一种地下车站的太阳光混合照明系统

摘要

本发明涉及一种地下车站基于光导管和光纤的太阳光-LED（light-emitting？diode发光二级管）混合智能照明的系统。利用光导管和光纤将晴天的太阳光直接引入地下实现地下车站的照明与通风，阴天或夜晚该系统将自动切换为LED电力补偿照明，实现地铁台站照明的智能化。本发明跟现有技术相比，可以实现地铁的绿色照明，节约地铁照明和通风成本，提高太阳的跟踪精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下车站的太阳光混合照明系统，尤其涉及光导管照明与 通风技术、光纤与光导管混合导入太阳光直接照明技术装置。

背景技术

地铁是我国目前一线和二线城市的重要轨道交通，安全健康的照明系统是 地下车站建设的一个重要指标。地下车站的站厅和站台照明具有不同照度和均 匀性要求，对地下车站的设备区照明、公共区照明、电缆夹层照明、导向标志 照明、广告照明和事故照明等区域的照度不同，所以新型地下车站的照明设施 建设需要综合考虑其经济性、环保性、高效性、节能性、自然性、和谐性等特 性。

鉴于常年需要照明的地下车站耗电很大，在能源日益紧缺的今天，如何更 加高效廉价地利用太阳光照明显得越发重要。太阳光是一个取之不尽、用之不 竭的光源，太阳辐射能量用太阳常数表示：一个太阳常数为1367W/m²,相当于 每平方米上13个100W灯泡的照明效果，最大月与最小月相差约7％左右。人 们在地面上已经习惯了清洁、舒适的太阳光源，人们利用太阳光来进行照明目 前有两种方式：将太阳能转换为电能，然后通过电力来照明；另一种是直接利 用太阳光进行照明，后者比前者的效率高3-4倍。将太阳光引入地下车站直接 照明是一种返璞归真的作法，可以改善城市居民的舒适乘车环境，提高城市品 位。

中国的地下车站大多采用LED(light-emittingdiode发光二级管)照明，不 论是郭建明的“地铁照明专用铝合金电缆”，还是李明奎等的“用于地铁照明的 LED灯带”以及王洪的“一种用于地铁照明的大功率LED面板灯”，都是为了改 进和提高地铁电力照明的成本。对于照明需求量大的地下空间，电照明消耗能 源多，有学者对太阳光地下照明进行相应的设计和研究，例如SimoneC. Molteni等人设计的适用于地下的利用太阳光照明的方法，由多次镜面反射将太 阳光导入地下和通过光导管将光引入地下进行照明；B.Bouchet等人根据地下 空间采光标准计算了地下空间使用太阳光照明的设备间距，测试了各类太阳光 收集装置的效率；J·A·霍夫曼等人的专利“用于光导管照明系统的安装组件及光 导管照明系统”，改善光导管照明系统的防热；梅屹峰等人的专利“基于物联网 的自然光、电力混合照明系统”，利用菲尼尔透镜和光纤将太阳光引进室内与电 力进行混合智能照明；刘克迅的专利“太阳光照明导光系统”，直接利用太阳光 进行照明；王志成的专利“一种太阳光照明系统”：采用凸透镜聚光，用光纤作 为导光管照明，阴雨天并采用电灯补偿照明；王志强的文章“地铁工程采用光导 照明系统的可行性研究”论述了地铁采用光导照明的优越性，计算了相关的节能 减排功能；宁铎等的文章“CPV-LED隧道加强照明系统及智能调光方法研究”， 利用太阳光的跟踪装置，在菲涅儿透镜的焦点处放置一个太阳光伏电池，直接 驱动LED对黄山玉台隧道进行照明；国内也有一些生产太阳光直接照明的公司， 如北京东方风光新能源技术有限公司、苏州中节能索乐图日光科技有限公司、 盛旦节能技术(北京)有限公司、北京唯日康新能源有限公司、南京帅瑞科技 有限公司等等专门研发生产光导照明系统的公司。中国采用太阳光照明的一个 典型实例就是北京第29届奥运会场馆之一的北京科技大学体育馆，设计师在该 馆安装了148个直径为530mm的光导管用自然采光，较好解决了采光问题，增 加了场馆的特色。

