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摘 要：光纤式太阳光导入照明系统是一种利用导光光纤将自然阳光引入室内进行照明的技术，属于新型太阳能利用范畴，文章介绍了它的概念和目前的发展状况。
关键词：太阳光，光纤，照明
中图分类号：N04；J914；TK51 文献标识码A： 文章编号：1673-8578（2014）S1-0005-03
The Concept and Development of Fiber Sunlight Lighting System
BI Chonglian
Abstract： The fiber sunlight lighting system is a new solar energy utilization which could introduce a kind of sunlight lighting by fiber. This article describes the concept of this system and presented its development situation.
Keywords： sunlight， optical fiber， lighting
收稿日期：2014-06-07
作者简介：毕重连（1986—），女，山东威海人，硕士，研究方向为光传感、光照明等。通信方式：bizhonglian@sipo.gov.cn。
一 光纤式太阳光照明系统的概念
传统意义的自然光利用方式（即自然采光），主要利用幕墙、天窗等采光构件直接将自然光引入到室内。由于这种方式的传导距离有限，对于无窗建筑、建筑的较深地下层等区域而言，直接利用自然光的约束明显。为了节约照明用电，光纤式太阳光照明系统显然更具优势，可以满足多种场所的采光需求。
光纤式太阳光照明系统一般由室外主机、照明光纤、室内光纤灯具组成，如图1所示[1]。主机须安装在阳光充足的室外，用于跟踪采集太阳光。照明光纤则用于高效传输主机采集的阳光导入室内，并通过室内灯具进行照明。室外主机是该系统的主体部分，主要由光学凸透镜组、太阳跟踪传感系统、高精度机械平台等组成。
图1 光纤式太阳光照明系统
二 光纤式太阳光照明系统的技术特点
1.基于万年历的太阳实时跟踪技术
理论上，由不同朝向组成的光电探测器阵列便可实现太阳跟踪过程，然而当面对复杂的天气情况时，跟踪过程易受外界环境干扰，这对跟踪精度造成很大影响，极易导致机械转台系统出现误操作而导致光纤弯折。为了实现全气候天气条件下的正常跟踪，这种太阳跟踪系统需配备基于万年历的太阳实时跟踪系统，一般通过时间芯片进行实时信息采集，通过软件算法来获得安装地点的太阳实时方位信息，以便实现持续的太阳跟踪。
2.基于光电探测器的太阳对准技术
基于万年历的太阳实时跟踪系统因为理论模型的问题往往存在一定的误差，不足以满足耦合要求，需要配合太阳精确对准系统。一般采用基于四象限光电探测器的解决方案，这种探测器最早被应用于导弹跟踪方面，四个探测器均匀分布于一片圆形衬底上，只要外部聚焦的光斑位于中心十字线位置，即可实现精确对准，可以满足光纤式太阳光照明系统的需要。
3.高精度机械平台技术
在跟踪太阳轨迹的过程中，为避免室内光纤灯的出射光抖动，对机械转动平台的稳定性提出了极高的要求，需配合运行精度高、稳定性极好的机械转动平台，才能实现迅速、准确、稳定的太阳跟踪过程。
4.太阳光采集传输技术
光纤式太阳光照明系统通过光学凸透镜将外界自然太阳光聚焦收集，通过物理光学原理分离过滤太阳光成分，将过量的紫红外线和有害射线拦截，用导光光纤把阳光传送到室内和地下室等地方，从而实现室内任意位置自然健康太阳光照射，如图2所示。
照明光纤分为塑料光纤与石英光纤两种。塑料光纤价格较低，但其传输损耗较高，仅能满足较近范围内的采光需求，并且其工作温度偏低，易出现烧灼失效的现象。相比而言，石英光纤的传输损耗极低，理论上可把太阳光传输至上百米的范围内，比塑料光纤更具优势。但传统的石英光纤芯径仅有微米量级，有效横截面积过小，不利于太阳光的高效耦合，并且价格偏高，不利于大范围推广[2-3]。
