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[2]

　　1.2 HSL系统

　　该系统的开发旨在完成美国的一项节能计划（该计划预计截止2020年，节约超过5亿美元和30亿度电力）。由此开发的HSL系统包括主动式太阳光收集器、光纤传输、太阳能电池和常规电力。整个系统的研发和应用在美国3M公司、Sandia国家实验室和Oak Ridge国家实验室等机构中进行。

　　与Himawari系统类似，HSL系统的太阳光集光器是一组双轴日定位跟踪装置，它的主镜面设计为碗碟状用以反射汇聚太阳光进入该碗碟状焦距处的二级光学系统（SOE）。二级光学系统选择了一种冷光镜，可以分离入射光的可见光和近红外光。冷光镜通过分离反射可见光部分至一系列核心半径较大的光纤，光纤组设置于集光器的中央部位（图2）。红外光则通过冷光镜透射进入光电池组件，由于光电池对于红外波段的光线最为敏感，这种方式可以更大程度上为光电系统提供电力[3]。

图2 HSL系统的集光器。资料来源：www.hsllighting.com

　　基本的光线传送部分是由8根光纤组成，每根光纤的直径为18mm。如图3所示8根光纤端口形成直径54mm的圆形组件位于集光器中央。光纤的具体应用数量与尺寸取决于所使用的碗碟状主镜面尺寸。

　　内部照明器采用复合式，即人工光源和天然光组合，人工光源与光纤出光端共同设置于散光器内。当太阳低于地平线或者阴天情况下，启动人工照明。人工光源与天然光的良好混合主要取决于人工光源的光色和散光器的设置。HSL系统开发了两种不同的光散射技术使得光纤终端的发光形式与普通的圆柱荧光灯管类似：（1）采用圆柱形的散光条（直径2.54厘米）设置于传统灯具内，另一端连接光纤终端，不足之处在于散光条的效率仅为50%；（2）采用丙烯酸棱镜散光装置，这个光线散出组件有微光学棱镜结构形成的直径15厘米的散光器，其效率理论上可以达到90%。[4]为了确保照明水平的稳定，该系统配以一套准确的控制器，即使在云层暂时性的遮挡阳光时，控制器也可自动根据天然光条件调节人工光源的强度，控制器同时也可以直接手动开闭调节控制。

　　结合整体系统集光、传光和散光中各个元件（主要为主镜面、二级光学系统、光纤入口、光纤传输和照明器）的效率考虑，HSL系统对于单层建筑应用的综合系统效率约为50%，对于二层建筑应用的综合系统效率约为30%~35%（受光线分配、光纤长度的影响）。当2平米面积的集光器接收到100000lx的天然光时能够分别为一层建筑和二层建筑传送100000lm和60000lm的光通量，假设90平米的房间平面能够均匀的光线分配，系统能够分别提供给一层建筑和二层建筑1000lx和650lx[5]。

　　目前该系统已有效应用于美国加州的Sacramento办公建筑、德州的沃尔玛超市商业建筑等项目中，其节能效果明显。例如，德州McKinney的沃尔玛超市应用了HSL系统，主要安装于电器专卖的空间内，并采用点投光的方式，解决了该空间无法增设天窗而改进节能和照明的问题；荧光灯作为整个空间的辅助光源，根据天然光的条件进行自动控制。从2007年3月至今，该超市在HSL系统运行下进行了能耗监测和性能分析，其中2007年9月HSL系统带来了超过50%的节能效果[6]。