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太阳能光纤照明

引言
虽然人们对太阳能的利用越来越广泛，但是目前对太阳能的利用主要集中在将太阳能转化为电能和热能上，而光纤照明正是将太阳光直接加以利用的技术。自20世纪30年代就被人们所认识和接受的光纤照明技术由于材料的成本以及光衰减率太高等原因一直无法实现大批量的产业化和商品化，但是在20世纪60年代美国的杜绑公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)为芯材制备出塑料光纤以及在20世纪70年代末，日本三菱丽阳公司以高纯MMA单体聚合PMMA，使光纤损耗下降到200 dB/km。虽然这仍然没有实现光纤照明的大批量产业化和商品化，但是这将光纤装饰照明真正推向了实用阶段。目前太阳能光纤照明已形成多种产品并陆续投放市场。

光纤照明的方式和原理
太阳能光纤灯利用太阳能作为能源主要有两种方式，一是直接地把太阳光引入室内进行照明。二是采取光伏发电,再通过光纤系统进行照明。在这里笔者主要介绍第一种方式也即直接地把太阳光引入室内进行照明的原理。
太阳能光纤照明系统是由聚光装置，传导装置和放射装置三部分构成。如下图[1]所示：
传导装置
放射装置
聚光装置

图1
室外的自然光透过聚光装置导入到照明系统中进行重新分配，经过传导装置（光纤）传输和强化后由系统底部的放射装置(室內末端投射装置)把自然光均匀高效的照射到室内，带来自然光照明的特殊效果。
1聚光装置

图2
聚光装置，也即集光器（图2）可以安装在屋外整日不受任何限制地随时采光，从而使集光效率发挥到最大。由于光线的直径所限以及为减少传输过程中光的衰减，我们要把光线聚集为近似于点并且恰与光纤端口契合。目前集光器主要采用两种方式进行集光：
（1）采用两次反射来进行光线聚焦的微型反射式点
图4
图3

聚光 如下图[3]
（2）采用一次透镜折射进行聚焦的透镜式点聚光
如图[4]
实际应用中其实是要将两者分别或同时模块化后以增加光线的接收量。同时也可以加装太阳方位追踪器（这是一种通过探测仪探测太阳方位变化调整模块化聚光器的朝向和仰角的仪器），从而使集光器集光效果提升。
2传导装置
光纤照明系统中的主体部分，根据全反射原理而制造出的可以将光传输或发射到预定地址的光纤具有抗干扰应用范围广，线径细,重量轻，抗化学腐蚀能力强，光纤制造资源丰富等优点。由结构组成来分，光纤有单股、多股和网状三种。单股光纤来的直径一般为Ф6～Ф２０mm。同时单股光纤可分为体发光和端发光两种前者将光束传到端点后，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。。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。 网状光纤均为细直径的体发光光纤组成，可以组成柔性光带。
3放射装置（末端附件）
根据点发光光纤和线发光光纤的不同发光特点，有如下两种类型的末端附件：
A,发光终端附件：配置在点发光光纤端的各类反射式或直射式类似于灯具的发光附件，有筒灯型、配透镜型（可聚光或发散光）、地面专用型以及水下型终端。B,不发光终端附件：配置在线发光光纤终端，为不透明密闭型封套 。而放射装置的原理可以看作是聚光过程的逆过程（可逆性）。

光纤照明的特点
  1、 光线柔性传播
由于光纤的作用，我们可以改变光路来引导光线到达我们所需要的地方。
2、 光电分离
传统照明中，光电是并存的，这主要只由于我们主要通过发光器，比如白炽灯来进行电能与光能的转变。但是这在一定程度上存在了许多隐藏的危险，在一些
场合，例如煤井内大多的瓦斯爆炸都是由于矿灯的作用。但是光纤照明本身就是用光来“产”光，所以保证了安全性。
3满足不同环境下对光色彩的需求
我们可以在光纤照明系统中加入滤色片，来调整光线的颜色达到多彩的效果。
4发出无红外线和紫外线的冷光
一些古文物在出土时由于保护不善而发生风化或其它损坏情况，这主要是由于外界中光线中红外线和紫外线的作用。而光纤照明发出无红外线和紫外线的冷光，因此可以应用在文物保护上。这不仅保护了文物，还能展现其光华的一面。
光纤照明的应用意义
我国的照明约占总耗电量10%，而目前普遍使用的照明灯具只有约15%转化成光能，也就是说有80%多的能量是以热形式耗去的。而使用光纤照明可以避免能量转化中的能量损失，从而提高能源的利用效率。
而且合理利用自然资源，让廉价的太阳能资源充分发挥出它的效能，营造出一个绿化的社会，缓解电能的需求，延长不可再生能源（如煤等）的使用寿命，符合国家产业政策，是国家大力提倡和支持的产业方向。