图2 太阳光耦合传输过程
三 光纤式太阳光照明系统的应用现状
自20世纪30年代以来，光纤照明技术就被世人所认识，但由于光纤材料的光衰减率高等原因，一直无法实现大批量的产业化和商品化。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为芯材制备出塑料光纤。20世纪70年代末，日本三菱丽阳公司把这种光纤的损耗下降到200 dB/km。虽然这仍然没有实现光纤照明的大批量产业化和商品化，但是把光纤照明的研究推向了实用阶段。
1979 年8月，日本La Foret公司推出了世界上第一台光纤式太阳光照明产品。时至今日，也仅有这一家公司可以提供成熟的光纤式太阳光导入产品。这一产品采用石英光纤作为照明光纤，室外主机有12镜2束光机，即12个透镜，连接两根光缆，可导入两束光，是目前最常用也是最实惠的机型，广泛应用于日本的住宅、办公楼、医院、地下通道和其他公共设施。
近年来，国内的一些科研单位和企业也投入到光纤式太阳光照明系统的研发中，如南京玻璃研究院、沈阳建筑工程学院、苏州大学等。但普遍存在着稳定性、灵活性较差、非全天候跟踪、光污染严重等问题。另外，目前市场上的导光石英光纤只能从国外进口，价格昂贵，属于奢侈品行列，这都不利于光纤式太阳光照明系统的普及推广[4]。
四 结 语
随着中国城镇化进程不断推进，每年新建房屋面积超过所有发达国家新建面积总和，大量地下公共空间不断出现，这种有着绿色环保健康理念的光纤式太阳光导入照明系统可以满足人们在地下空间的自然阳光利用需求。如能解决导光光纤的瓶颈，未来市场前景广阔，具有显著的经济与社会效益。
参考文献
[1] 张耀明.采集太阳光的照明系统[J].中国工程科学，2002（4）：63-68.
[2] 戚淑纯，薛冰洋，蒋国勇.太阳光导入器综述[J].太阳能，2007（2）：32-36.
[3] 朴聪，张国玉.菲涅尔太阳能聚光镜的设计[J].应用光学，2011（1）：23-26.
[4] 陈秀雯，许景峰，胡英奎，等.日光聚光光纤照明系统研究[J].灯与照明，2012（36）：17-20.
关键词：太阳光，光纤，照明
中图分类号：N04；J914；TK51 文献标识码A： 文章编号：1673-8578（2014）S1-0005-03
The Concept and Development of Fiber Sunlight Lighting System
BI Chonglian
Abstract： The fiber sunlight lighting system is a new solar energy utilization which could introduce a kind of sunlight lighting by fiber. This article describes the concept of this system and presented its development situation.
Keywords： sunlight， optical fiber， lighting
收稿日期：2014-06-07
作者简介：毕重连（1986—），女，山东威海人，硕士，研究方向为光传感、光照明等。通信方式：bizhonglian@sipo.gov.cn。
一 光纤式太阳光照明系统的概念
传统意义的自然光利用方式（即自然采光），主要利用幕墙、天窗等采光构件直接将自然光引入到室内。由于这种方式的传导距离有限，对于无窗建筑、建筑的较深地下层等区域而言，直接利用自然光的约束明显。为了节约照明用电，光纤式太阳光照明系统显然更具优势，可以满足多种场所的采光需求。
光纤式太阳光照明系统一般由室外主机、照明光纤、室内光纤灯具组成，如图1所示[1]。主机须安装在阳光充足的室外，用于跟踪采集太阳光。照明光纤则用于高效传输主机采集的阳光导入室内，并通过室内灯具进行照明。室外主机是该系统的主体部分，主要由光学凸透镜组、太阳跟踪传感系统、高精度机械平台等组成。
