采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明技術(shù).doc

采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)在建筑中的應(yīng)用日期：2008-01-221 引言能源和環(huán)境是當(dāng)前全球共同關(guān)注的焦點(diǎn)。照明用電隨著社會的發(fā)展已占總發(fā)電量的1020%。目前，我國照明耗電大體占全國總發(fā)電量的1012%。2001年我國總發(fā)電量為14332.5億千瓦小時(shí)，年照明耗電達(dá)1433.251719.9億度，為在建設(shè)中的三峽水利發(fā)電工程投產(chǎn)后年發(fā)電能力（840億）的兩倍左右。照明用電的迅速增加，不但要增加大量的電力投資，牽制國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且還要產(chǎn)生大量污染。天然光是大自然賜予人類的寶貴財(cái)富，可以說是取之不盡、用之不竭，相比其他能源具有清潔、安全的特點(diǎn)，充分利用天然光可節(jié)省大量照明用電，節(jié)約照明用電又可間接減少自然資源的消耗及有害氣體的排放。目前我國的電能主要由燃燒化石燃料生產(chǎn)，在獲得電能的同時(shí)向大氣排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，這些氣體是造成全球各種環(huán)境問題的重要原因。1991年1月美國環(huán)保局（EPA）首先提出實(shí)施“綠色照明（Green Lights）”和推進(jìn)“綠色照明工程（Green Lights Program）”的概念。1993年11月我國國家經(jīng)貿(mào)委開始啟動中國綠色照明工程，1995年11月16日召集八家單位研討“中國綠色照明實(shí)施規(guī)劃”，其中的一條就是倡導(dǎo)自然采光。因此，天然采光是綠色照明的重要方面。長期以來，人們一直對天然光存在一種誤解，認(rèn)為天然光進(jìn)入室內(nèi)的同時(shí)帶來的熱量要多于人工光源的發(fā)熱量。事實(shí)上，如果提供相同的照度，天然光帶來的熱量比絕大多數(shù)人工光源的發(fā)熱量都少。也就是說，如果用天然光代替人工光源照明，可以大大減少空調(diào)負(fù)荷，有利于降低建筑物能耗。采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內(nèi)陰暗的房間或者易燃易爆不適宜采用電光源的房間，改變目前很多建筑“室外陽光燦爛，室內(nèi)燈火輝煌”的局面，可以有效地減少電能消耗。光導(dǎo)管還可以用于辦公樓、住宅、商店、旅館等建筑的地下室或走廊的自然采光或輔助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太陽能光利用的一種有效方式。2 建筑用光導(dǎo)管系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和類型建筑用光導(dǎo)管系統(tǒng)主要分三部分，一是采光部分；二是導(dǎo)光部分，一般由三段導(dǎo)光管組合而成，光導(dǎo)管內(nèi)壁為高反射材料，反射率一般在95%以上，光導(dǎo)管可以旋轉(zhuǎn)彎曲重疊來改變導(dǎo)光角度和長度；三是散光部分，為了使室內(nèi)光線分布均勻，系統(tǒng)底部裝有散光部件，可避免眩光現(xiàn)象的發(fā)生。從采光的方式上分，光導(dǎo)管有主動式和被動式兩種。主動式是通過一個(gè)能夠跟蹤太陽的聚光器來采集太陽光，這種類型的光導(dǎo)管采集太陽光的效果很好，但是聚光器的造價(jià)相當(dāng)昂貴，目前很少在建筑中采用。目前用得最多的是被動式采光光導(dǎo)管，聚光罩和光導(dǎo)管本身連接在一起固定不動，聚光罩多由PC或有機(jī)玻璃注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱。這種類型的光導(dǎo)管主要由聚光罩、防雨板、可調(diào)光導(dǎo)管、延伸光導(dǎo)管、密封環(huán)、支撐環(huán)和散光板等組成，如圖1所示。