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隧道中光纤照明的应用
南京春辉科技有限公司 联系人: 陈强(部门主管) TEL: 025-85017659 85017601 13057610573 EMAIL: CHEN-AAA@163.COM
一、 隧道照明的概述
隧道与公路一样都是车辆行使的交通道路,根据设计要求,100米以上的隧道必须有照明,而且必须安全可靠,方能使车辆高速顺畅通过.全国公路隧道达1972处、83.5万延米.而且每年均在不断增长,据2002年交通基础设施发展统计公报显示,2002年底比上年末增加190处、13.1万延米.其中特长隧道21处、7.59万延米,比上年末增加3处、1.03万延米.其他隧道情况分别为:长隧道194处、30.52万延米,中隧道657处、33.02万延米,短隧道1100处、12.38万延米.如此众多的隧道,需要大量的照明器具来装备.而目前普遍采用的高压钠灯虽然价格便宜,但是其节电和维护方面的缺陷也难以克服.
目前光纤在隧道中的照明国内还未出现应用.而在欧洲和美国,一些地铁隧道中已经采用了光纤照明,例如美国麻萨诸塞州波士顿(Sumner and Callahan Tunnel lighting. BOSTON, Massachusetts)的10000多英尺的隧道部分采用光纤照明代替常规灯具,并达到了预想的效果.按照David Ruckert( CEO and president of FiberStars)的话说未来十年光纤照明将普遍应用于隧道照明中.另外光纤还在路标和道路引导方面有更多应用,如美国的旧金山就采用了光纤作为路标和指示牌.为什么光纤在国外的这个领域应用有着很好的前景呢?节能、高效、安全、维护费用低的绿色照明正在越来越多的被人们认可和接受.
据陈良惠院士透露,世界能源正面临危机,按目前的开发速度,煤炭仅可供应169年,天然气仅可供应65年,石油仅可供应到2050年.而中国的能源形势更加严峻,据《1997年世界能源统计评论》估计,中国的煤炭在88年内、石油和天然气资源分别在20.2年和49.3年内都将面临枯竭.与此同时,2003年我国已出现24个省市拉闸限电.而在今年,用电紧张的形势进一步恶化,电力紧张已经成为制约国家经济发展的重大障碍.况且,火力发电更是污染巨大.环保用电将是大势所趋.中国已是仅次于美国的第二大发电大国,据统计,2003年,全国发电量为1.91万亿千瓦时(度),其中约80%为火力发电;我国的火力发电每年需要燃烧大量的原煤和石油,同时产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫等气体,造成严重的空气污染和环境污染.而减轻发电污染,保护环境越来越被世界各国所重视.虽然我国已开始开发太阳能、风能、地热、核能和水力发电等绿色能源,但大多资金投入较大、所需时间较长.例如三峡工程,1994年正式动工,总工期17年,全部完建约需要20年,全部静态投资1000亿元,动态投资2000亿元,建成后年发电量846.8亿度.即便如此,三峡工程也仅仅使得我国能源紧张的形势得到部分缓解,不能完全从根本上解决问题.所以更加节能、高效和环保的利用有限的电力资源变成为了当务之急.
二、国外隧道照明工程的简介
在美国,连接萨姆勒(Sumner)和卡拉罕(Callahan)的隧道中已经设计并采用了全新的光纤照明方式来取代传统的照明灯具.这条隧道是连接罗根国际机场(Logan International Airport)主要高速公路.这完全是一种全新的设计理念,它既满足了隧道照明中防震的机械强度要求,又可以保持长效的使用寿命和维护途径,充分的结合了隧道照明中的各项技术要求.
SUMNER AND CALLAHAN TUNNEL LIGHTIN
BOSTON, MASSACHUSETTS
由于这是一种全新的设计,它也为一种叫照明导航(Light Guides)的新技术提供了示例,该项技术主要适用于隧道这一特殊环境中.照明导航采用的是同光导纤维相似的工作方式.在一段特定的区域先进行试验,经过一年的跟踪测试和数据分析表明,这种方式完全可以经受住隧道中的防震要求,同时其防水性能和耐腐蚀性能也完全符合需要.随即便签订了合同,把这一重要的照明手段推广至整个隧道中.
这套照明系统的设计部门IESNA Roadway Lighting Committee最先得到了IIDA International Award for Outstanding Achievement in Lighting Design 和the Roadway Lighting Design Award同时承认.并将其推广至其他隧道中的照明工程.
由此可见,聚合物光纤这一新型、高效、绿色的照明方式在隧道照明领域一定有其广阔的市场和应用空间.作为经济正在高速发展的中国,这一先进的照明方式也一定会被广泛的接受和应用.