在设计安装照明灯具的数量和布局时将根据《地下铁道照明标准》(GB/T 16275-1996)的照度标准，以保证照明环境的照度符合国际照明委员会 (InternationalCommissiononIllumination,CIE)标准要求。根据规范要求，大多 地下站厅的照度标准为200lx，对应的照明功率密度为12W/m²，照度均匀度不 小于0.7；站厅站台设计照度为150-200lx；人们停留较长时间处的站厅售票区、 站台等候区可提高照度到200-250lx；对于通过性空间，降低照度为150lx使人 感觉不适，从而加快步行；车控设备空间的照度设计为300lx，如车站综合控 制室、站长室、AFC(AutomaticFareCollection)票务室、通信和信号机械室、会 议室、环控和电控室等，有办公活动及管理设备的文案台面等部位照度应适当 提高，以满足运营管理需要；管理人员不常停留仅仅为了检修的泵房区域照度 可以设定150lx；出入口的照度设定为350lx，用以消减室内室外的视觉差距。

鉴于上述专利、文章和产品，目前还未见将太阳光引入地下车站进行直接 照明、兼顾通风与显示功能的相关专利。本发明专利根据地下车站建筑结构和 形状的照明特点，提出将光导管和光纤两种传光器件紧密结合，酌情使用，兼 顾地下车站的照明和通风功能：光导管的直径较大，且光导管做成套筒形式， 内径导入太阳光，外径作为地铁的通风，建筑成本相对较高，但效果明显；光 纤的直径小、柔性大，可以埋到墙内或延伸到需要照明的位置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种地下车站的太阳光混合照明系统，以解决地下 车站常年照明用电的能源问题，本发明通过太阳光利用光导管与光纤混合导入 地下车站进行直接照明：利用口径较大的光导管导入太阳光对多层地下车站的 较上层位置直接照明、利用易于变形的光纤将太阳光导入对多层地下车站的较 下层位置直接照明，并合理利用光导管与光纤的组合系统，满足地下车站的照 度要求，实现地下车站的照明效果；

本发明的目的，也为了利用光电管的口径比较大，同时解决地下车站的通 风问题而设计了光导管同时兼顾地下车站的照明与通风功能的套筒装置；

本发明的目的，也为了解决目前太阳跟踪系统的精度低问题而设计了光纤 导入太阳光的动态、静态太阳跟踪系统，实现高精度的太阳跟踪。

本发明提出一种地下车站的太阳光混合照明系统，包括光导管、套筒、光 纤、直接照明装置、继电器和控制器、动态太阳跟踪装置和静态太阳跟踪系统， 其中：

套筒自上而下伸入地下车站，光导管插入套筒内，太阳光利用光导管与光 纤混合导入地下车站进行直接照明，所述光导管采用口径较大的管子，利用口 径较大的光导管导入太阳光对多层地下车站的较上层位置进行直接照明，利用 易于变形的光纤将太阳光导入对多层地下车站的较下层位置进行直接照明，合 理利用光导管与光纤的组合系统，满足地下车站的照度要求，实现地下车站的 照明效果；套筒与光导管之间留有间隙，所述间隙为地下车站的通风通道；

所述直接照明采用第一菲尼尔透镜、滤光透镜、散光装置、照度传感器、 控制器实现，太阳光垂直照射到菲尼尔透镜上，在菲尼尔透镜的焦点附近放置 滤光透镜，将太阳光中的红外光谱过滤掉，太阳光汇聚在菲尼尔透镜的焦点， 进入第一光纤的一端，通过第一光纤的传光，在第一光纤的另一端链接散光装 置，进行太阳光的直接照明；在地下车站的合适位置安装有LED灯具，并在适 当位置安装照度传感器，所述照度传感器链接控制器；

所述动态太阳跟踪装置由第二菲尼尔透镜、云台和太阳跟踪传感器系统组 成，所述第二菲尼尔透镜固定在锥形喇叭口上，锥形喇叭口固定于云台上，云 台由电机控制，云台的侧面装有太阳跟踪传感器系统，所述太阳跟踪传感器系 统采用光敏电阻，采用光敏电阻传感器实时感应太阳的位置，让第二菲尼尔退 静实时聚焦太阳，四只光敏电阻通过不透明的十字交叉隔板分隔，组成光敏电 阻传感器模块，光敏电阻传感器模块的顶部受光面安装一个滤光衰减片，确保 所接收的太阳光的照度在光敏电阻量程范围以内，太阳光汇聚在第二菲尼尔透 镜的焦点处；

