光导照明系统
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2023年2月18日发(作者：回信精神)光纤传导太阳光照明系统
朱维军;严伟;赵霞;刘礼华;徐红
【摘要】光纤传导太阳光照明系统主要由集光器、传导装置和放射装置三部分构
成.在阳光充足的时候,阳光经集光器收集,利用光纤对光的柔性传输等独特的物理特
性,将自然光引导到目标区域,由终端的放射装置发出均匀柔和的散射光,实现阳光的
直接利用;这种技术既能实现太阳光的直接利用,同时也利用了光纤的传光特性实现
光与电的分离,既节约能源、减少污染又可排除一些安全隐患,具有巨大的市场潜力.
【期刊名称】《太阳能》
【年(卷),期】2012(000)009
【总页数】4页(P39-42)
【关键词】光纤传导;太阳能;照明;导光光纤
【作者】朱维军;严伟;赵霞;刘礼华;徐红
【作者单位】江苏法尔胜泓昇集团有限公司;江苏法尔胜泓昇集团有限公司;江苏法
尔胜泓昇集团有限公司;江苏法尔胜泓昇集团有限公司;江苏法尔胜泓昇集团有限公
司
【正文语种】中文
一引言
建筑物如何充分利用太阳光节约照明用电，是国际建筑和照明界的一个重要课题。
光纤传导太阳光照明的方法和设想最初由建筑界提出。虽然人们对太阳能的利用越
来越广泛，但是目前对太阳能的利用主要集中在将太阳能转化为电能和热能上，而
光纤照明正是将太阳光直接加以利用的技术。自20世纪30年代就被人们所认识
和接受的光纤照明技术由于材料成本以及光衰减率太高等原因一直无法实现大批量
的产业化和商品化，但是在20世纪60年代美国的杜邦公司初次采用聚甲基丙烯
酸甲酯(PMMA)为芯材制备出塑料光纤在20世纪70年代末日本三菱丽阳公司以
高纯MMA单体聚合PMMA使光纤损耗下降到200dB/km[1]。虽然这仍未实现
光纤照明的大批量产业化和商品化，但却将光纤装饰照明真正推向了实用阶段。目
前太阳能光纤照明已形成多种产品并陆续投放市场。
目前人们能够实现的直接利用太阳光的技术大致有：导光纤维法、平面反射法、导
光管法等[1]。本文着重介绍导光纤维法实现技术，即由太阳光集光器收集并通过
导光光纤传导的光纤照明法。
光纤照明是近年兴起的高科技照明技术，通过光纤导体的传输，可以将光源传导到
任意区域里，而这也是光纤最特殊的地方。光纤照明技术近年来飞速发展，已被越
来越多的人们所关注，其应用实例不胜枚举，广泛地应用于工业、医药等不同场合，
国内外也有了各种类型的配套产品，有着不可估量的市场前景。
二光纤传导太阳光照明系统简介
光纤传导太阳光照明系统是由集光器、传导装置和放射装置三部分构成，如图1
所示。
图1系统构成示意图
室外的自然光通过集光器导入到照明系统中进行重新分配，经过传导装置(光纤)传
输和强化后由系统底部的放射装置(室内末端投射装置)把自然光均匀高效地照射到
室内，带来自然光照明的特殊效果。
1集光器
系统最主要的部分就是收集太阳光的装置——集光器。图2所示的集光器是由日
本莱福瑞公司生产的12镜太阳光集光器，外观形似向日葵，故也俗称向日葵系统。
能够实现对太阳光的追踪采集，紫外线及有害射线的过滤，阳光的聚焦耦合等功能。
图2集光器结构示意图
亚加力球罩：能够对内部聚光组件进行良好的保护，同时特殊的球型构造能够实现
自清洁功能，不落积雪不聚雨水；高透光性能够更大限度地实现对阳光的采集；同
时特殊的材质也能对阳光中的紫外线进行一级过滤。
筒座：对整个集光系统进行水平固定，使系统在一个稳定的环境下工作。筒座内部
放置有全球定位系统和微机控制程序，在系统工作前，输入安装位置的经纬度，就
能实时自动跟踪太阳的方位，控制电机仰俯角度和水平位移，进行阳光的初步定位。