光纤照明的应用
由于光纤照明的独特优点,它已广泛地应用于各种场合,并在不断地推广中.它主要适合在商场、运动场馆、写字楼、地下室、飞机、剧院等地的昼间照明。例如很多大商场在白天都需要保证足够的照明度，因此装备了较多的灯具，虽然这些灯具具有一定的美化环境的作用，但却浪费了大量的电能。如果采用阳光照明系统来保证日间的照明，不仅节省电费开支，减少环境的污染，而且还提供了来自大自然的舒适光线。下图5是光纤照明实际应用的图示及光路追踪
室内照明
光纤照明系统可以将将光线引入室内并营造出
光线追踪：􀁺
1,透过透镜把太阳光收集􀁺
2,透过光纤把收集到的太阳光传到室内􀁺
3,以散射方式把强烈的光射分散
4,光/电切换（以备光线不足时使用

一些特殊的效果，增添了室内的新鲜性和与自然
的和谐性。
阳光浴室
将阳光引入浴室，不出屋门即可享受阳光的滋润
和合护。
建筑或景观美化
使用光纤照明系统可以模拟一些光学方面的自
然现象，比如模拟的星空或是彩虹，这样增加了
建筑和景观的耐看性。
特殊场合照明
在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书
图5
文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会造
成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到
理想的艺术效果。在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。
地下室或地下通道
人是太阳光抚育下的人，太阳光的综合光谱是人类难以复制的。所以能把太阳光直接引入室内，不但改善了原来的居室照明，而且对于地下室、隧道等永远见不到阳光的地方能重见光明。

一个狂想————“点”亮整个地球
我们都知道由于地球自转等因素的影响产生了黑夜和白天,我们把上文所说的需要光的地方扩大化，即想象为在某一时刻地球无法照到的地方，那我们是否可以借助光纤照明系统来达到这一目的呢？
为了达到这一“奇迹”，如图六笔者认为首先我们要建立一个庞大的双向的吸收,传输释放装置系统（双向是考虑到地球的自转中，某地一天必定有黑夜和白昼。而聚光装置与末端装置的原理上光路的可逆性给我们提供了一些便利）。
光的传输
图6

然后要解决的事情是光的传输问题。现行的光纤照明系统由于光衰减的原因传输最大距离只能达到30米。笔者认为我们可以通过两条途径来解决这一问题
1就是用类似于光纤通信,用跨洲际的光纤引导光线。但是这一条首先要在光纤的材料上有所突破，成功研制出更低衰减率的光纤或是“超导”光纤。
2.就像科学家计划建设太空发电站考虑采用将电能转化为电磁波传回地球一样我们可以考虑将光线转换为其他形式进行传递.但是由于光本身就是电磁波,我们可以采取改变它的频率或采取其它措施以减少在光纤传导中消耗。
这一狂想实施的困难主要在于1许多技术难关未攻破。比如:由于现在使用的光纤衰减率很高,不适合传输光能.2,此系统庞大，不易规划且目前光纤照明的成本较高（点发光光纤价格约为7元/m～8元/m，线发光光纤价格约为17元/m～18元/m，发光器价格约为2500～3500元）。
总结:
现在看来太阳能光纤照明仍然是一种新颖的照明技术，随着技术的发展，产品的成熟及新应用领域的开发，光纤照明将会得到更广泛的应用同时在大力普及中不断提高，成本不断降低，产品更为成熟。最终光纤照明将走进寻常百姓家，成功为大众服务以展现其独特的动态照明效果和物理特性。