环保隧道照明系统研究

GXF360 2017-06-01

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环保隧道照明系统研究

张荣庆　重庆市巴蜀中学校　重庆　400013

【文章摘要】道路建设的高速发展证实着我国经济的崛起，而道路的发展都离不了开山劈路，隧道应运而生。但对于隧道的照明问题，一直都没有任何专家做出更环保的解决。因此，本文对隧道照明存在的若干问题进行了深入思考和研究，最后，摒弃了原来单靠当地发电站来供电，环保的解决了白日隧道的照明问题。本文对环保照明系统进行了实物模型画图、理论分析和相关建议，并对重庆理工大学门口中长隧道作了实例分析.

【关键词】侧边光灯；顶置光散；实物论证计算

0 引言

公路隧道是连接两端道路的通道。为了不使整个道路的运输能力降低，保证车辆驾驶员在处于闭合空间的隧道里得到良好的安全行驶环境，公路隧道一般应设置人工照明，而在照明的过程中，现状往往都是选择的是二次能源（电能）所提供，怎样避免使用和尽量少用二次能源，是保护环境的重要之研究。

据实例观察，在中国南方的大多跨区、跨省的道路上每条交通线路上平均有十个隧道之多，而选择的用电来源均是电能，这无不是给已经恶劣的环境浓墨重彩地添上一笔很大的负担，怎样解决这个清洁能源问题，一直未有任何专家进行深入思考和研究[1]。本文通过光学元件相配合使用，通过将透镜等光学元件灵活搭配，将柔和的自然光导入隧道，然后进行散光，这样就实现了自然光灯泡，这种光以它优越的光照性能挑战传统隧道灯在隧道照明中的地位[2]。

1　总设计框图

环保隧道照明系统主要包括自然光光源采集、高能平行光传输和光源散射照明三个部分。其中自然光光源采集结构将自然环境中的太阳光汇聚成能量密度较高的平行光，然后通过平行光传输到光源散射照明器件上。其设计框图如图1：

本光照系统秉承节约能源、多能源共同利用的理念，来共同完成公路日夜隧道的照明问题。首先是通过采光部分（由凹面镜和凸透镜综合使用完成）把四面八方的太阳光搜集起来，然后变成直射光，便于利用，最后就是把直射光分成两步走，一部分是用于隧道顶部进行光散；另一部分用于隧道两边进行平面镜错位发光。这样既对隧道进行了白天充足的照明，也为隧道里的景色更添上了环保的衣装。

图1　系统示意框图

2　理论分析

2.1　采光部分

侧边采光：在隧道两出口两侧找一光照强度较强、且持续时间较长，在此地方放置外截圆半径为r的凹面镜，且调好适当的聚光角度，交叉射向隧道壁另一方的平面镜，且平行于地面。（图二侧边采光）

顶置采光：在隧道口外一定距离，通过用支架固定四个相同的侧边采光，将四面八方的光通过顶置采光转变成五组平行光射向隧道。

系统的功率根据实际的光照强度和时间变化而变化，其计算公式如下：P=absp（p为48.3焦耳每秒/平方厘米,s=π , a(0.6～0.8)凹面镜仰角倾斜修正系数, b(0.4～0.45)光线云层穿透系数, 凸透镜的透光率在90%以上）。如下图所示：箭头线表示光线路，黑色阴影表示凸透镜。

图2　侧边采光

上下分别为正视图和侧视图，椭圆为图一采光组

2.2　顶置光散

2.2.1　设备组成：平面镜，毛玻璃碎片，新型光散射材料做成的且外形如烧瓶的容器[3]。

2.2.2　原理剖析：将图二所示平行摄入的光通过优质且转角45°的平面镜，此时可把五束光由平行转换成垂直射向地面，再把此四束光分别经过设备组成里的容器将单一的光变成如灯泡四面八方的发射出来，以致达到灯光效果。且这四个顶置散光做成阶梯，使每段路都照射到，且从外观上讲就更加精致了

