为增强设计的太阳能光纤照明系统在公路隧道照明阈值区域:一个案例研究在中国Huashuyan隧道

文摘

本文原理、结构组成、材料、太阳能光纤照明系统的特点进行了讨论。不同区域的公路隧道的不同亮度要求被识别的基础上,分析隧道照明考虑驾驶员的视觉self-accommodating亮度变化的生理功能。采取Huashuyan G109公路隧道位于中国内蒙古的呼和浩特作为案例研究,太阳能光纤照明系统设计的增强高速公路隧道照明在阈值区域。表示通过计算,设计太阳能光纤长度增强照明设计速度有关,纵向坡度,隧道净空高度,和太阳能光纤的设计亮度增强照明与隧道外的亮度,设计速度和设计的隧道交通流。太阳的亮度分析光纤Huashuyan隧道照明系统是基于现场实验。此外,3 d照度DIALux软件进行仿真结果表明太阳能光纤照明系统在Huashuyan隧道仍遇到了增强照明需求甚至不考虑LED照明的贡献。

1。介绍

作为一种自然光线的制导系统、太阳能光纤照明可以传送自然光和照明光的全反射原理基础上的纤维玻璃或塑料等各种材料制成的,可以介绍自然或人工光源发出的光进入光纤,使光再分配通过传输光纤照明的需要。太阳能光纤照明系统得到越来越多的关注国际上1960年代以来的特点,安全,环境保护,和nonenergy消费自然光线的绿色光源(1]。中国开始研究和开发的光纤照明在小规模的在1970年代末2]。目前,光纤照明技术得到了广泛的推广和实际应用的功能性照明博物馆、医院、住宅,办公楼,地下的地方(3- - - - - -7]。

然而,很少用于隧道照明,主要是因为之间的光学性质差异很大的光纤照明和传统照明系统和隧道功能照明需求之间的巨大差异和其他普通的建筑。因此,光纤照明系统的设计方法对隧道照明不能复制传统照明和普通的光纤照明建筑和不能直接应用在隧道照明。到2012年底,8000公路隧道在中国建了一万多公里。随着公路隧道建设的增加,隧道照明的耗电量也显著增加。因此,成为很重要的保存照明功耗条件下的安全驾驶和舒适的照明。与国家支持节能减排的政策,太阳能光纤照明系统已成为现代节能照明的一个重要组成部分,也将成为新的隧道照明方式,与阳光使用,节能,安全,健康,和灵活的设计和隐患几乎没有权力,光源热量和电磁干扰。

由于隧道的特殊的管状结构和限制人的视觉生理功能self-accommodating亮度变化时,将发生极端的亮度对比汽车司机开车进入或退出了隧道在白天,一般视力造成“黑洞现象”或“白洞现象,这将带来巨大威胁行车安全。因此,加强照明需要在公路隧道的阈值并退出区除了基本的照明,使司机的眼睛适应突然改变亮度以外隧道进入隧道。基本的照明系统,采用传统的权力或光伏和风力发电系统,通常是安装在整个隧道和日夜不停地工作来保证所需的基本亮度的隧道。与基本的照明,增强照明系统是安装在隧道阈值区一般作为辅助照明。按照“规范中国公路隧道通风和照明设计(jtj026.1 - 1999)”,灯需要分布式安装按照一定的亮度梯度在公路隧道8]。亮度增强照明设计改变了隧道外的阳光亮度恒定值。一般来说,增强照明在闭环自适应控制工作根据隧道外的阳光亮度不同,分为四个等级(晴朗,多云,阴天,阴天)。然而,许多增强照明系统在实际项目中没有被安装在自动控制系统按照阳光亮度的要求由于客观因素的限制如隧道位于一个偏远地区或系统使用过程中维护不便。确保行车安全、最大参数值的阳光亮度在夏天通常被认为是与固定亮度增强照明系统工作,确保工作的可靠性。研究表明,中、长隧道的长度小于3000米,增强照明的能耗约50%的总功耗的隧道照明9]。隧道的长度就越少,加强照明的比例越大。因此,有很多的能量浪费在增强高速公路隧道照明系统目前在中国。如今,增强隧道照明的方法有很多,包括使用光衰减措施种植绿树两边的访问区隧道两边高反射率和奠定了材料内部的隧道(10,11]。上面的方法只是辅助措施只能通过减少视觉环境的亮度或改善隧道内的亮度尽量减少权力增强照明系统负担但没有完全解决实际问题。也有一些研究照明系统由普通国内外太阳能光伏发电系统,太阳能利用效率低是其中一个主要的技术瓶颈,促进应用程序(12- - - - - -14]。

