智能LED光導照明系統研究設計

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光導照明技術具有節能、環保、安全可靠等優勢，是未來照明技術的發展目標。通過介紹地下空間、室內空間內傳統照明方式的缺陷，提出了一種面向智慧城市建設的智能led光導照明系統的設計方案，闡述了其工作原理。該方案引入了可根據外界光照強度自動調節光照強度的智能照明控制系統，充分發揮LED照明和光導照明的節能優勢，具有廣闊的推廣應用價值。近年來，隨著社會和經濟飛速發展，新型智慧城市發展模式將是后續城市建設者們的重點關注對象。智慧城市建設需關注地下空間的開發利用，例如地下隧道、地下商場、地下防空工事等地下空間、室內體育館、學校、醫院、展覽館、工業廠房等室內空間將是重點建設部分。而對于地下空間、室內空間而言，節能照明問題就顯得尤為重要，其將為城市帶來新的活力，能使城市健康穩定發展。

一、光導照明技術的背景

地下隧道、室內體育館等場所引入自然光照后達到室內照明效果所用設備即為光導照明系統。截至目前，國外已經形成以美國、英國、日本為首較為完善的光導照明市場，在光導照明相關的多項技術上均領先于中國。中國自從2004年首次引入光導照明技術，已成功應用于中國科技館、上海世博會等地。因此，隨著智慧城市的建設該技術將具有廣闊的應用前景。由于光導照明具有節能、環保、健康、安全等優點而得到迅猛發展。當前城市基礎設施迅猛建設，使得城市軌道交通、地下車庫等大量采用電力照明，為了滿足運行管理對照明強度的需求，需要設置大量的人工控制的非節能照明燈具，大大增加了運營維護的勞動強度和成本，這就需要新的照明措施來彌補這一缺陷。另外，為了有效改善隧道內視覺環境，同樣需要采用新的光導照明系統，以提高駕駛人員的舒適性。隨著文化和科學的發展，博物館、雕塑園、陳列展廳、藝術商店等場所，也需要從照明理念對其燈光進行智能設計全方位展示整座建筑，以突出原創藝術。我國在光導照明技術的研制和應用領域仍較為落后，還不具備大規模自主生產光導管的能力，原因在于產業內高反射率薄膜等核心技術未攻破，產品及應用模式單一。另外，光導照明系統穩定性差、可靠性低，難以大規模推廣。因此，需要對現有的光導照明系統進行優化升級，引入LED照明技術進行輔助照明，實現對傳統光導照明系統升級改造。

二、智能LED光導照明系統設計方案

針對上述問題，論文提出一種可根據外界光照強度實時調節自身光照強度的光導照明裝置設計方案。該照明裝置通過在傳統光導照明裝置中添加日光調節裝置、補光裝置和單片機控制裝置，從而實現了根據外界光照強度，實時調整裝置自身光照強度的功能，保證該裝置光照輸出始終可靠，且可根據用戶體驗改變光照強度，使裝置適用于多場合。該技術方案可以保證光照強度的可靠性，同時加入了可控系統，使得光導照明技術可以應用于日常中。該裝置具體結構如圖1所示，按功能可以將其分為四部分：光導入裝置，光傳輸裝置，照明輸出裝置及控制系統等，其中光導入裝置由采光罩、密封圈、光導管支架、日光調節器組成，光傳輸裝置由光導管、光電傳感器組成，照明輸出裝置由照明支架、LED補光燈、漫射罩組成，控制系統由STM32單片機、紅外傳感信號器、蓄電池組成。當太陽光光線進入光導管后，安裝于內壁的光電傳感器對光強信號進行AD采集，將數據傳遞給單片機，光照強度低于指定值時，單片機通過電信號控制日光調節器中的舵機，減小日光調節器地張開面積，使光線盡可能多的照射進光導管中，當單片機發現日光調節器已完全關閉，若光照強度依舊低于指定值，則轉而控制LED補光燈，點亮LED燈，以補充光照。當光電傳感器檢測到光照強度高于指定值時，反饋數據給單片機，單片機檢查LED燈是否開啟，若LED補光燈開啟中，則控制LED燈逐一關閉，直至光照強度達到指定值附近，若LED燈完全關閉以后，光照強度依舊高于指定值，則控制日光調節器，使其張開，吸收部分光能以減小輸出光照強度，直至達到指定值附近。同時日光調節器還可以吸收太陽能，轉化為電能，儲存在蓄電池中，用來供給單片機及日光調節器用電。最后，該裝置安裝結構如圖2所示。

三、光導照明系統應用案例與效益分析

1光導照明系統應用案例

對于光導照明而言，根據應用場景不同，對光照強度等參數要求也不同，以提高光導照明對環境的適應性。通過調查研究，確定了車庫照明、室內照明為代表對照明系統應用情況進行分析。①車庫照明系統：為了保證地下車庫里進、出及停放車輛的安全，需要照明系統具有良好的照明效果。但實際使用過程中，車庫照明系統僅僅在車輛進出、人員走動的時候需要照明，但多數情況下，照明系統都處于“無效照明”狀態。因此，借助光導照明系統結合傳感器技術，對地下車庫進行改造，讓其“按需照明”，實現“節能照明”，這必將是智慧城市中車庫照明系統的發展主流。②室內照明系統：針對應用范圍廣闊的室內照明而言，照明系統必須做到智能可調，可以根據室內用戶的習慣，通過紅外信號自動地對LED光導照明系統的基準亮度值進行調節，設置所需的光強要求，實現人性化控制，提高用戶體驗水平。

2光導照明系統效益分析

參照《建筑照明設計標準》與《照明標準手冊》，以某大學中型教室（標準座位設置，可容納90~100人，面積約為200m2）為例，照明系統功率密度值為11W/m2其目標值為9W/m2，為達到最好照明效果，以目標值作為計算標準，單個光導管服務的有效照明直徑約為5m，根據照明分布計算，每個教室約覆蓋8~9個光導管，且每個光導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12h，按一年260個工作日計算，則單個光導管每年節省的照明耗電量約為551.07kW.h，以每個教室覆蓋8個光導管為例，則每個教室每年可節約大約4408.56kW.h電量。

四、結束語

對于光導照明系統而言，在原有照明系統基礎上，充分利用太陽能資源，突破純光導照明的局限性，大大降低電量消耗，緩解電能緊張局勢。而光導照明技術的未來，除技術本身的進步以外，仍存在很大的創新空間，例如光導照明系統與室內通風技術的結合利用、光導照明技術與追光裝置的結合利用等，均可改進光導照明技術的使用效果。

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