所述静态太阳光收集系统为半球太阳光收集器，所述太阳光收集器包括第 三菲尼尔透镜、半球状外壳，所述半球状外壳上分布着不同趋向的第三菲尼尔 透镜，用于收集不同方向入射的太阳光，每一个第三菲尼尔透镜的焦点位置对 应固定有一根第二光纤，所述光纤用于传输聚焦后的太阳光。根据地下车站的 照明实际需要，第三菲尼尔透镜的口径可以根据需要选择。

本发明中，当地下车站内照度高于200lx时，采用太阳光照明，当照度低 于200lx时，控制器控制灯具实现LED电力照明。

本发明中，光导管导的数量和导入地下进行照明的布管根据实际需要确定。

本发明中，所述第一光纤可采用石英玻璃光纤、树脂光纤或阶跃型聚合物 光纤等中的任一种。

本发明中，安装的光导管和光敏的个数通过下列计算得到：

(1)菲尼尔透镜对太阳光的通量计算：

假设射入菲尼尔透镜前的光通量为Ф₀，透出的光通量为：

Φ＝τ^m(1-α₀)^∑dΦ₀

其中τ为透射率，τ＝1-ρ，ρ为反射率，m为镜面个数，α₀为吸收率，d为透镜 的厚度；

(2)光纤传光损耗的计算：太阳光通过光纤传光时，光线被吸收而衰减损 耗。直光纤传输损耗系数为：

${\alpha }_1\left(\lambda \right)=\frac{10}{L_2-L_1}\lg \frac{P_1\left(\lambda \right)}{P_2\left(\lambda \right)}$

其中：α(λ)是对不同波长光纤的传输损耗，单位为分贝(dB/km)，λ是波长， L₁和L₂时光纤截面距起始点的长度，单位km，P₁和P₂是L₁和L₂处两截面的 光功率。鉴于光纤通过建筑埋管有可能被弯曲进入地下车站照明，弯曲光纤的 损耗系数为：

α₂＝Ae^-Br

其中：r为弯曲光纤的曲率半径，A和B为待定系数，均与光纤的纤芯直径、包 层直径和相对折射率差等参数有关。将光纤弯曲用于地下车站的照明系统，在 施工之前需对选用的光纤在实验室要进行损耗测试；

(3)单根光纤传光对地铁的局部照度的计算：太阳光利用光纤的散光装置 进行直接照明时，可把光纤散光处看成点光源，点光源所张的立体角为：

Ω＝πR²/h²

其中：R是所照亮圆面的半径，h是光纤出口处太阳光散光装置的照明高度。光 纤出口的太阳光看成点光源所产生的照度为：

E＝I₂cosξ/h²

其中：ξ为竖直线和光线能到某点连线之间的夹角；以光源为中心的不同圆周 范围内的照度E与半径R的关系，随着半径R的增大，亦即ξ增大，则照度逐 渐降低；

(4)多根光纤传光对地铁的平均照度的计算：利用光纤出口进行散光照 明，多根光纤的平均照度利用经验公式法来确定室内工作面的平均照度值：

E_av＝Φ·N·Cu·k/S

其中：E_av是平均照度，Φ是单个灯具的光通量，N是灯具个数，Cu是空间利用 系数，k是维护系数，S是照明面积。以上经验数据值的精确计算需由公司书面 提供相关参数。例如地铁照明取E_av＝200lx，一般情况下Cu＝0.7、k＝0.8和照明 面积S来确定的灯具个数N和菲涅尔透镜的口径大小。

本发明中，所述控制器链接继电器，控制器利用Arduino主控板根据 BH1750照度传感器采集的信息，通过继电器控制电灯照明的开关，来调节室内 的照度；对地下车站的不同照明空间，分别设计相应的照度阈值，当太阳光的 照度达不到这个阈值时，系统会用控制继电器自动切换为LED电力照明。