三、 聚合物光纤的传光原理及其特性和应用
在照明技术中,光纤照明是一枝独秀的照明新技术.由于它具有光的柔性传输,安全可靠.所以广泛地应用于工业、科研、医学及景观设计中,并在国内外市场中已形成各类产品.
光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成,如图一所示.
图一
当光源通过反光镜后,形成一束近似平行光.由于滤色片的作用,又将该光束变成彩色光.当光束进入光纤后,彩色光就随着光纤的路径送到预定的地方.
由于光在途中的损耗,所以光源一般都很强.常用光源为150~250W左右.而且为了获得近似平行光束,发光点应尽量小,近似于点光源.
反光镜是能否获得近似平行光束的重要因素.所以一般采用非球面反光镜.
滤色片是改变光束颜色的零件.根据需要,用调换不同颜色的滤光片就获得了相应的彩色光源.
光纤是光纤照明系统中的主体,光纤的作用是将光传送或发射到预定地方.光纤分为端发光和体发光两种.前者就是光束传到端点后,通过尾灯进行照明,而后者本身就是发光体,形成一根柔性光柱.
对光纤材料而论,必须是在可见光范围内,对光能量应损耗最小,以确保照明质量.但实际上不可能没有损耗,所以光纤传送距离约30m左右为最佳.
光纤有单股、多股和网状三种.对单股光纤来说,它的内径为Ф6~Ф20mm.同时又可分为体发光和端发光两种.而对多股光纤来说,均为端发光.多股光纤的直径一般为Ф0.5~Ф3mm,而股数常见为几根至上百根.
数百年来科学家曾不断努力,利用透镜和反光镜等光学元件来无限次的改变光的传播方向.而光纤照明的出现,正是建立在有限次的改变光线传播方向,实现了光的柔性传播.正如圆弧经无数次的分割后成直线一样,光纤照明正是以无限次反射后,光线就随光纤的路径传送,实现了柔性传播.但是光纤照明的柔性传播,并没有改变光线直线传播的经典理论.
光纤照明的特点
1、光线柔性传播
从理论上讲,光线是直线传播的.然而因实际应用的多元性,总希望能方便地改变光的传播方向.光纤照明正是满足了这一要求.这是光纤照明的特点之一.
2、光与电分离
在传统照明中,都是由光源将电能转换成光能直接得到的,光与电是分不开的.但电有一定的危险性,所以很多场合都希望光与电分开,排除各种隐患,确保照明的安全性.所以光与电的分离是光纤照明的特点之二.
四、光纤照明系统的构成
光纤照明系统经通过长期的应用和完善,大部分已实现了产品化.
采用聚合物光纤POF进行光纤照明的优点如下:
1、 POF柔软,加工性能很好,可根据现场安装要求自由更改,具有很好的可操作性;
2、 POF传光束可任意设定照明角度和形状,光纤发光端头的体积小,可在狭窄的地方实施照明和安装,设计自由度高;
3、 POF具有较大数值孔径,同光源装置耦合效率高,使得整个系统节能高效,是新兴的绿色照明方式;
4、 POF损耗已明显降低,其在570nm处的损耗在100-300dB/km之间,高效传输可见光,对人体和被照物体造成伤害的红外线和紫外线可以被隔除.有效的防止眩光等对人眼的危害.同时即使是对对艺术品和历史文物照明也不会造成任何危害;
5、 POF输出光色变换丰富,可选用特定波长照明,可传送红色光、绿色光、蓝色光和黄色光等,实现连续不间断变色;
6、 光纤发光部同其光源隔离,光纤传光不导电,光纤照明是发光部不带热量及不带电的安全照明系统;
7、 POF本身无需维修,系统的维护维修等费用很低,光纤照明系统具有极好的耐久性,减弱系统内的电磁干扰,简化仪表板布线;
8、 光纤的防水、耐腐性能优异,完全满足在隧道等特殊领域的应用.
9、 光纤的使用寿命长达30年.
