导光管系统的应用与展望

　　摘要：导光管照明系统是一种新型绿色照明装置，它利用导光管将天然光直接导入室内进行照明，节约了照明用电，并营造了有益健康的照明环境。本文介绍导光管系统的原理、构成以及目前在建筑物中的应用。
　　关键词：导光管、照明节能、绿色照明
　　引言
　　天然光作为大自然馈赠于人类的宝贵财富，是一种取之不竭，用之不尽的绿色能源，同时也是人类长期进化过程中最为适应的光源，但在很长的一段时间内曾被人忽视。伴随着近年来能源危机、环境恶化等问题的不断出现，才日益引起了世人的关注。而导光管技术的出现无疑为人们合理利用天然光资源开辟出新的途径，特别是近十几年伴随着导光管技术的快速发展，大量具有可推广性的导光管产品不断涌现，使得导光管在居室、商店、学校、运动场所、厂房、地下空间等不同场所得到广泛应用。
　　随着我国经济的飞速发展，用电紧张问题日益受到社会各界的关注，而照明用电在电能消耗中占有相当比重。根据统计表明我国照明用电约占全国总用电量的15%，因此照明节能具有十分重要的经济、社会以及环境效益。充分利用天然光这种可再生清洁能源无疑是解决能源紧张的重要途径，符合我国十二五计划大力推行的新能源政策。
　　目前导光管在我国使用尚处于推广普及阶段。因此通过合理设计，积极采用导光管技术为各类难以直接使用采光的建筑空间提供照明，对于节约能源、保护环境具有重要意义。
　　1导光管系统简介
　　导光管系统主要由采光罩、导光管和漫射器三部分组成（如图1所示）。这种系统利用室外的自然光线透过采光罩导入系统内进行重新分配，再经特殊制作的导光管传输和强化后由系统底部的漫射装置把自然光均匀高效地照射到室内。
　　
　　图1导光管系统原理图
　　1.1采光罩
　　根据采光罩的工作原理不同，可以分为以下两种类型：
　　1）被动式采光罩：多为半球形透明结构，内部也可设置棱镜等以提高效率；
　　2）主动式采光罩：主要有定日镜等，可自动跟踪太阳以提高采集光线的效率。
　　1.2导光管
　　导光管主要有以下四种类型：
　　1）金属反射型导光管
　　在玻璃或塑料上镀一层高反射率的金属涂层，通过多次反射将光传送到需要的空间，适合于短距离的传输。这种导光管虽然传输效率相对较低，但是由于其低廉的价格，而能够在一些对于效率要求不是非常高的场所得到广泛使用（如图2所示）。
　　
　　图2金属反射型导光管
　　2）非金属反射型导光管
　　实验表明仅仅依靠非金属材料的部分反射，其效率非常的低，但是这一点可以通过使用一种薄膜来克服，从而使得非金属反射型导光管具有比较高的效率。但是这种装置造价却非常昂贵，目前很难得到大量推广。表1给出了各类反射材料的反射率对照。
　　表1：各类反射材料的反射率对照
　　 吸收系统A 短管=6 中等长度=12 中等长度=18 长管=24
　　1）金属（无镀膜） 0.15 38% 15% 5% 2%
　　2）镀膜金属 0.05 74% 55% 40% 29%
　　3）一般非金属 0.005 97% 94% 91% 88%
　　4）升级非金属 0.001 99.4% 98.8% 98.2% 97.6%
　　3）透镜组型导光管
　　这种导光管主要是利用的光线的折射原理，它由一系列的光学透镜组成（如图3所示），这种导光管需要很多价格昂贵的透镜，因此现在主要在一些光学仪器设备上使用；
　　
　　图3透镜组型导光管
　　4）棱镜型导光管
　　这种导光管主要是利用的光线由密介质进入疏介质时出现的内部全反射原理（与光导纤维同理），但是由于导光管为中空的管子，因此传统的管子不可能实现（如图4所示），但是当改变管壁形状后则克服了这个问题，制成了内部全反射式的导光管。
　　
　　图4棱镜型导光管
　　这种导光管在反射的过程中几乎不发生吸收，因此效率非常的高。但是由于光线发生内部全反射对于光线入射角要求较高，只有当光线入射角大于临界角的时候才会发生，而就天然光而言一般来说很难满足此要求，因此这种导光管多用于为大空间提供照明。
　　另外，对于原理相同的导光纤维而言，虽然其效率较高，但是却由于它所能传输的光通有限，而同样不能适用于这种大面积场所的照明。
　　1.3漫射器
　　对于照明而言，不是简单的将光线引入室内，而是需要将光线合理的在室内分布，因此漫射器就需要根据配光的要求的不同，而合理的选择相应的材料制备而成。并对其光通空间分布做相应的测试从而保证照明的质量。
　　2导光管系统需要重点解决的问题
　　导光管系统是将室外的自然光线导入系统内进行重新分配，再经特殊制作装置把自然光均匀高效地照射到室内。因此，制约导光管系统发展的重要因素是导光管的系统效率，提高导光管系统的效率是关键所在。
　　2.1采光罩的效率
　　采光罩的效率是影响整个系统效率的重要因素，太阳的光线自早晨到傍晚强度和方向在不断的变化，为了更可能多的收集太阳光线，就要随时随地跟踪太阳光线的不断变化，这就是定日镜的作用——自动跟踪采集。为了提高采光罩的效率通常采用菲涅尔透镜等光学系统和定日镜收集阳光。
　　2.2导光管的效率
　　导光管的效率与导光管的长度、直径等都有一定的关系，但导光管反射材料的反射比是影响其效率的重要因素。光线在导光管内部进行传输发生反射时必将有一定的光线损失，导光管表面材料的反射比越高，光传输的损失就必然越小。因此，选用具有高反射比的材料是提高导光管效率的关键，通常要求导光管反射材料的反射比要高于0.95。
　　2.3漫射器的光分布及其效率
　　漫射器的作用主要是将收集到的光线进行重新分配。因此，漫射器的光分布（配光）将直接影响最终的应用效果，其效率类同于灯具的效率。通常采用凹透镜或抛物柱面反射透镜等制成的漫射器把光传输到需要照明的地方。
　　3未来发展
　　总的来说，我国在导光管系统方面的应用和研究还处于起步阶段，奥运中心区地下车库及一些地区节能示范楼导光管系统的成功应用，为在我国地下建筑及需要进行日光照明的空间开辟了一条新的途径。
　　从全球的范围来看，天然光导光管系统在实际工程上得到了广泛的应用，各国研究机构也对相关的采光及导光基础理论研究开展了积极的研究，在设计方法和理论计算上已比较成熟。目前，各国将更多的研究重点放在了并致力于提高导光管系统效率和采用主动导光技术等方面，以进一步推动导光管技术的发展。
　　节约能源、保护环境，提高照明品质是绿色照明的宗旨，在能源日益紧张的今天，充分利用天然光，把太阳光通过导光管系统方式直接传输到室内需要照明的地方，特别是一些地下或无窗建筑，必然是未来太阳能综合利用很好的一种方式，更有利于实现可持续发展战略。
　　参考文献：
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