针对太阳能光纤照明的特点改变与外部自然光线改变的规则与隧道路面的亮度阈值区与外部亮度变化,调整光纤照明系统的应用,以增强在公路隧道的照明可以大大节省功耗的隧道照明和照明设施的维护成本,为隧道照明设计提供新的思路和方法,以及进一步扩大太阳能光纤照明系统的应用范围。然而,很少有研究在相关的申请,尤其是充分考虑隧道环境的问题,不同区域的公路隧道照明的需求,光源的性能,传输损耗,经济效率(15,16]。因此,是非常必要和紧迫的启动太阳能光纤照明为隧道照明系统的研究基于光纤照明的特点和隧道的不同区域的不同亮度的需求探讨隧道照明节能的新方法,促进太阳能的应用光纤照明,这将具有重要的理论和实践意义在公路隧道照明的可持续发展。

2。材料和方法

2.1。太阳能的原理和结构组成光纤照明

太阳能光纤照明系统,主要由光指导device-collector、光透射device-optical纤维和光输出device-light资源,集中阳光通过收集器和传播需要照明的地方通过光纤或光管然后扩散反射(17]。太阳能的原理和结构组成光纤照明系统如图1和2。

2.2。材料和组件的太阳能光纤照明系统

随着新技术和新材料的发展,太阳能光纤照明系统的传输效率逐渐提高。有许多不同类型的光纤照明系统。在我们的研究中,太阳能的材料和组件用于隧道照明的光纤照明系统如下。

(1)光的光线集中指导设备。通过透镜折射光导向装置集中,用凸透镜或菲涅耳透镜阳光关注的焦点镜头和改善光纤的传输效率的精确定位光纤输入终端。

(2)光波导器件的操作模式。光收集器采用积极的操作模式导向装置,即安装了太阳能光学跟踪传感器,控制器,和相关的机械传动装置使收集器专注于太阳和获得更高的太阳能光效率,也是使用的操作模式的大多数太阳能光纤照明系统。

(3)材料用于光纤。三种光纤是目前最常用的包括石英光纤、塑料光纤,和多组分玻璃纤维和液体核心纤维、中空纤维和其他纤维也被使用。不同种类的光纤有自己的特点。石英光纤的传输效率最高的光学损失达到0.01 dB / m,在长距离传输有一个很大的优势,但相对较高的成本。塑料纤维和玻璃纤维的光学损失较大,0.15 / m dB相比之下,有一些限制在光传输的距离。但塑料纤维很容易使转换梁的大直径来获得更高的光通量和集中率高,目前有一个广泛的应用[18]。我们选择石英光纤的研究。

(4)光的发光方式输出设备。结束的光纤发光太阳能光纤系统中使用了隧道在这项研究。类似传统的照明设备,发出的光通过光资源结合后的光纤传输到特定的位置。

2.3。太阳能的特点分析光纤照明系统

作为一种新型的照明系统、太阳能光纤照明系统有一些优势,传统的照明系统无法匹配,虽然仍有一些瓶颈在实际应用程序中,如表所示1。

基于特征的分析(表1),它可以看到,当前太阳能光学照明系统是相对较小的地方合适的传输距离短、小照明区域;此外,它可以广泛应用于寒冷和潮湿甚至易燃易爆特别的地方,是良好的符合需求增强隧道照明的阈值区。

2.4。隧道照明的特点分析

视觉不舒适和降低能见度会由于不合适的亮度分布,或者是极端的亮度对比在时间或空间上被称为眩光。而在白天与很强的阳光,尤其是在夏天中午内外亮度对比隧道是非常大的。光强度下降突然当车辆接近隧道阈值,和司机眩光和黑洞现象视觉如果隧道照明是不够的。因此,为了视觉适应快速变化的内外亮度隧道,长隧道照明可分为五个区域:访问区域,阈值区、过渡区、室内区域,和出口区,如图3。不同的区域的亮度需求依赖于视觉现象。

增强照明系统需要安装在隧道阈值或退出区隧道外的高亮度逐渐降低隧道内的亮度水平低,这将使良好的亮度转换和改善视觉环境的隧道通过使司机的眼睛适应光线强度变化从外到内隧道和消除驾驶安全隐患视觉。

2.5。太阳能光纤照明系统设计的公路隧道

太阳能光纤照明提供增强的公路隧道照明通过光导向装置收集阳光,通过光纤传输光的反射器面板输出设备,如图4。

3所示。结果

基于太阳能的特点分析光纤照明系统和隧道照明的照明需求,隧道阈值的位置区有天然的优势,采用阳光。太阳能光纤照明系统符合法律的隧道路面的亮度阈值区域变化与隧道外的亮度的变化,可以节约大量的照明能耗,所以它会有一定的可行性提高公路隧道的照明。

