专利名称：透射式太阳光隧道直接增强照明的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳光直接实现隧道照明的装置，具体涉及ー种能够通过透射式聚光直接利用太阳光进行隧道增强照明的装置。
背景技术：
对于公路隧道来说，除了必须安装昼夜照明系统保证基本照明亮度要求外，还有ー个很大的特点，就是汽车驾驶员特别要求隧道进出口一段距离内(简称亮度过渡区间)的亮度梯度(亮度变化率)必须限制在一定范围内，否则将会出现“黑洞”和“白洞”现象而造成事故，即在这个重要的也是最危险的区段内亮度(相比于外面环境亮度)是ー个相比于外面环境亮度的相对值而非绝对值；一旦经过这个亮度过渡区间后驾驶员已经适应灯光亮度的变化，驾驶员眼睛的视カ已经恢复正常后也就不存在上述问题了。例如汽车驾驶 员从中午太阳光很强(如60000LX)的公路上一旦以较高速度进入(光线较弱(200Lx)的)隧道内(200Lx)的很短时间内，由于亮度变化梯度太大，往往会引起驾驶员眩晕感甚至在短时间内失去视カ而发生事故。而在阴雨天，即隧道外面光线比较弱(如5000LX)的时候，对于相同或者更低的隧道内照明亮度，驾驶员则不存在上述问题。特别是这种情况的极端现象——夜晚，对于驾驶员来说，隧道外公路上的亮度相对隧道内部照明对于驾驶员来说，甚至是从光线暗处进入亮处，就根本不存在不适应问题。根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026. 1-1999)技术标准关于目前隧道照明系统中过渡区间的亮度设计要求，一般把隧道进出口分为入口区、过渡区、中间区和出口区等四个区段，并要求在进出口区根据隧道外面的亮度(太阳光强度)变化而自动调节照明光源的強度，以达到节省能源的目标。但是由于自动控制系统工作环境太差等原因而导致故障率高，其系统维修保养又有很大困难，所以实际工程中大部分仍然采用固定亮度照明方案即隧道过渡区的亮度梯度值必须小于夏天中午最強太阳光照射下的亮度梯度极限，这个极限数据显然对光照较弱的(于夏天以外的三个季节，特别是)冬天、阴雨天以及晚上来说，在亮度过渡区间照明光源就存在着能源浪费现象。综上所述，如果直接利用太阳光能实现隧道进出口处的增强照明，恰好能够满足这个要求。因此发明人先后申请了“ 201110258872. 4，ー种分光型阳光输送机”、“201210028758. 7，一种太阳光直接照明隧道装置”，虽然其太阳能利用效率明显提高，但是在制作成本和运行可靠性等使用性能方面仍然存在一定缺陷，从而阻碍了在其领域的推广应用。所以在此基础上进ー步寻找高效率利用太阳光能直接实现隧道进出ロ处的照明的方法及装置，对于节约能源和推广太阳能应用意义重大。直接利用太阳光进行隧道进出口增强照明装置在理论设计上比较完善的，但是在实际使用中因为其性能缺陷而制约了推广应用。主要是目前普遍使用的反射式抛物柱曲面太阳能聚光器由于本身存在着调光镜必然处于太阳聚光的光路中而直接影响到聚光的效率和均匀性；而且这种结构特点影响了其エ业产品化的实现，而利用菲涅尔透镜实现聚光时则调光镜处于聚光体的另ー侧，从而为聚光器的产品化生产创造了条件。另外，导光镜如何实现把汇聚后方向一直变化的平行太阳光实时顺利的导入隧道ロ设计区域，这些应用中的具体技术问题都需要有效解決。如果能够有效解决上述ニ个太阳光直接照明实际应用中技术问题，根据隧道迸、出口区段(40米左右)一般都呈直线性的具体特点以及平行太阳光在不用光导纤维或者光导管的情况下直接输送进隧道具有的损耗小、成本低的优势，采用更有实用价值的透射式菲涅尔太阳能线聚光器实现低成本汇聚太阳光并调整光路后以高亮度平行太阳光直接照射的方式实现太阳光高效率低成本的直接隧道过渡区增强照明，当然具有重大的实用价值，另外还能够有效解决由于山区崎岖复杂引起的出入口过渡段隧道拐弯的现实以及导光镜的自动跟踪技术。
发明内容