本发明中，为保证地下车站完整、流畅的照明，当室外太阳光不足、阴天 或夜晚，不能用太阳光直接照明的时候，通过太阳光照明和LED照明自动补偿 切换实现。

本发明中，用不透明的十字交叉隔板将四只光敏电阻传感器隔开，四肢光 敏电阻尽量靠近隔板的中心；工作时，四个传感器独立监测光照数据，通过控 制器运算合成得到云台电机跟踪转动的方向与时间；四只光敏电阻及十字交叉 的隔板整体用一个黑盒密封，只在接收太阳光的端面透光；

所述滤光衰减片选择透过率为1％的光衰减装置，就可以让光敏传感器精确 地感知太阳，为此选择黑色的电焊镜片作为遮光片，能过滤掉大部分太阳光， 且镜片的透过率效果可以选择，同时因为镜片是玻璃制成的，耐用性较好，而 且材料易于得到，容易加工。

本发明中，所述太阳跟踪系统的算法设置有跟踪阈值，可以保证当对准太 阳时，装置静止下来，避免过多抖动；同时又能快速响应太阳方位的变化，及 时跟踪上太阳。由于滤光装置的加入，当没有太阳的时候，各个光敏电阻接收 到的光照强度值都比较小，取差值后就小于设置的阈值，也能保证在没有太阳 的时候设备停止跟踪，提高了装置的稳定性。

本发明中，提出将光导管设计为同时兼顾地下车站的照明与通风功能的结 构，所述光导管套筒内部是中空的，用于导光照明；所述光导管与外壁之间是 空隙，用于地铁的通风通道。这种内部导光、外部通风的套筒结构便于安装、 施工和节约成本。

本发明的有益效果：利用光导管的室外采光装置，晴天利用光导管对地下 车站进行太阳光的直接照明，并兼顾设计光导管用于地下车站的通风功能，提 高照明的工作效率，节约能源；利用菲涅尔透镜聚焦太阳光并用光纤将太阳光 引入地下车站照明过程中，设计了动态和静态太阳跟踪系统，尽可能保证太阳 光跟踪精度。

附图说明

图1是本发明的利用光导管和光纤将太阳光导入地下车站直接照明的设计布局 图；

图2是本发明中的太阳光利用光纤传到地下车站直接照明的示意图；

图3是本发明中的通过光纤导光的动态太阳跟踪装置示意图；

图4是本发明的动态太阳跟踪器上的光敏传感器安装图；

图5是本发明的通过光纤导光的静态太阳光收集系统；

图6是本发明的光纤出口处的太阳光照度计算示意图；

图7是本发明的太阳光-LED照明自动补偿切换流程图；

图中标号：1为光导管，2为外壁空间，3为上下端面，4为灯具，5为太 阳跟踪与收集罩，6为太阳光，7为第一菲涅尔透镜，8为滤光透镜，9为第一 光纤，10为散光装置，11为照度传感器，12为控制器，13为锥形喇叭口，14 为光敏传感器外形，15为云台，16为固定在锥形喇叭口上的第二菲涅尔透镜， 17为光敏电阻，18为隔板，19为滤光片，20为半球状的第三菲涅尔透镜，21 为第二光纤，22为半球状外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：本发明设计的光导管和光纤引入太阳光的地铁照明系统，包含 3种混合照明特征：地下车站用光导管与光纤导入太阳光的照明混合、光导管 照明与通风的混合、光纤导入太阳光照明的动态和静态太阳跟踪系统的混合。

图1中，将光导管整个结构设计成套筒形状，内部导光、外部通风，光导 管连通地上与地下，将地面的太阳光传输到地下，实现地铁车站的上层空间照 明，在光导管1的上下端面3用玻璃或透明塑料密封起来，保证光导管内部的 清洁，获得较好的传光效果；在光导管和外壁空间2之间有空隙套筒，用于地 铁的通风通道；对于地铁下层的照明，采用第一菲涅尔透镜将太阳光聚焦后的 5通过光纤传输太阳光到地下照明；当室外阳光不足的时候，利用地铁站内安 装的灯具4进行智能补偿照明。

