基于光导传输技术的主动式管式天然光导入系统应用研究综述[1]

（*本文为北京市自然科学基金资助项目（太阳光导入器提供北京地下空间照明的建筑光学关键技术，课题编号8083028））

　　[摘要]基于实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式三种光导传输方式，论文归纳总结了目前已经成熟的主动式管式天然光导入系统的系统性能和应用分析。
　　[关键词] 主动式天然光导入系统；实体核心式；空腔棱镜式；空腔镜面反射式

Application Research Overview on Active Tubular Daylight Guidance System Based on Light Transmission Technology
YUAN ZONGNAN  ZHANGXIN  ZHAN QINGXUAN

ABSTRACT：Based on three kinds of light transmission technology, they are solid core systems, hollow prismatic light guides and hollow mirrored guides respectively. Dissertation summarizes system’s performances and application analyses of active tubular daylight guidance system that is now a fully-fledged technology.
KEYWORDS：Active Daylight Guidance System; Solid Core Systems; Hollow Prismatic Light Guides; Hollow Mirrored Guides

　　按照集光方式将管式天然光导入系统分为主动式与被动式两种。目前国内外的应用和研究中，主动式集光是主要方向，本文主要探讨主动式集光类型的应用情况。

　　典型的管式天然光导入系统由三部分技术组成，包括外部集光器、光导传输装置、内部照明器，其中的关键技术组成部分是连接内外的光导传输装置，即所谓的光导管。根据现有的技术研究和实践积累，可将光导传输方法和技术分为四类，即光线透镜式（beam/lens systems）、空腔镜面反射式（hollow mirrored guides）、空腔棱镜式（hollow prismatic light guides）、实体核心式（solid core systems）[1]。在实际应用中，主动式集光结合实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式传输方式形成了几种较为成熟的综合系统，包括以光纤方式传输的日本“采光向日葵”（Himawari）系统、美国的HSL（Hybrid Solar Lighting）系统、德国的Solux系统；以空腔棱镜式传输的欧洲Arthelio系统；以空腔镜面式传输的瑞士Heliobus系统，柏林和马来西亚的定日镜（Heliostats）系统。

　　1　实体核心式传输的主动式系统

　　1.1 “采光向日葵”（Himawari）系统

　　该系统在70年代由Kei Mori教授研究并发展，其第一代产品在1979年出现。整个系统的集光部分采用GPS定位、凸镜组聚焦提升阳光照度、光纤导入、阳光自动跟踪系统[2]。集光器是由一组六角形的菲涅尔透镜排列组成蜂窝状（图1）。感光装置设置在集光器的中心位置，具有内部时钟和一组微型处理器用来跟踪太阳。当在天气较好的情况下，太阳感应装置能够准确的确定太阳的位置；当太阳被云层遮挡时，集光器会依靠内部时钟和微型处理器的计算调整方向，使得云层运动离开，不再遮挡太阳光时，集光器能够准确的定位太阳位置；当日落的时候，系统会根据时钟和处理器的计算自动转向日出的方向并关闭系统至第二天日出。[2]

图1 Himawari系统中最大的集光器。[2]

　　该系统集光器上每个菲涅尔透镜通过聚焦太阳光线导入连接的一根直径1毫米的光纤。几根光纤捆绑形成整个系统的导光传输部分。最小的组成是由6个菲涅尔透镜联合6根光纤，在此基础上形成12根、18根等组合方式。此外，光导纤维的入射端精确定位在紫红外线之间的可见光焦点上，通过物理距离差异定位将紫外线大幅度的拦截下来，经测试只有1/2160的紫外线进入室内。同时对太阳中的X、Y、Φ、β、γ、α等具有放射性的射线也全部进行了排除[2]，最终进入少量的紫外线、红外线和大量的可见光。

　　该系统应用数据记录中显示，当集光器接收98000lx的太阳光线时，每根大约15米的光纤在透镜的集光下能够输出1920lm的光通量。“向日葵”导入的阳光其照射覆盖范围的直径与距离的比例关系是1.1:1[2]。

　　Himawari系统对于强调光谱和热量控制的空间有较强的适用性，例如水族馆、光合细胞培养室。系统的标准机型为“6镜”、“12镜”、“36镜”三种，定单产品有“90镜”、“198镜”两种。对于运行和维护，Himawari系统相对维护简单且运行费用较低。例如，12眼“向日葵”一年用电约11度，集光部的透明圆罩用水清洗即可[2]。