图1 光纤式太阳光照明系统
二 光纤式太阳光照明系统的技术特点
1.基于万年历的太阳实时跟踪技术
理论上，由不同朝向组成的光电探测器阵列便可实现太阳跟踪过程，然而当面对复杂的天气情况时，跟踪过程易受外界环境干扰，这对跟踪精度造成很大影响，极易导致机械转台系统出现误操作而导致光纤弯折。为了实现全气候天气条件下的正常跟踪，这种太阳跟踪系统需配备基于万年历的太阳实时跟踪系统，一般通过时间芯片进行实时信息采集，通过软件算法来获得安装地点的太阳实时方位信息，以便实现持续的太阳跟踪。
2.基于光电探测器的太阳对准技术
基于万年历的太阳实时跟踪系统因为理论模型的问题往往存在一定的误差，不足以满足耦合要求，需要配合太阳精确对准系统。一般采用基于四象限光电探测器的解决方案，这种探测器最早被应用于导弹跟踪方面，四个探测器均匀分布于一片圆形衬底上，只要外部聚焦的光斑位于中心十字线位置，即可实现精确对准，可以满足光纤式太阳光照明系统的需要。
3.高精度机械平台技术
在跟踪太阳轨迹的过程中，为避免室内光纤灯的出射光抖动，对机械转动平台的稳定性提出了极高的要求，需配合运行精度高、稳定性极好的机械转动平台，才能实现迅速、准确、稳定的太阳跟踪过程。
4.太阳光采集传输技术
光纤式太阳光照明系统通过光学凸透镜将外界自然太阳光聚焦收集，通过物理光学原理分离过滤太阳光成分，将过量的紫红外线和有害射线拦截，用导光光纤把阳光传送到室内和地下室等地方，从而实现室内任意位置自然健康太阳光照射，如图2所示。
照明光纤分为塑料光纤与石英光纤两种。塑料光纤价格较低，但其传输损耗较高，仅能满足较近范围内的采光需求，并且其工作温度偏低，易出现烧灼失效的现象。相比而言，石英光纤的传输损耗极低，理论上可把太阳光传输至上百米的范围内，比塑料光纤更具优势。但传统的石英光纤芯径仅有微米量级，有效横截面积过小，不利于太阳光的高效耦合，并且价格偏高，不利于大范围推广[2-3]。
图2 太阳光耦合传输过程
三 光纤式太阳光照明系统的应用现状
自20世纪30年代以来，光纤照明技术就被世人所认识，但由于光纤材料的光衰减率高等原因，一直无法实现大批量的产业化和商品化。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为芯材制备出塑料光纤。20世纪70年代末，日本三菱丽阳公司把这种光纤的损耗下降到200 dB/km。虽然这仍然没有实现光纤照明的大批量产业化和商品化，但是把光纤照明的研究推向了实用阶段。
1979 年8月，日本La Foret公司推出了世界上第一台光纤式太阳光照明产品。时至今日，也仅有这一家公司可以提供成熟的光纤式太阳光导入产品。这一产品采用石英光纤作为照明光纤，室外主机有12镜2束光机，即12个透镜，连接两根光缆，可导入两束光，是目前最常用也是最实惠的机型，广泛应用于日本的住宅、办公楼、医院、地下通道和其他公共设施。
近年来，国内的一些科研单位和企业也投入到光纤式太阳光照明系统的研发中，如南京玻璃研究院、沈阳建筑工程学院、苏州大学等。但普遍存在着稳定性、灵活性较差、非全天候跟踪、光污染严重等问题。另外，目前市场上的导光石英光纤只能从国外进口，价格昂贵，属于奢侈品行列，这都不利于光纤式太阳光照明系统的普及推广[4]。
四 结 语
随着中国城镇化进程不断推进，每年新建房屋面积超过所有发达国家新建面积总和，大量地下公共空间不断出现，这种有着绿色环保健康理念的光纤式太阳光导入照明系统可以满足人们在地下空间的自然阳光利用需求。如能解决导光光纤的瓶颈，未来市场前景广阔，具有显著的经济与社会效益。
参考文献
[1] 张耀明.采集太阳光的照明系统[J].中国工程科学，2002（4）：63-68.
[2] 戚淑纯，薛冰洋，蒋国勇.太阳光导入器综述[J].太阳能，2007（2）：32-36.
[3] 朴聪，张国玉.菲涅尔太阳能聚光镜的设计[J].应用光学，2011（1）：23-26.
[4] 陈秀雯，许景峰，胡英奎，等.日光聚光光纤照明系统研究[J].灯与照明，2012（36）：17-20.