圖1 采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖光導(dǎo)管從傳輸光的方式上分主要有兩種類型：有縫光導(dǎo)管和棱鏡光導(dǎo)管。有縫光導(dǎo)管的外形是長圓柱形，內(nèi)表面涂有鏡面反射涂層，并留有一條長的出光縫，使光線射到工作面上，這種光導(dǎo)管加工工藝復(fù)雜，光在傳播的過程中損失較大，造成整個(gè)光導(dǎo)管裝置效率不高，因此這種類型的光導(dǎo)管在采集太陽光的光導(dǎo)管系統(tǒng)中很少采用。棱鏡薄膜空心光導(dǎo)管是美國3M公司研制的，這種光導(dǎo)管是根據(jù)光輻射在光密介質(zhì)中的全反射原理制造的，棱鏡薄膜厚0.5mm，3M公司的產(chǎn)品采用PMMD塑料制造，一次反射率可以達(dá)到99.99%，為目前世界上反射率最高、性能最好的光導(dǎo)管材料。薄膜的一個(gè)面是平的，另一個(gè)面具有均勻分布的縱向波紋。這些波紋的截面是頂角為90的三角形棱鏡，這種薄膜的特點(diǎn)是入射到其平的一面上的光線如果不被反射，就會射進(jìn)材料內(nèi)部，把棱鏡薄膜卷成圓柱形管子，沿管長方向射來的一束光線就可以通過光導(dǎo)管端面進(jìn)入，經(jīng)過多次反射，到達(dá)管子的另一端。棱鏡薄膜空心光導(dǎo)管薄膜材料的選擇和制作工藝是個(gè)關(guān)鍵的問題，不標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)表面和不純的光學(xué)材料會導(dǎo)致光在傳播過程中的損失增加，甚至部分光線從光導(dǎo)管中散射出去，而且傳播路徑越長損失越大。這些問題都有待進(jìn)一步研究解決。從光導(dǎo)管的安裝方式上來分，又分為頂部采光和側(cè)面采光兩種。目前國外應(yīng)用的采集太陽光的光導(dǎo)管系統(tǒng)幾3 光導(dǎo)管技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀光導(dǎo)管自出現(xiàn)以來，人們一直沒有停止對它的研究和改進(jìn)，最初人們研究光導(dǎo)管主要是為了傳輸燈光，到了上個(gè)世紀(jì)80年代以后才開始研究采集太陽光的光導(dǎo)管系統(tǒng)。國外光導(dǎo)管技術(shù)的研究相對比較成熟。俄羅斯和美國在這個(gè)領(lǐng)域里都取得了可喜的成績。1880年，俄國的Chikoleve、Wheeler、Molera和美國的Cebrian分別公開了他們有關(guān)光導(dǎo)管的發(fā)明。1881年Wheeler 在美國申請了第一個(gè)光導(dǎo)管專利。由于材料和工藝水平的限制，早期的光導(dǎo)管效果并不理想，因而導(dǎo)致其發(fā)展在一段時(shí)間內(nèi)處于停頓狀態(tài)。隨著光學(xué)纖維技術(shù)的發(fā)展，很多研究者開始意識到光纖可以輸送光能并在醫(yī)學(xué)方面得到了應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)是尺寸太小，用于輸送大的光通量用于建筑照明是不經(jīng)濟(jì)的。1963年前蘇聯(lián)工程師Gennady Bukhman提出用空心圓柱形管道輸送光，并沿著光導(dǎo)管連續(xù)輸出光通量的新思想，并于1965年制成第一個(gè)大尺寸的光導(dǎo)管。1981年加拿大的Whitehead公司與美國3M公司合作，利用完全內(nèi)反射原理開發(fā)出棱鏡導(dǎo)光管。1999年，英國諾丁漢大學(xué)的G.Oakley等考察了已經(jīng)商業(yè)化的光導(dǎo)管的采光性能。美國、瑞典也開展了相應(yīng)的研究工作。由于采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，成本較低，實(shí)際照明效果很好，因此在國外發(fā)展十分迅速，應(yīng)用也比較廣泛，許多跨國公司生產(chǎn)這種產(chǎn)品，目前英國Monodraught公司、日本共榮株式會社、美國ODL公司等多家公司都具有一定的光導(dǎo)管生產(chǎn)能力。 