本发明的目的在于真正解决直接利用太阳光实现隧道增强照明装置反射式聚光器实际使用中存在的技术问题，利用菲涅尔线聚光透镜提供一种性价比更高的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，提高太阳光利用效率和可靠性、降低成本。本方法并不局限于透射式线聚光方式，而且同样适用于透射式点聚光的菲涅尔透镜聚光方式；另外，稍加改进，也能够实现反射式线(点)太阳能聚光器进行隧道直接太阳光照明功能。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括安装在隧道ロ亮度缓冲建筑上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜；所述的聚光器包括面向太阳的菲涅尔线聚光透镜，以及与菲涅尔线聚光透镜)具有同一个焦点的透射式菲涅尔调光镜，平行太阳光经菲涅尔线聚光透镜汇聚提高亮度后再经过处于后面的调光镜调整光路后成为高亮度的平行太阳光，然后直接通过导光镜定向传输到隧道上部空间，其中导光镜的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外处，其安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器的高度；在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜导入的平行太阳光均匀反射到隧道中各处路面上的反射薄膜。所述的聚光器还与极坐标式高精度跟踪太阳光线方向的系统的驱动输出相连接，且其中最前端的太阳光信号采集器安装于聚光器中菲涅尔线聚光透镜的平面上。所述的菲涅尔线聚光透镜与透射式菲涅尔调光镜具有棱的一面相互面对，被密封面封闭起来，平整一面朝外。所述的导光镜与自动导向装置相连接，以便自动的把不断变化方向的增强型平行太阳光顺利输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，但是由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgi3 = H/S，其中H为平行光的高度，S为隧道内输送的直线距离。所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜安装在该亮度缓冲建筑上。所述的若在隧道的入口段就存在拐弯的隧道，在隧道顶部侧面安装与导光镜相配合的、而且不需要配置自动跟踪系统的ー个(或者一組)平面导光镜，实现平行太阳光的相应拐弯并传输更远的距离。本发明针对反射式太阳聚光器存在的调光镜遮挡光路的同时还引起汇聚太阳光不均匀性以及无法制作成产品的技术缺陷，采用ニ个菲涅尔线聚光透镜配置高精度自动跟踪太阳光系统，有效实现太阳光汇聚以及再调整成高亮度平行太阳光的目标，然后再利用配置有自动跟踪系统的导光镜把太阳光安装设计光路高效率直接输送进隧道上部，并经过隧道顶部反射薄膜均匀的照明路面，从而实现了太阳光直接对于隧道进出口过渡段的增强照明的目标，而且透射式聚光器为产品产业化创造了条件，利用不锈钢皮封闭四周后，能够有效的防止聚光体和调光镜(菲涅尔透镜)凹槽灰尘集聚而影响其太阳光透过率的严重问题。
图1是本发明的整体结构示意；图2是隧道进ロ过渡段拐弯情况下本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进ー步详细说明。參见图1，本发明包括安装在隧道口上端的聚光器以及与聚光器相对应的导光镜2，所述的聚光器包括面向太阳的安装架以及固定在该安装架上的若干个平面菲涅尔线聚光透镜11，以及与平面菲涅尔线聚光透镜11具有同一个焦点并与处于聚光体安装架一体结构的菲涅尔线聚光调光镜12，但是使用方法和安装与聚光体刚好相反，例如如图中所示，ニ个菲涅尔透镜具有棱的一面相互面对，被周围密封面13封闭起来，只是平整一面朝外，从而保证使用期间有效防止ニ个菲涅尔透镜具有棱的一面的凹槽处积聚灰尘造成太阳光透过率的下降，大幅度提高了使用性能，而这是反射式太阳能聚光器无法实现的；聚光器的功能是把平行太阳光汇聚成增强后再重新反变成高亮度的平行太阳光。经平面菲涅尔线聚光透镜11以汇聚方式大幅度提高太阳光强度(十倍左右)，再经过菲涅尔线聚光调光镜12调整光路后成为平行光，然后直接输出到导光镜2，其中导光镜2相连接的自动导向装置中的反射太阳光信号采集器21 ( ー种高精度自动跟踪系统中的太阳光信号采集装置已经获得发明专利授权ZL200910254626. 