[文章编号]100228528(2008)0820109205太阳能光导管采光技术应用现状和发展前景王 凡1,龙惟定2(1.同济大学机械工程学院,上海200092;2.同济大学中德工程学院,上海200092)[摘 要]在大力倡导绿色照明的今天,光导管系统作为一项很有发展前途的自然采光技术受到人们的广泛关注。
本文在讨论当前能源现状的基础上简要介绍了光导管系统的产生和发展历程,重点分析了光导管的优异性能和目前面临的问题,并探讨了将来的发展趋势,总结得出光导管系统和其它技术相结合才能更好地发挥该系统照明节能的优势。
[关键词]光导管;绿色照明;自然采光;照明节能[中图分类号]T U113.5 [文献标识码]AApplication Status and Development Prospect of S olar Lighting Vessel T echnologyWANG Fan 1,LONG Wei 2ding 2(1.College o f Mechanical Engineering ,Tongji Univer sity ,Shanghai 200092,China ;2.Sino 2G ermanCollege o f Applied Sciences ,Tongji Univer sity ,Shanghai 200092,China )[Abstract ]In today πs w orld ,green lighting is strongly prom oted.As a developing natural lighting technology ,the s olar lighting vessel had been caused wide public concern.In this paper ,based on the discussion of energy res ource status ,the emergence and development of s olar lighting vessel were briefly introduced.And then ,the advantages and disadvantages of this system and the main problems were analyzed.Als o ,the development tendency was discussed.I t was concluded that the system should be combined with other technologies to achieve the lighting energy 2saving.[K eyw ords ]s olar lighting vessel ,green lighting ,natural lighting ,lighting energy 2saving[收稿日期]2008207207[作者简介]王 凡(19822),男,在读硕士研究生[联系方式]into 2rain @1 引 言当前,能源问题已经升级为全球性的重大问题,世界各国都在开发新能源,同时在利用新技术方面也不惜余力。
人工照明在现代照明中仍然占据着举足轻重的分量,全世界的平均照明用电已占总发电量的10%～20%,而我国照明用电也已经占到了总发电量的10%～12%。
2001年,我国的总发电量为1433215亿kWh ,年照明耗电达1433125亿kWh ,是建设中的三峡水力发电工程投产应用后发电能力(840亿kWh )的大约2倍。
因此,为了满足不断增长的用电需求,就需要国家加大电力设施的投资,这不但增加了用电成本还会产生严重的环境污染,因为大部分地区都是火力发电,使用燃煤不仅加快了非可再生能源的消耗,在燃烧过程中产生的大量C O 2,S O 2和NO x 等有害气体也会对环境产生较大影响,“温室效应”和“酸雨”已经是全球性问题,同时燃烧过程中产生的粉尘同样会污染环境并对人们的正常生活构成威胁[1]。
人口、资源和环境是制约国民经济可持续发展的重要因素,在这样的背景下,1991年1月,美国环保局(EPA )首先提出了旨在节约能源、保护环境、提高照明质量的“绿色照明”概念。
1993年11月,我国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程,1995年11月16日召集8家单位研讨“中国绿色照明实施规划”,其中有1条就是倡导自然采光,这说明自然采光是绿色照明的重要方面。
自然采光就是引用户外的天然光进入室内进行照明的过程。
太阳光是取之不尽,用之不竭的天然能源,但是通过门窗等进入室内的仅仅是很小一部分。
为了更好地利用太阳能,人们研究出许多新技术,光导管系统便是其中之一,光导管系统引入的是自然光,不需要消耗非可再生资源,而且不会对环境造成污染,能够节约20%～30%的建筑用电,对节能有着重要意义。
第24卷第8期2008年8月建 筑 科 学BUI LDI NG SCIE NCEV ol 124,N o 18Aug.20082 光导管的产生和发展光导管的构想最初源于人们对自来水的联想,既然水可以通过水管输送到任何需要的地方,那么光线是否也能象水流一样人工输送呢?最初人们研究光导管只是想输送人工光,直到20世纪80年代才开始扩展到自然采光。