经试验测试光纤的配光曲线如下:
空气中垂直测试
光纤:Φ16,18米
半径:R=1米
最终数据:
角度 左 右
照度E(lux) 光强I(cd) 照度E(lux) 光强I(cd)
90Ο 652 652 652 652
80Ο 620 620 636 636
70Ο 388 388 420 420
60Ο 140.9 140.9 114.2 114.2
50Ο 19.6 19.6 12.9 12.9
40Ο 4.4 4.4 3.3 3.3
30Ο 2.5 2.5 2.2 2.2
20Ο 2.1 2.1 2.0 2.0
10Ο 2.1 2.1 1.9 1.9
配光曲线图:
空气中水平测试
光纤:Φ16,18米
半径:R=0.5米
最终数据:
角度 左 右
照度E(lux) 光强I(cd) 照度E(lux) 光强I(cd)
90Ο 2840 710 2840 710
85Ο 2800 700 2710 677.5
80Ο 2620 655 2610 652.5
75Ο 2280 570 2260 565
70Ο 1780 445 1690 422.5
65Ο 1091 273 1004 251
60Ο 548 137 529 132.2
55Ο 180 45.0 202 50.5
50Ο 64.0 16.0 66.5 16.6
45Ο 26.2 6.6 29.3 7.3
40Ο 13.6 3.4 15.0 3.8
35Ο 9.0 2.2 9.3 2.3
30Ο 6.5 1.6 6.4 1.6
25Ο 4.9 1.2 4.9 1.2
20Ο 4.1 1.0 3.9 1.0
15Ο 3.3 0.8 3.3 0.8
10Ο 2.5 0.6 2.8 0.7
配光曲线图:
四、 聚合物光纤在隧道照明中应用的优势
国内传统的隧道灯大多采用的是高压钠灯,长期使用出现的主要问题如下:
1、灯具安装在隧道的顶部弧顶附近,车辆经过时引起的震动比较严重,极易引起高压钠灯的损坏;
2、虽然高压钠灯的寿命比较长,但是由于其配件易老化损坏,使得整个灯泡的寿命也随之变短;
3、隧道灯需要24小时工作,电灯线路在隧道的环境中不间断的工作必然会出现更多的损坏;
如在盐田坳隧道中的有800多只高压钠灯,电工几乎每天都要对高压钠灯进行维修更换,每个月则要固定更换一批灯泡,有时刚换的灯泡第二天又要再换,业主吃不消如此高的维护费用,而且在进行维修的时候也面临很多问题.灯具安装在隧道顶部附近,更换的时候不方便操作,线路方面的检修也一样,一旦需要大批量的维修,必定要关闭隧道,导致整个交通系统瘫痪.
目前我们也正在尝试使用光纤等其他节能、易维修的灯具代替现在的隧道灯具,光纤的运用能够有效地改变了传统照明方式的不足,它节能、高效、安全、维护费用低,是高效节能的绿色光源.
光纤用于隧道照明主要有以下几个优势:
1． 节能性:由于光纤照明系统采用的是高效率的进口金属卤化物灯泡作为光源,同等照明效果其对电能的消耗只是原用高压气体灯的10%.而光纤作为传光介质,它的定向性也是普通照明灯具所不能达到的.所以在有限的空间内,光纤可以更好的对所需位置进行照明.
2． 自然性:光是人的眼睛最敏感的物质,自然光是人眼所习惯的光线.光纤作为新兴的传光介质,已经成为“绿色照明”领域的中重要的一员,.它的光谱均匀分布,显色性高(即色彩还原好),光色平均柔和,滤除了大部分的红外线和紫外线,有效的防止眩光的现象发生.它是最为接近自然光的光源,也就是最为人眼所接受的光源.现在常常强调的“以人为本”就说明了,无论从理论上还是实际效果上看,只有最适合人的眼睛的照明灯光才是最好的灯源.盲目的追求高亮度不仅增加不必要的投入,还是对国家有限电力资源的极大浪费.
3． 科技性:最为新型传光材料,它的科技性显得尤为突出.前面的例子已经表明,美国、欧洲等国家已经提前一步在隧道照明领域取得了突破,高速发展中的中国应该同世界同步,以求取得领先地位.而且它电噪声极低,没有任何的声音污染.自带的散热系统也可以满足更恶劣的使用环境.
4．易维护性:照明系统是隧道工程中重要的组成部分,同时也是较为脆弱的系统之一,特别是维修和更换的成本太高并且影响隧道的正常使用,所以使用易于维护的照明方式就显得尤为重要.光纤照明系统就恰如其分的解决了这一难题,它的更换极为简易,只需要稍加培训的普通电力维修人员沿途对其更换即可,更不用关闭隧道,从根本上解决了这一问题.
