智能LED光導(dǎo)照明系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

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光導(dǎo)照明技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保、安全可靠等優(yōu)勢，是未來照明技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。通過介紹地下空間、室內(nèi)空間內(nèi)傳統(tǒng)照明方式的缺陷，提出了一種面向智慧城市建設(shè)的智能led光導(dǎo)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了其工作原理。該方案引入了可根據(jù)外界光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的智能照明控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮LED照明和光導(dǎo)照明的節(jié)能優(yōu)勢，具有廣闊的推廣應(yīng)用價值。近年來，隨著社會和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，新型智慧城市發(fā)展模式將是后續(xù)城市建設(shè)者們的重點(diǎn)關(guān)注對象。智慧城市建設(shè)需關(guān)注地下空間的開發(fā)利用，例如地下隧道、地下商場、地下防空工事等地下空間、室內(nèi)體育館、學(xué)校、醫(yī)院、展覽館、工業(yè)廠房等室內(nèi)空間將是重點(diǎn)建設(shè)部分。而對于地下空間、室內(nèi)空間而言，節(jié)能照明問題就顯得尤為重要，其將為城市帶來新的活力，能使城市健康穩(wěn)定發(fā)展。

一、光導(dǎo)照明技術(shù)的背景

地下隧道、室內(nèi)體育館等場所引入自然光照后達(dá)到室內(nèi)照明效果所用設(shè)備即為光導(dǎo)照明系統(tǒng)。截至目前，國外已經(jīng)形成以美國、英國、日本為首較為完善的光導(dǎo)照明市場，在光導(dǎo)照明相關(guān)的多項(xiàng)技術(shù)上均領(lǐng)先于中國。中國自從2004年首次引入光導(dǎo)照明技術(shù)，已成功應(yīng)用于中國科技館、上海世博會等地。因此，隨著智慧城市的建設(shè)該技術(shù)將具有廣闊的應(yīng)用前景。由于光導(dǎo)照明具有節(jié)能、環(huán)保、健康、安全等優(yōu)點(diǎn)而得到迅猛發(fā)展。當(dāng)前城市基礎(chǔ)設(shè)施迅猛建設(shè)，使得城市軌道交通、地下車庫等大量采用電力照明，為了滿足運(yùn)行管理對照明強(qiáng)度的需求，需要設(shè)置大量的人工控制的非節(jié)能照明燈具，大大增加了運(yùn)營維護(hù)的勞動強(qiáng)度和成本，這就需要新的照明措施來彌補(bǔ)這一缺陷。另外，為了有效改善隧道內(nèi)視覺環(huán)境，同樣需要采用新的光導(dǎo)照明系統(tǒng)，以提高駕駛?cè)藛T的舒適性。隨著文化和科學(xué)的發(fā)展，博物館、雕塑園、陳列展廳、藝術(shù)商店等場所，也需要從照明理念對其燈光進(jìn)行智能設(shè)計(jì)全方位展示整座建筑，以突出原創(chuàng)藝術(shù)。我國在光導(dǎo)照明技術(shù)的研制和應(yīng)用領(lǐng)域仍較為落后，還不具備大規(guī)模自主生產(chǎn)光導(dǎo)管的能力，原因在于產(chǎn)業(yè)內(nèi)高反射率薄膜等核心技術(shù)未攻破，產(chǎn)品及應(yīng)用模式單一。另外，光導(dǎo)照明系統(tǒng)穩(wěn)定性差、可靠性低，難以大規(guī)模推廣。因此，需要對現(xiàn)有的光導(dǎo)照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級，引入LED照明技術(shù)進(jìn)行輔助照明，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)光導(dǎo)照明系統(tǒng)升級改造。