4)独立固定安装于反射太阳光经过的截面上，且其光轴与设计的入射隧道的平行太阳光光轴平行；而其驱动部分与导光镜2在结构上组成ー体，驱动导光镜2在ニ维方向自动跟踪入射太阳光方向而把其顺利导入隧道平面菲涅尔线聚光透镜11的开ロ长度与调光镜的长度之比就是该聚光器的聚光比例L11/L12 ;而线聚光体与线调光镜的宽度相同，都为W。另外，调光镜12的宽度W取决于隧道的高度或者顶部弧度高度，其中导光镜2的反射光线必须与隧道入射太阳光方向相同且安装高度取决于在隧道口上部弧形区域与聚光器的高度；导光镜2与配套的自动跟踪装置相连接，且其自动跟踪中的太阳光信号采集器独立固定安装于隧道顶部或者太阳光缓冲建筑4的顶部，而且其光轴平行于理想入射隧道平行太阳光轴，其具体工作原理聚光器自动跟踪系统系统；另外还可以采用光敏电阻与单片机组合在一起来提供自动跟踪信号，具体是由光敏电阻提供太阳光信号从而开始自动跟踪，而自动跟踪的信号具体由单片机根据精度要求定期发出，但是其导光镜的法线的转动角速度为15/2 = 7.5° /小时即可。导光镜2将汇聚后的平行太阳光输导到与理想太阳光入射方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，以防止行驶于道路上的大型货车的遮挡，由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgi3 =H/S，其中H为平行光的光高度，S为隧道内输送的直线距离。所以导光镜2安装固定空间位置主要取决于聚光器和隧道入口处的高度。在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜2的平行太阳光均匀输导到隧道中各处路面上反射薄膜3。利用隧道顶部壁上喷涂的反射薄膜3把通过隧道顶部输送进来的平行太阳光直接以反射的方式均匀输导到隧道中各处路面上；从而实现太阳光高效率低成本的隧道进、出口处过渡区段太阳光直接增强型照明。本发明还在隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑4。功能之一是有效降低了汽车进入隧道时的亮度，相对减小了对隧道进出口处增强照明的強度要求；而且再把本系统的设计安装与之进行一体化统ー设计优化，在增加很小成本的情况下，既有效实现了过渡区亮度的缓冲功能，又方便了本装置系统中部件(聚光器)和2(导光镜)的安装施工，而且由于系统照明距离最短使得太阳光直接照明效率得到明显提高的效果。參见图2，另外，对于地形复杂，导致隧道在进出口过渡段就不得不形成弯曲形状的情况，为了能够同样实现太阳光直接增强照明功能，必须有效延长增强照明的直线长度，即在隧道顶部侧面安装与导光镜2相配合的平面导光镜20 ( ー个或者ー组若干个)实现平行太阳光的相应拐弯而传输更远的距离，但是此导光镜20不需要配置自动跟踪系统，具体參见图2所示的侧视图。对于南北方向的隧道来说，处于南面(对于地球北半球)入口处过渡区的太阳光直接增强照明系统直接安装于隧道ロ延长的透明建筑物上面，其主要优点是第一，最大限度减小了传输距离，有利于太阳光的输送效率的提高；第二，该透明建筑物已经有效的降低了入口处的亮度，减小了对增强照明组亮度的要求，第三，因为本装置直接采集太阳光进行隧道照明，所以本身就对具备自适应太阳光的特性。而对于北面出入口处的过渡区增强照明，依此不难推得，仅把导光镜的倾斜方向转动到垂直对称位置即可实现，具体过程不再叙述。对于东西方向或者其它任意方向的隧道出入口处的过渡区增强照明，因为上面所述的已经汇聚后再调整为平行的高亮度太阳光，所以可以根据需要在此基础上再増加ー个调整水平面上太阳光方向(角度)的平面反射镜即可。例如对于正东西方向的隧道，在此基础上直接再増加安装ー个在水平方向改变光路方向90°的反光镜即可实现把平行太阳光导向隧道进出口的方向。因为这种方法是在多年研究太阳能聚光应用、特别是隧道进出口处过渡区增强照明光源应用研究和应用的基础上反复研究基础上不断改进完善后制作完成的，其聚光器成本大幅度降低，系统整体结构更加简单，太阳光输送过程损耗进ー步减小，而且最重要的部件---聚光器由于采用透射式聚光，从而能够做成封闭式的产品，有效防止ニ个菲涅尔透镜非平面的凹槽处使用过程中积聚灰尘造成太阳光透过率的下降，大幅度提高了使用性能，而这是反射式太阳能聚光器无法实现的；再加之系统本身就具有自适应隧道外面太阳光強度的特性，所以作为隧道进出口过渡区的增强型照明光源是最佳选择；当然节能减排的社会效益更是明显，具有很大的实用价值。