根据光纤的特点以及配合隧道这一环境的使用,我们设计了以下结构的光纤隧道灯,安装示意图如下:
安装示意图
我们针对隧道中的特殊环境,结合光纤照明的特点做了以下试验:
利用金卤灯作为发光光源,对Φ17mm和Φ11mm光纤进行照度测试实验,
数据如下:
Φ17mm的光纤,长度10米,在离地面高5米,所测光斑直径约Φ5.8米处测的平均值照度值
长度(米)照度(lx) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.1 2.2
光斑中心照度 114
左边 114 113 112 110 110 108 105 104 102 102 98 91 82 69 55 48 42
右边 114 114 113 111 112 111 111 111 110 108 101 93 84 71 58 51 44
Φ11mm的光纤,长度10米,在离地面高4,所测光斑直径约Φ4.4米处测的平均值照度值
长度(米)照度(lx) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.1 2.2
光斑中心照度 71.7
左边 70.3 69.1 70.3 69.5 67.6 65.5 63.2 60.2 58.5 55.5 48.1 39.9 33.6 28.1 22.5 19.9 17.6
右边 67.9 66.4 66.4 61.2 58.3 55.1 51.5 49.1 45.1 39.7 29.3 19.6 12.6 7.8 5.5 4.6 3.7
以上数据充分表明了光纤隧道灯在实际应用中的可能性.它的各项技术指标已经达到了国家相关设计规范的要求,为后续光纤隧道灯在实际工程中的应用具有很高的参照作用.
五、光纤在能耗和经济上与常规照明用灯具的比较
普通隧道照明中的大多使用高压钠灯照明,通常隧道中间段的距离最长,根据这种状况,我们对两种灯具进行比较.
我们同样选择选择一条200m长的隧道,每10米布置一组灯具(即左右各一个灯具).
根据布置方案,两种灯具的安装费用比较如下:
名称 数量 单价(元) 总价(元)
高压钠灯(250W) 40 700 28000
光纤隧道灯(150W) 40 2000 80000
虽然光纤的初次投入比常规的高压钠灯要大,但是从耗电量上的比较则可以清晰的体现出光纤照明系统的节能性.
从隧道长时间的使用和维护的比较则可以更加具有经济性
由于光纤隧道灯本身就采用的是更加节能的150W金属卤素灯,再加上一台金属卤素灯可以带两个光纤灯头,就相当于每个灯头仅分摊到75W.
电费以0.5元/度计,隧道灯每天工作24小时,以十年比较其电费和用电量:
名称 每天用电量(度) 十年总用电量(度) 总电费(元)
光纤隧道灯 72 262800 131400
高压钠灯 240 876000 438000
从上述比较中可以看出,虽然光纤隧道灯的初次投入相对较大,但是在节能效率和总的电费开支上充分体现了光纤隧道灯节能高效的高科技产品的优势.
从简单的计算可以得出,前期的一次性投入在两年之内就可以收回,而且大大节约了国家的电力资源.
同时,由于光纤隧道灯本身功率总和只有同比高压钠灯功率总和的1/2到1/3,所以相应的前期设计及后期维护中配套供电系统的开支也只有普通高压钠灯的一半左右.
结合以上的经济分析可以看出,光纤隧道灯在不过多增加投入的基础上,充分达到了节能省电的效果,是理想的节能产品.
六、光纤在维护费用上的测算和比较
一般隧道是按照100年的使用要求进行设计制造的,作为隧道的重要组成部分且需要长时间使用的隧道灯,其维护和保养也成为了不可避免的工作.
在这个方面,光纤隧道灯比常规的高压钠灯的优势也很明显:
1、由于隧道的长时间震动,常规灯具很容易损坏,前面盐田坳隧道的例子很有力的证明了这一点,更换成为了一个首要难题.由于光纤隧道灯的光源设备安置在隧道侧壁,而光纤本身根本没必要在短期内更换,隧道灯内部的电气设备也使用的是进口部件,使得整个产品更加稳定、可靠.
2、灯具更换时,需要动用工程车,专业的电工人员以及相应的配套装置等,甚至某些大规模的更换需要关闭整个隧道,这无疑大大增加了后续费用.而光纤隧道灯的更换则有效克服了这一难题,更换时仅需要受过培训的普通电工沿隧道壁依次进行更换,根本不需要太大的投入,更谈不上关闭隧道,有效的解决了这一难题.
七、结论
光纤隧道灯作为新兴的隧道照明设备,它高效、节能的优势克服了传统灯具的不足,是未来隧道照明的趋势,在国外也已有了多方面的应用.高速发展中的中国应该紧跟世界的脉搏,同时努力发展自己的民族工业,扩大先进科技产品在各行各业中的应用.
目前,我国的能源、电力的供应正面临着严峻的考验,而且已经严重影响到了中国高速发展的经济.在这个重要阶段,除了努力扩大能源电力的供应之外,更加合理的使用高效、节能的产品也是有效解决这一问题的重要途径.光纤隧道灯作为新兴的隧道照明灯具,它有着巨大的发展空间和应用领域,同时我们也希望它的使用可以为国家的节能事业做出一份贡献.
我们认为,光纤照明灯在隧道中的合理使用有着广阔的市场前景,同时希望各界有识之士可以协助它的发展,让性能优异、高效节能的高科技产品奕奕生辉.
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