图2是太阳光利用光纤传到地下车站直接照明的示意图。太阳光1垂直照 射到第一菲涅尔透镜2上，汇聚在第一菲涅尔透镜2的焦点，再经过滤光透镜 3，将太阳光中的红外光谱过滤掉，减小光纤端面的发热，光线汇聚后进入光纤 4，通过光纤的传光，在光纤的另一头安装一个散光装置5直接进行照明。在照 明的适当位置安装照度传感器6，监测地下车站照明的照度范围，通过控制器8 来调节，当地铁站内照度高于200lx即用太阳光照明，低于200lx时切换为 LED电力补偿照明7，达到均匀照明要求。

图1中由于光导管直径较大，用光导管将太阳光导入地下进行照明，其照 度、亮度将不受条件限制，只需合理安排光导管的数量和导入地下进行照明的 布管，同时兼顾地铁的通风特征。

图1和图2中，根据地铁所建位置的太阳高度角、方位角、时角、赤纬角、 日照时间，需要合理选择太阳跟踪系统，让太阳垂直照射在第一菲尼尔透镜上， 在其焦点处用光纤将太阳光导入地下车站，利用散光装置进行太阳光的直接照 明。

图1和图2中，鉴于光纤的种类很多，但用于传导太阳光直接照明的光纤， 可用石英玻璃光纤、树脂光纤、阶跃型聚合物光纤等，价格不同，使用效果也 不同，大芯径石英光纤的传光效果好，但容易折断，适用于不弯曲的地方传光； 树脂光纤，可以弯曲，能将太阳光引到需要照明的地方；大芯径端点的阶跃型 聚合物光纤，其芯材是透明聚合物或透明有机物，皮层为氟塑料，外层包裹着 抗老化、抗紫外线、耐候性好的黑色聚氯乙烯PVC(Polyvinylchloride polymer)材料，具有优异的机械性能和耐老化性能，该光纤具有使用寿命长、 范围广、柔软、可随意弯曲、造型、防水、防紫外线等特点，所以本发明图2 中所选用的光纤4可以根据需要选择利用。

图3是一个动态的太阳跟踪装置，第二菲涅尔透镜16固定在锥形喇叭口 13，在第二菲涅尔透镜16的焦点处太阳光进入光纤9，锥形喇叭固定在云台15 上，云台15侧面装有动态的太阳跟踪传感器系统14。第二菲涅尔透镜口径的 大小直接决定着光纤出光端的照度和范围，需合理选择第二菲涅尔透镜的口径。 图3的动态太阳跟踪器传感系统14采用图4所示的光敏电阻17作为传感器来 跟踪太阳，传感器实时感应太阳的位置，让第二菲涅尔透镜实时聚焦太阳。

图4的四只光敏电阻17采取的安装方式：用不透明的十字交叉隔板18将 四只光敏电阻17隔开，四只光敏电阻17尽量靠近隔板18的中心。在整个模块 的顶部受光面安装一个滤光衰减片19。工作时四个传感器独立检测光照数据， 通过控制器运算合成得到云台15电机跟踪转动的方向与时间。四只光敏电阻以 及十字交叉的隔板整体用一个黑盒密封，只在接收太阳光的端面透光。考虑到 正午太阳光过强，会达到数十万lx甚至几十万lx，超出光敏电阻的量程，所 以在整个模块前透光端面装一个遮光片19，确保所接收到的太阳光强照度在量 程范围以内，选择透过率为1％的光衰减装置就可以让光敏传感器精确地感知太 阳，为此选择黑色的电焊镜片作为遮光片，能过滤掉大部分太阳光，且镜片的 透过率效果可以选择，同时因为镜片是玻璃制成的，耐用性较好，而且材料易 于得到，容易加工。

图5是静态的太阳光收集系统，在地铁的地上空间安装如图5所示的半球 状太阳光收集器，半球状外壳22上分布着不同朝向的第三菲涅尔透镜20，用 于收集不同方向入射的太阳光，在每一个第三菲涅耳透镜20的焦点位置对应固 定着一根第二光纤21用于传输聚焦后的太阳光，所有的第二光纤都将太阳光传 输到地铁的地下空间用于照明。根据用于地下车站的照明功能，第三菲涅尔透 镜的口径可以根据需要选择。

图6是第一光纤出口处的太阳光照度计算示意图。

图7是太阳光-LED照明自动补偿切换流程图，按照图7所示进行太阳光照 明与LED补偿照明的自动切换。