在本文中,我们把Huashuyan G109公路隧道位于中国内蒙古的呼和浩特作为案例研究,它属于光的区域气候区二世的地区年平均照明根据“天照明设计标准(GB 50033 - 2013),有相对丰富的太阳能”(19,20.]。在双车道单向交通隧道设计交通量超过700册/ h。隧道的设计速度60公里/小时,设计纵坡的阈值区域为2%。

3.1。设计长度计算的阈值区Huashuyan隧道

根据“设计规范公路隧道的通风和照明,“隧道的距离阈值区可以按照下列公式计算: 在哪里阈值区域的长度,是停车视距,是在隧道净空高度。

停止的能见距离有关设计的速度和纵向坡度隧道,如表所示2。Huashuyan隧道的设计速度60公里/小时的阈值区域的纵向坡度2%,净空高度为7.2米。因此,根据上面的公式,设计隧道的长度阈值区可以获得30.55米。

3.2。设计亮度计算的阈值区Huashuyan隧道

由于隧道照明的高要求,特别是路面亮度阈值区隧道照明亮度最高,设计太阳能光导纤维增强照明的亮度阈值区域可以根据亮度计算隧道外,设计车辆的速度,和设计流量,如以下公式所示: 在哪里的亮度阈值区,换算系数,如表所示3,(隧道外的亮度。

因为Huashuyan隧道在这项研究双车道单向交通设计交通量v / h和设计时速60公里/小时,换算系数是0.022。在隧道外的亮度测量是3794勒克斯平均中午在四月一个晴朗的日子。因此,隧道的设计阈值区域的亮度应该83.47勒克斯至少根据计算。

3.3。太阳能光纤照明系统的设计增强Huashuyan隧道照明

太阳能光纤照明系统包含太阳光收集器,石英光纤的光传输和光纤辐照器。阳光收集器采用330年基础的ds阳光大师系列的类型(直径530毫米)包括丙烯酸盾牌,光陷阱,循环移动扩散器。

根据上述计算的设计长度阈值区Huashuyan隧道,太阳能光纤照明系统的总长度Huashuyan隧道是30米,和设计亮度被设置在83.47勒克斯。光学引导设备的数量确定隧道的方向,隧道的宽度和高度,外环境因素考虑在内。总共5光管道安装,太阳能光纤辐照器安装在10米的入口隧道间隔5米的隧道内部,如图5- - - - - -8。

3.4。太阳能光纤照明系统的亮度分析Huashuyan增强隧道照明

现场亮度的实验进行了每小时从六点半到下午连续5天从4月6日到4月10日。基于阳光和春天多云条件在呼和浩特,太阳的平均亮度效果比较光纤照明和LED照明的中央线隧道在图9。它可以看到图9的平均亮度太阳能光纤照明在隧道阈值区域在白天是181.31 cd / m²至少,它可以很好地满足83.47 cd / m的基本设计要求²(21]。

我们也使用DIALux软件做一个亮度仿真分析太阳能光纤照明系统的可行性Huashuyan增强隧道照明。亮度仿真是基于户外的阳光明媚的天气条件下的平均亮度45000勒克斯。均匀照度分布地图的比例1:251年,太阳能光纤照明系统的照度Huashuyan隧道如图10和表4。

3 d的照度模拟太阳能光纤照明系统Huashuyan隧道如图11。照明仿真分析,我们把封闭空间仿真环境外不考虑自然光的影响和里面的LED照明。根据“规范设计公路隧道的通风和照明,”也可以看到仿真,即使不考虑贡献的LED照明,太阳能光纤照明系统的照明设计Huashuyan隧道仍遇到了增强公路隧道照明需求和验证其可行性。

3.5。计算光纤的传输效率

我们使用了石英多模光纤的直径1毫米用于可见光传输在这项研究中,有20 dB /公里的衰减在可见区域,实现光纤照明的实际应用范围内的200米。传动效率之间的关系和光纤的长度可以根据以下公式计算,而且在不同长度光纤的传输效率可以得到如表所示5和图12: 在哪里光纤的长度。

在不同长度光纤的传输效率可以得到如表所示5。

它可以看到从图12光纤的传输损耗隧道照明系统的阈值区仅为12.9%,这表明太阳能光纤照明应用于30米的阈值区域增强照明Huashuyan隧道很可行的光能量损失。

4所示。结论

()作为环保、节能的照明系统,太阳能光纤照明系统很适当地应用于相对较小的地方传输距离较短和小照明区域,这是好符合要求的增强阈值区公路隧道照明。

()的设计长度光纤系统的阈值区隧道设计速度有关,纵向坡度,在隧道净空高度。的设计长度的光纤系统Huashuyan隧道被计算30米。

()加强照明的亮度要求的阈值区公路隧道与隧道外的亮度,设计速度和设计的隧道交通流。设计Huashuyan隧道亮度阈值区域至少83.47勒克斯根据计算。

()光学引导设备的数量确定太阳能光纤照明系统考虑隧道的方向,隧道的宽度和高度,外面的环境因素。总共有5个光管安装在Huashuyan隧道。

()太阳能光纤照明的平均亮度阈值区Huashuyan隧道在白天是181.31 cd / m²至少,基本满足设计要求的83.47 cd / m²现场亮度的实验和分析。