现代越来越紧张的能源局势使自然采光成为了光导管技术的主流,同时也是照明领域的热点问题之一。
早在1880年,俄国的科学家就提出了光导管的设想,但是由于当时的材料和技术工艺都很不成熟,在若干次尝试后制作出来的光导管性能并不令人满意,这也直接导致了在很长一段时间内光导管技术处于停滞状态。
直到后来光导纤维的出现,人们才意识到光的确是可以被传导的,然而光纤的尺寸太小,难以传输大的光通量,不能用于建筑照明。
这时候有学者提出采用空心圆柱管道输送光的设想,受这个设想启发,美国和欧洲各国纷纷开展相关研究工作并取得了重大进展,光导管终于达到了的商业化运作的程度[2]。
目前国外已经有不少公司具备了生产光导管的能力,如英国的蒙诺加特公司、美国的OD L公司,以及日本的共荣株式会社等。
我国也已开展了光导管的研制工作,有的公司已经能生产结构不很复杂的光导管,但是因为起步晚,加之光导管的核心技术———管内的高反射率膜的生产工艺没有掌握,我国制造的光导管在性能上和国外还有较大差距,这需要国内的企业和科研单位在理论研究和制造工艺方面做进一步的研究[3]。
3 光导管的结构和分类比较常见的光导管系统一般分为3部分:采光部分、导光部分和散光部分(见图1)。
采光部分通常是一个透明的玻璃罩,放置于室外楼顶或室外墙体的侧面;导光部分是导光管,管壁是反射率一般在95%以上的反射材料,有的光导管可以旋转弯曲来改变导光角度和长度;散光部分安装在系统底部,是将通过光导管传输的光线散射到室内使光线均匀照明的装置,同时具有避免眩光的作用。
按照采光方式,光导管可分为主动式和被动式。
主动式光导管通过一个聚光器采集太阳光,再将太阳光传输到室内,因为聚光器上装置了传感器和反馈装置,可以使聚光器的采光方向总是向着太阳。
图1 光导管系统的采光罩和导管机理这种光导管采集太阳光的效果非常好,但是由于聚光器的较高工艺要求造成了其成本过高,因此主动式光导管很少见。
人们通常所说的光导管是指被动式光导管,这种光导管的采光罩和光导管本身连接固定在一起,采光罩一般是由有机玻璃等材料注塑而成,整个系统一经安装便不能移动。
此外,光导管按传输光的方式还可以分为有缝光导管和棱光镜光导管。
有缝光导管是在管壁上留一条很长的出光缝,以使光线能够照射到工作面上,这种光导管看似简单,其实工艺要求很高,而且光在传输过程中容易造成泄露,因此效率不高,实际中很少用到。
比较常见的是棱光镜光导管,这是著名的美国3M公司研制的一种高效光导管,其最主要的部分是一层覆盖在管壁上的棱镜薄膜,薄膜厚度约为015mm,根据光辐射在光密介质中的全反射原理,这种薄膜的反射率可以高达99199%,是世界上反射率最高、传导性能最好的光导材料,同样这种光导管对制作工艺也有很高的要求,国内还没有厂家具备这种光导管的生产制造技术[4]。
4 光导管系统的性能特点411 光导管系统的优点光导管最大的优点是节能。
一方面,由于完全采用自然采光不需要消耗人工能源,所以光导管可以节约20%～30%的建筑用电,如果换算成标煤将数量客观(我国目前75%的电能来源于燃煤)。
另一方面,因为相比人工采光,光导管系统引入室内的热负荷比较小。
长期以来,人们一直对自然光存在一种误解,认为自然光进入室内所带来的热量要多于人工光源的发热量,实际上如果提供相同的照度,自然光的发热量绝对比大多数人工光源要少,这是011建筑科学第24卷因为人工光源在利用电能发光的同时将大部分电能转化为了热量,也就是说人工光源实际的发光效率是很低的,如果用自然光代替人工照明可大大减少空调负荷,有利于减少建筑能耗。
作为绿色建筑所倡导的采光形式,光导管同时也是健康环保的。
一方面,光导管因为使用自然能源,不消耗非可再生能源,在使用过程中不产生污染,也不会对环境产生影响。
另一方面,光导管系统对人体是健康的,因为光导管利用太阳光,相比于人工光源的照射,更多的人还是偏爱享受自然光,这是由于自然光的光谱范围广,光线均匀柔和,可以起到杀菌和防治多种皮肤病的功效,且经过光导管系统处理的太阳光没有频谱和眩光,在采光罩上加设防辐射涂层还能有效地滤除有害辐射,这些都是人工光源办不到的。
因此自然采光和自然通风一样受到人们的青睐。
光导管系统在民用建筑中的的应用如图2所示,同一房间在安装光导管前后效果比较如图3所示[5]。
图2 光导管系统在民用建筑中的应用图3 同一房间在安装光导管前后效果比较对于一些特殊的建筑,光导管采光是最安全可行的采光方式,世界上第一套光导管系统就是应火药库的照明需求而开发的电光源光导管。
由于光导管系统的光源与照明区域可以分开,从而为易燃易爆、高温高湿、有电磁辐射危险及有毒害物质场所的照明提供了新的解决方案。
在以上场所若使用普通电光源进行照明,由于工作环境比较恶劣,大大增加了光源损坏的几率,从而增加了维护工作量,而且在易燃易爆场所电光源本身就是一个不安全因素[6]。
采用光导管系统照明则能够从根本上解决上述问题,同时可以保障工作人员的人身安全,这也是一些大型的、对安全要求较高的建筑采用光导管照明的原因。
此外光导管系统从安装使用开始便属于一次性投资,不需要维护,使用寿命很长,正常情况下大于30年,利用效率比较高,可以有效地弥补人工照明的不足。
如今大力发展绿色照明,光导管不失为一种经济可靠的照明方式。