传感器：聚焦镜中部安装有光感元件，在配合全球定位系统(简称GPS)初步定位后，
能够对阳光进行精确的定位追踪，使集光器能够实时采集到最强烈的直射阳光，提
高采集效率和最终的光照强度。
机械装置：控制聚光组件的二维联动，由程序对GPS和光感元件传回的数据进行
处理后，对机械装置进行精确的控制，调整聚光组件的仰俯角度和水平转动，使聚
光组件采集到最强烈的直射阳光，最大限度提高阳光的采集效率。
聚光组件：整个集光器最核心的部分，也是最精密的部分，存在许多技术难点。图
2所示为12镜集光器，有12片聚焦镜，每片聚焦镜后都有一根导光光纤进行光
的收集。聚光组件的功能是对阳光进行聚焦，将聚焦阳光耦合进光纤进行传输，同
时实现紫外线的二级过滤，见图3。
图3光纤端面定位阳光采集示意图
通过控制耦合端面与透镜焦点的位置，实现对紫外线的过滤，同时还要考虑怎样能
够把最多的阳光耦合进光纤中进行传导，保证传输损耗较低，这是一个很大的技术
难点。聚光镜有用反射镜、凸透镜、菲涅耳透镜聚光等方式。其中菲涅耳透镜具有
较好的光学特性，焦斑较小，对太阳跟踪精度要求精度低，加工方便、质轻、大尺
寸、成本低的特点。系统中通常采用菲涅耳透镜，光通过率达90%以上，光线会
聚率为75%～85%，厚度误差在±0.05mm，平面度误差在直径为50mm的范围
内，误差小于0.1mm[2]。
电源线及插头：系统采用220V照明用电对微机和控制系统进行供电，功率≤2W，
耗电量非常小。另外，也可以改为太阳电池板进行供电，这样成本会稍微上升，但
同时也更方便、更节能。
2传导装置
所用的传导装置就是导光光纤。光纤本身的导体主要是由玻璃材料(SiO2)抽丝制成，
它的传输是利用光经由高折射率的介质，以高于临界角的角度进入低折射率介质会
产生全反射的原理，让光在这个介质里能够维持光波形的特性进行传输。其中高折
射率的核心部分，就是光传输的主要通道。而低折射率的外壳，则包覆住整个核心。
由于核心的折射率比外壳高出很多，所以会产生全反射，光也因此可以在核心里来
传输。保护层的目的，主要是为了保护外壳与核心不易损坏，同时也可增加光纤的
强度[3]。
导光光纤主要应用于传导太阳光用于照明，要求对太阳光谱有极高的传输透过率，
因此其在太阳光谱，特别是在可见光谱的损耗要极低。为了获得足够多的阳光传输，
芯径尺寸要大，同时要考虑光纤的弯曲性。芯径尺寸和弯曲性要折中考虑。光纤中
传输的是高度浓缩的太阳光，因此要求包层能承受高功率密度辐射。另外还要求导
光光纤耐高低温、抗冲击、抗拉伸等一系列苛刻要求，同时还要考虑成本。导光光
纤和导光缆的参数要求如表1。
光纤的构造可以简略分为核心、外壳与保护层三个部分(图4)。
图4导光光纤结构示意图
3放射装置
系统最后一个部分为放射装置，作用是固定导光光纤纤尾，形成多样的发光形式。
实质上，它就是一个灯具(图5)，只不过灯具不用供电，通过光纤来供光，能均匀
向周围投射弥散的自然光，出光柔和。灯具易于安装、更换。同时有各种外型美观、
应用于不同地方、多种出光颜色可选、能满足个性化需要的灯具。
三系统的优点及应用场合
表1导光光纤和导光光缆的参数要求光纤参数要求高透过率光谱范围320～
1800nm衰减(可见光区)8dB/km数值孔径(NA)0.35＜NA＜0.87芯直径
1000±20µm聚合物直径1100±30µm外包层直径1400±50µm工作温度
−65～125℃短期弯曲半径≥75mm长期弯曲半径≥120mm光缆参数要求芯数
6～12缆径7.5±0.5mm强度(长/短期)＞200N/500N抗压(长/短期)＞
100N/200N工作温度−40～70℃光缆质量64kg/km防水、酸碱材料－防
生物啃咬材料－防火材料－