本发明聚光器中配置的自动跟踪太阳光系统的太阳光信号采集器是安装在菲涅尔透镜平面上，然后通过对信号处理后，单片机发出指令，指挥与聚光器安装于一体的驱动装置带动聚光器自动跟踪太阳光方向；但是导光镜所配套的自动跟踪系统则是为了把三维.空间不断变化方向的高亮度平行太阳光不断输送到隧道中，所以在这个自动跟踪系统中，太阳光信号采集器21将独立安装于高亮度平行太阳光的光路中，而且其光轴平行于设计入射隧道的平行太阳光轴；其驱动装置则与导光镜安装成一体，按照发出指令带动导光镜实现自动调整三维空间方向，从而把不断变化入射方向的高亮度平行太阳光顺利输送进隧道。
权利要求
1.一种透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，其特征在于包括安装在隧道ロ亮度缓冲建筑(4)上端的聚光器(I)以及与聚光器相对应的导光镜(2);所述的聚光器包括面向太阳的菲涅尔线聚光透镜(11)，以及与菲涅尔线聚光透镜(11)具有同一个焦点的透射式菲涅尔调光镜(12)，平行太阳光经菲涅尔线聚光透镜(11)汇聚提高亮度后再经过处于后面的调光镜(12)调整光路后成为高亮度的平行太阳光，然后直接通过导光镜(2)定向传输到隧道上部空间，其中导光镜(2)的反射光线与隧道方向相同且安装在隧道口外处，其 安装高度取决于隧道上部弧形区域与聚光器的高度；在隧道内弧顶部壁上喷涂有能够将导光镜(2)导入的平行太阳光均匀反射到隧道中各处路面上的反射薄膜(3)。
2.根据权利要求I所述的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，其特征在于所述的聚光器还与极坐标式高精度跟踪太阳光线方向的系统的驱动输出相连接，且其中最前端的太阳光信号采集器安装于聚光器中菲涅尔线聚光透镜(11)的平面上。
3.根据权利要求I所述的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，其特征在于所述的菲涅尔线聚光透镜(11)与透射式菲涅尔调光镜(12)具有棱的一面相互面对，被密封面(13)封闭起来，平整一面朝外。
4.根据权利要求I所述的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，其特征在于所述的导光镜(2)与自动导向装置(21)相连接，以便自动的把不断变化方向的增强型平行太阳光顺利输导到与隧道方向相同且高度处于隧道上部弧形区域空间，但是由导光镜输送的光线的光轴与隧道顶部直线之间的夹角为β，且tgi3 = H/S，其中H为平行光的高度，S为隧道内输送的直线距离。
5.根据权利要求I所述的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，其特征在于所述的隧道进出口处向外一定距离内的公路上还设置有钢构透明的亮度缓冲建筑(4)，聚光器以及与聚光器相对应的导光镜(2)安装在该亮度缓冲建筑(4)上。
6.根据权利要求I所述的透射式太阳光隧道直接增强照明的装置，，其特征在于所述的若在隧道的入口段就存在拐弯的隧道，在隧道顶部侧面安装与导光镜(2)相配合的、而且不需要配置自动跟踪系统的ー个(或者一組)平面导光镜(20)，实现平行太阳光的相应拐弯并传输更远的距离。
全文摘要
一种能够直接利用太阳光进行隧道增强照明的装置，采用二个同焦点的透射式线(点)聚光菲涅尔透镜实现太阳光的汇聚和光路调整功能，得到高亮度的平行太阳光，然后再利用配备自动跟踪系统的反射式导光镜把其高效率的通过上部空间输送进隧道，在隧道顶部反射薄膜反射下实现路面均匀的太阳光照明。本装置既实现了高性价比的太阳光直接应用，又回避了太阳能固有的时有时无的缺陷，并且正好利用这个特性来自动满足了隧道进出口过渡段增强照明要求自适应太阳光强度的自适应特性。从而为太阳光直接应用于隧道增强照明推广应用创造了条件。
文档编号F21S11/00GK102620232SQ20121008637
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者刘志, 孟惠, 宁铎, 李宏杰, 李桐生, 王红鑫, 罗万志, 辛登科 申请人:陕西科技大学