()太阳能光纤照明系统的亮度在Huashuyan隧道遇到增强公路隧道照明需求和验证其可行性甚至不考虑LED照明的贡献的3 d照度仿真结果显示DIALux软件。

()光纤的传输损耗Huashuyan隧道照明系统的阈值区显示只有12.9%计算,证明太阳能光纤照明应用于30米的阈值区域增强Huashuyan隧道照明是完全可行的。

因此,太阳能光纤照明技术在隧道被证明有很好的应用前景增强照明通过改善隧道照明的质量,节约电能和环境保护。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

研究工作是由中国国家自然科学基金支持下批准号51108216中央大学和基础研究基金。2015 jbm067也没有。2015 rc023。作者非常感谢匿名评论者的有用的评论和批评。

引用

1. c . Sapia”在建筑采光:发展的阳光解决光纤,”太阳能卷,89年,第121 - 113页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. d .宁和d .张”,研究阳光光纤照明,”陕西科技大学学报,23卷,45-47,2005页。视图:谷歌学术搜索
3. k . k .庄和c w . Wong“一般公式同轴的太阳跟踪系统及其应用在提高跟踪精度的太阳能收集器,”太阳能,卷83,不。3、298 - 305年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p .时装h . Nabbus a . Al-Azzawi和m .遮阳布,“光纤照明、改善被动式太阳能收集器”IEEE电力和能源研讨会论文集(EPEC的11)IEEE,页68 - 73年,温尼伯,加拿大,2011年10月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. v . g .古德n . Nirmalakhandan s邓和a . Maganti“低温海水淡化利用太阳能收集器的热能存储,”应用能源,卷91,不。1,第474 - 466页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 苏h .郑薛x, y, h·康”小说阳光集中和光纤的研究指导系统,”太阳能,卷85,不。7,1364 - 1370年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 即Ullah和美国Shin”高度集中光学光纤采光系统多层办公楼,”能源和建筑卷,72年,第261 - 246页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. Mnistry的交通工具,规范中国公路隧道通风和照明设计(jtj026.1 - 1999),中国通信出版社,北京,中国,2011。
9. j .姚明,设计的阳光直接发挥公路隧道照明系统(硕士学位论文),陕西科技大学,2014。
10. a . Pena-Garćia L.-M。r . Escribano Gil-Martin, A . Espin-Estrella“张力结构的比例模型在公路隧道节能优化太阳能灯的使用,“国际期刊的PhotoenergyID 313952条,卷。2011年,9页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j。j Buraczynski t·k·李,“隧道照明系统,”隧道安全,56个卷,第556 - 553页,2010年。视图:谷歌学术搜索
12. 美国能源部,照明市场特征固态照明项目,2012。
13. p c b . j .黄m . s . Wu许,j·w·陈,刘贤美陈,“高性能太阳能LED照明系统的发展,”能量转换和管理,51卷,不。8,1669 - 1675年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. c . Kandilli k两重身份,a . Hepbasli”Exergetic评估通过光纤传输集中太阳能系统构建应用程序,”能源和建筑,40卷,不。8,1505 - 1512年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. f . Wang和w·长”,太阳能照明船技术的应用现状及发展前景,”建筑科学,24卷,第113 - 109页,2008年。视图:谷歌学术搜索
16. h·j·汉,s . b . Riffat s . h . Lim和s . j .哦,“光纤太阳能照明:功能竞争力和潜力,”太阳能卷,94年,第101 - 86页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. m . Tekelioglu和b . d .木头,“太阳能光聚合物光纤的传播,”太阳能,卷83,不。11日,第2049 - 2039页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. c . Zidani b Benyoucef, n . Madini”Exergetic评估transmission-concentrated太阳能系统通过光纤用于构建应用程序”国际期刊的(火用),11卷,不。2、216 - 228年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 住房和城乡建设部中华人民共和国,“天建筑照明设计标准,”GB50033 - 2013年中国建筑与建筑出版社,北京,中国,2013。视图:谷歌学术搜索
20. 住房和城乡建设部中国中华人民共和国绿色建筑评估标准(GB / T 50378 - 2006),中国建筑与建筑出版社,北京,中国,2006。
21. x秦、魏,l . Wang和y沈,“太阳能公路绿色照明技术在中国其他地区:节能经济和环境评估,”国际期刊的Photoenergy文章ID 926235卷,2015年,10页,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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