图5照明灯具
光纤传导太阳光照明系统，可应用于煤矿开采、地下空间、国防军事、学校、医院、
疗养中心、监狱、商场超市、酒店、工业厂房、展览馆、港口、机场、火车站、文
物古迹、阴面房屋等场合，用于日间照明，是一种节能、环保可使阴暗区域获得健
康舒适太阳光的照明系统。另外，它可实现光电分离，甚至不需消耗常规电力，可
应用于煤矿、武器弹药库等易燃易爆场所，排除隐患，所以它又是能保障生命财产
安全的照明系统。因此光纤传导太阳光照明系统的研发具有显著的经济效益和社会
效益，市场广阔[4]。
众所周知节能、环保和安全是世界性的问题。如今，用于照明领域的耗能非常惊人，
主要是商业和工业用电，煤矿开采、办公室、商场、地铁等场所的照明及装饰都在
消耗大量能源。目前，我国照明耗电量占总发电量的15%左右，据统计白天照明
占照明用电的50%以上，主要是商业和工业用电，如能开发自然光照明系统(如光
纤传导太阳光照明系统)可以节约白天用电量的50%以上，即以每年节省用电820
亿kWh，0.8元/kWh来计算，每年可节省电费约656亿元。目前我国的电能主
要由燃烧化石燃料生产，在获得电能的同时向大气排放了大量二氧化碳、二氧化硫、
氮氧化物等有害气体，这些气体是造成全球各种环境问题的重要原因。如果用天然
光代替人工光源照明，还可以大大减少空调负荷，有利于降低建筑物能耗和对臭氧
层的破坏[5]。
另外，光纤传导太阳光照明系统出射光为全色光，光线柔和，照度分布均匀，显色
性好，光谱连续分布在人眼可见范围内，所以不仅视觉效果好，而且长时间观察不
易疲劳。大量的实验证明：自然光照明条件下的视觉对比灵敏度高于电力照明的
5%～20%以上。除了视力，自然光对身体的健康也有利。室内照明效果如图6所
示。
图6太阳光室内照明效果
开发低耗能，甚至不耗能的光纤传导太阳光照明系统，在提倡健康、低碳、绿色环
保的今天，无疑意义重大。
四系统存在的问题及现状
光纤传导太阳光照明系统在国内外已有相关产品销售。目前市场上有以下几款产品：
一是日本莱福瑞工程股份有限公司制造的“向日葵”系统，该系统中一个6镜单
束光缆的系统价格要几万元，只满足10m2左右照明使用，使用的光纤为大芯径
的石英光纤；还有南京杰特光纤式阳光导入系统，一套12镜、15m光纤的系统
要8万元，价格很高。南京帅瑞光导纤维式阳光导入器，一套5镜系统要6万多
元，光纤采用进口塑料光纤；江苏胜福来能源科技有限公司的“圣福来”太阳光能
光纤导入器，源自德国技术，导光光纤也是塑料光纤。还有北京东方风光新能源技
术有限公司也有相关产品。虽然目前该类产品较多，但普遍存在的问题是价格昂贵，
目前市场上导光系统中的导光光纤1m价值上千元，而一套系统至少要用15m长。
由于导光光纤价格不菲，整套光纤传导太阳光照明系统属于奢侈品行列，不适合普
通民用普及。目前系统中使用的导光光纤均为国外进口。如果能制造出成本低廉的
用于民用的太阳能光纤照明系统，市场将极为巨大。
低成本、高性能的光纤传导太阳光照明系统是一项具有挑战，也很有意义的项目。
开发大芯径、低损耗、性能稳定的导光光纤并使之实现国产化，是未来应当努力的
方向。
参考文献
[1]张耀明.采集太阳的照明系统研究[J].中国工程科学,2002,4(9):63－68.
[2]江源,殷志东.光纤照明及应用[M].北京：化学工业出版社,2009:370－383.
[3]解福瑶,郑勤红.光纤传输太阳能的原理及其应用技术[J].新能源,1997,19(8):
26－30.
[4]郑晓东,郝允祥.一种有前途的采光照明方式—光纤采光[J].照明工程学报,1992,
3(1-2):96－99.
[5]杨银元.储能照明节电新技术[J].中国照明电器,2002，(3):1－7.