我國目前在光導(dǎo)管的研制和應(yīng)用領(lǐng)域仍然十分落后，還不具備大規(guī)模生產(chǎn)光導(dǎo)管的能力。主要原因在于光導(dǎo)管用的高反射率薄膜我國還沒有掌握其生產(chǎn)工藝，光導(dǎo)管的傳輸效率有待于進(jìn)一步提高，在基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)踐操作等方面的工作還很不夠，因此在我國光導(dǎo)管技術(shù)還沒有大規(guī)模進(jìn)入市場。4、建筑用光導(dǎo)管技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例建筑用光導(dǎo)管結(jié)構(gòu)簡單、安裝拆卸靈活、造價(jià)低廉，能夠造成舒適的建筑光環(huán)境，在歐美等國家得到廣泛應(yīng)用。圖2和圖3是國外的一所住宅在同一個(gè)房間安裝光導(dǎo)管前后室內(nèi)光環(huán)境對比。國外的經(jīng)驗(yàn)證明，安裝光導(dǎo)管后的住宅室內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量顯著改善，在晴天的白天完全可以不再使用電光源照明，光導(dǎo)管導(dǎo)入的自然光完全可以滿足人們的日?；顒拥恼彰骱筒晒庑枨螅覍θ藗兊纳眢w健康有利，安裝采集太陽光的光導(dǎo)管的住宅大大地減少了“季節(jié)綜合癥”的發(fā)病率。 圖2 沒有安裝光導(dǎo)管的住宅 圖3 同一房間安裝光導(dǎo)管后的效果圖4為北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舊址安裝的側(cè)面采光光導(dǎo)管。圖5為新建的北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京工業(yè)大學(xué)高科技能源樓）安裝的頂部采光光導(dǎo)管系統(tǒng)。在晴天的情況下，側(cè)面采光和頂部采光都能滿足室內(nèi)的照度要求。圖4 側(cè)面采光光導(dǎo)管室外部分 圖5 頂部采光光導(dǎo)管乎全部采用頂部采光，側(cè)面采光還未見有文獻(xiàn)報(bào)道。5建筑用光導(dǎo)管技術(shù)的未來發(fā)展開發(fā)應(yīng)用采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)的目的就是要把光導(dǎo)管變成一種節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的綠色產(chǎn)品。這就需要從綠色照明的角度來研究整個(gè)光導(dǎo)管采光照明系統(tǒng)，即從光導(dǎo)管的制造、使用前后和使用中這個(gè)全過程去考慮如何節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，不但要考慮照明時(shí)不產(chǎn)生光污染，而且在系統(tǒng)壽命終結(jié)后便于分解和回收利用。導(dǎo)光裝置是整個(gè)照明系統(tǒng)的核心部分，光導(dǎo)管的性能是直接關(guān)系到裝置本身是否屬于綠色產(chǎn)品的關(guān)鍵問題。因此光導(dǎo)管的采光性能還需要進(jìn)一步的提高。采集太陽光的光導(dǎo)管綠色照明技術(shù)是綠色能源科技的一部分，屬于可持續(xù)發(fā)展能源技術(shù)。由于國外光導(dǎo)管技術(shù)相對比較成熟，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，形成我國自主知識產(chǎn)權(quán)的光導(dǎo)管技術(shù)和產(chǎn)品是有可能的。光導(dǎo)管技術(shù)為高效的光能傳輸提供了一種有效的途徑，目前國內(nèi)外的研究還大多集中于光導(dǎo)管本身的性能研究，未來的發(fā)展趨勢將更偏重于光導(dǎo)管和其他建筑環(huán)境技術(shù)的結(jié)合，從而為建筑節(jié)能和改善室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)發(fā)揮更大的作用。隨著人們對可再生能源的興趣不斷增加，自然通風(fēng)和自然采光技術(shù)越來越多