樓，學(xué)校，醫(yī)院等照明要求高，能耗大，同時(shí)又注重環(huán)境保護(hù)和人體健康的場(chǎng)合。同樣對(duì)于陽(yáng)光充足的地區(qū)有安裝條件的樓房也很合適。即使由于工程技術(shù)原因的限制無(wú)法用在真正的建筑物室內(nèi)照明，也在性價(jià)比、工程難度、與建筑的匹配性上研究了光纖照明的前景。我們不可能完全模擬真實(shí)建筑和實(shí)際的施工條件，所以我們所做的與日后商業(yè)上可行的應(yīng)用肯定有差距。但重要的是我們進(jìn)行了創(chuàng)新，不是重復(fù)設(shè)計(jì)一套光纖照明的系統(tǒng)，而是將太陽(yáng)能與現(xiàn)有的光纖照明結(jié)合起來(lái)，而這類產(chǎn)品市場(chǎng)上還是幾乎沒(méi)有的。我們研制過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)能夠?yàn)橄胍獓L試的企業(yè)提供借鑒。

同類課題研究水平概述

1.“燕山大學(xué)”高偉霞等教師在《應(yīng)用光學(xué)》上發(fā)表過(guò)論文《光纖太陽(yáng)光照明系統(tǒng)中聚光裝置的設(shè)計(jì)》，提出過(guò)相關(guān)的想法，但他們僅提出了系統(tǒng)中一個(gè)部分——“聚光灶”的設(shè)計(jì)思路并且并未付諸實(shí)踐。 2.最近國(guó)內(nèi)外提出了一個(gè)新的概念“地鐵陽(yáng)光工程（The Subway Light Project）”即利用光纖將太陽(yáng)光源引入地鐵中或地下商場(chǎng)進(jìn)行照明從而大大減少能源消耗。 3.近期美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“Hybrid solar lighting”，利用GPS定位追蹤太陽(yáng)，將太陽(yáng)光通過(guò)透鏡耦合到光纖內(nèi)進(jìn)行照明。
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