2.2.3　图形补助分析

图4　单个顶置光散侧视图

正方形为置顶光散，箭头表示光线方向

图5顶置散光组隧道阶梯俯视图

2.3　侧边错位光灯

①设备组成：平面镜（2片长矩形），

②原理剖析：将图一所示的隧道两侧的采光组以一定角度分别射向隧道对面一侧，而隧道的两侧壁上有两块垂直于地面且和隧道一样长的平面镜，平面镜大小一样，却安置的高低不一样形成错位，这样就如下图所示，虚线部分就可以有光照而发光，这样既可以达到光照效果，也可以得到两条美丽的风景光线。示意如下图：双向箭头表示双向都有光线。

图6　侧边错位光灯正面图

3　理论分析

3.1　亮度的照度的关系

亮度与照度既有联系又有不同。路面上某点的照度与照明器的光特性及被照射点的几何位置有关，而路面上某点的亮度除与上述因素有关外，还与路面的反射特性有关，二者的关系为：

I=（E×p）÷π

E——照度（IX）

p一反射率，沥青路面为0．1～ 0 16；

3.2　天气照度对照表

3.3　隧道亮度标准

公路隧道照明问题，在国外曾做过多年的研究，由于困难较多，至今尚未建立统一的标准.据有关资料介绍，国外公路隧道白天照明标准如下：

（1）瑞士对于每小时60公里的速度，最低亮度标准是3cd／in (1968年的建议标准)。

（2）日本基本照度的平均路面亮度(对于干燥路面值)

4　实验论证

4.1　我校背景

选取维度较低，日照较为充足的高速公路隧道。每年平均8个月中每天平均日照在7小时左右。

4.2　计算假设与计算

凹面镜截面圆半径r=2m；光学元件透光率取90%；反射率取95%；云层穿透率取40%；仰角修正系数取0.6的保守估算

每个灯光源的功率：

P=2×48.3×3.14×10000×0.4×0.6 ×0.9×0.9×0.95×0.9=504160.886w

亮度I=（3000×0.2）÷3.14=1910.82（ix*cd／m）（由于未计算投影面积,面积应与实际投影面积为准）

每一个顶置发光的功率产生平均505KW，那么平均每个月将可产生有用功846720焦耳（W=504×8×7×30），那么一年将节约很多6773760焦耳的电，也就更加节约很多一次能源。

5　结束语

此构想设计为社会的环保将有很大的帮助，实用性较高，且在南方多山的地形以及拥有强烈长时间的光照，从节约能源的角度上来讲，更具有了普及公路隧道光照的可能。

在全球倡导环保地球的驱动下，我们每个公民都更应该主动的去关注各个可以环保解决的实际问题。而针对本文介绍的光照隧道理论体系，我们秉着环保思路去构造，用最清洁的能源去服务我们的公路，为我们大家日后的出行更添一份景色，所以把太阳未能照射到的地方成为可能，是我们当代专家及学子可以思考的，在此更希望能得到相关专家及领导的进一步的完善和实施，为我国的环保隧道奉献一份力。

【参考文献】

［1］过廷献、侯志远、浅谈公路隧道的照明问题郑州市公路建设重点工程管理处

［2］沈元华、陆申龙主编基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003

［3］秦庆戊新型光散射材料的研制与开发状况　贾玉润、王公治、凌佩玲主编大学物理实验，复旦大学出版社，1987

［4］蒲利春张雪峰、大学应用物理、科学出版社　2007

［5］彭志刚、光伏建筑一体化在城市应用中光反射问题的探讨

［6］殷志刚、太阳能光伏发电材料的发展现状［J］、科协论坛.2008.8：47

［7］官贞珍、陈德珍、太阳能利用方法研究同济大学热能与环境工程研究所上海100092

［8］陈仲林、孙春红、公路隧道照明设计研究重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆400045

［9］刘成银、中长隧道控制测量技术研究、中铁十四局集团公司隧道分公司、山东济南 250002

［10］JTJ026—90，公路隧道设计规范［s］

［11］李智、《光的传播》探究型数学设计和反思