二、智能LED光導(dǎo)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對上述問題，論文提出一種可根據(jù)外界光照強(qiáng)度實(shí)時調(diào)節(jié)自身光照強(qiáng)度的光導(dǎo)照明裝置設(shè)計(jì)方案。該照明裝置通過在傳統(tǒng)光導(dǎo)照明裝置中添加日光調(diào)節(jié)裝置、補(bǔ)光裝置和單片機(jī)控制裝置，從而實(shí)現(xiàn)了根據(jù)外界光照強(qiáng)度，實(shí)時調(diào)整裝置自身光照強(qiáng)度的功能，保證該裝置光照輸出始終可靠，且可根據(jù)用戶體驗(yàn)改變光照強(qiáng)度，使裝置適用于多場合。該技術(shù)方案可以保證光照強(qiáng)度的可靠性，同時加入了可控系統(tǒng)，使得光導(dǎo)照明技術(shù)可以應(yīng)用于日常中。該裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，按功能可以將其分為四部分：光導(dǎo)入裝置，光傳輸裝置，照明輸出裝置及控制系統(tǒng)等，其中光導(dǎo)入裝置由采光罩、密封圈、光導(dǎo)管支架、日光調(diào)節(jié)器組成，光傳輸裝置由光導(dǎo)管、光電傳感器組成，照明輸出裝置由照明支架、LED補(bǔ)光燈、漫射罩組成，控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、紅外傳感信號器、蓄電池組成。當(dāng)太陽光光線進(jìn)入光導(dǎo)管后，安裝于內(nèi)壁的光電傳感器對光強(qiáng)信號進(jìn)行AD采集，將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，光照強(qiáng)度低于指定值時，單片機(jī)通過電信號控制日光調(diào)節(jié)器中的舵機(jī)，減小日光調(diào)節(jié)器地張開面積，使光線盡可能多的照射進(jìn)光導(dǎo)管中，當(dāng)單片機(jī)發(fā)現(xiàn)日光調(diào)節(jié)器已完全關(guān)閉，若光照強(qiáng)度依舊低于指定值，則轉(zhuǎn)而控制LED補(bǔ)光燈，點(diǎn)亮LED燈，以補(bǔ)充光照。當(dāng)光電傳感器檢測到光照強(qiáng)度高于指定值時，反饋數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)檢查LED燈是否開啟，若LED補(bǔ)光燈開啟中，則控制LED燈逐一關(guān)閉，直至光照強(qiáng)度達(dá)到指定值附近，若LED燈完全關(guān)閉以后，光照強(qiáng)度依舊高于指定值，則控制日光調(diào)節(jié)器，使其張開，吸收部分光能以減小輸出光照強(qiáng)度，直至達(dá)到指定值附近。同時日光調(diào)節(jié)器還可以吸收太陽能，轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池中，用來供給單片機(jī)及日光調(diào)節(jié)器用電。最后，該裝置安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三、光導(dǎo)照明系統(tǒng)應(yīng)用案例與效益分析

1光導(dǎo)照明系統(tǒng)應(yīng)用案例

對于光導(dǎo)照明而言，根據(jù)應(yīng)用場景不同，對光照強(qiáng)度等參數(shù)要求也不同，以提高光導(dǎo)照明對環(huán)境的適應(yīng)性。通過調(diào)查研究，確定了車庫照明、室內(nèi)照明為代表對照明系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行分析。①車庫照明系統(tǒng)：為了保證地下車庫里進(jìn)、出及停放車輛的安全，需要照明系統(tǒng)具有良好的照明效果。但實(shí)際使用過程中，車庫照明系統(tǒng)僅僅在車輛進(jìn)出、人員走動的時候需要照明，但多數(shù)情況下，照明系統(tǒng)都處于“無效照明”狀態(tài)。因此，借助光導(dǎo)照明系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)，對地下車庫進(jìn)行改造，讓其“按需照明”，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能照明”，這必將是智慧城市中車庫照明系統(tǒng)的發(fā)展主流。②室內(nèi)照明系統(tǒng)：針對應(yīng)用范圍廣闊的室內(nèi)照明而言，照明系統(tǒng)必須做到智能可調(diào)，可以根據(jù)室內(nèi)用戶的習(xí)慣，通過紅外信號自動地對LED光導(dǎo)照明系統(tǒng)的基準(zhǔn)亮度值進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置所需的光強(qiáng)要求，實(shí)現(xiàn)人性化控制，提高用戶體驗(yàn)水平。

2光導(dǎo)照明系統(tǒng)效益分析

參照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與《照明標(biāo)準(zhǔn)手冊》，以某大學(xué)中型教室（標(biāo)準(zhǔn)座位設(shè)置，可容納90~100人，面積約為200m2）為例，照明系統(tǒng)功率密度值為11W/m2其目標(biāo)值為9W/m2，為達(dá)到最好照明效果，以目標(biāo)值作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，單個光導(dǎo)管服務(wù)的有效照明直徑約為5m，根據(jù)照明分布計(jì)算，每個教室約覆蓋8~9個光導(dǎo)管，且每個光導(dǎo)管的有效工作效率為176.65W。一般教室每個工作日照明使用時長平均值可達(dá)12h，按一年260個工作日計(jì)算，則單個光導(dǎo)管每年節(jié)省的照明耗電量約為551.07kW.h，以每個教室覆蓋8個光導(dǎo)管為例，則每個教室每年可節(jié)約大約4408.56kW.h電量。

四、結(jié)束語

對于光導(dǎo)照明系統(tǒng)而言，在原有照明系統(tǒng)基礎(chǔ)上，充分利用太陽能資源，突破純光導(dǎo)照明的局限性，大大降低電量消耗，緩解電能緊張局勢。而光導(dǎo)照明技術(shù)的未來，除技術(shù)本身的進(jìn)步以外，仍存在很大的創(chuàng)新空間，例如光導(dǎo)照明系統(tǒng)與室內(nèi)通風(fēng)技術(shù)的結(jié)合利用、光導(dǎo)照明技術(shù)與追光裝置的結(jié)合利用等，均可改進(jìn)光導(dǎo)照明技術(shù)的使用效果。

作者:龐曉艷 馬文哲 雷雨 姚銳斌 殷鑫 馬俊金 單位:河南理工大學(xué)