環(huán)保隧道照明系統(tǒng)研究

GXF360 2017-06-01

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環(huán)保隧道照明系統(tǒng)研究

張榮慶　重慶市巴蜀中學(xué)?！≈貞c　400013

【文章摘要】道路建設(shè)的高速發(fā)展證實著我國經(jīng)濟的崛起，而道路的發(fā)展都離不了開山劈路，隧道應(yīng)運而生。但對于隧道的照明問題，一直都沒有任何專家做出更環(huán)保的解決。因此，本文對隧道照明存在的若干問題進行了深入思考和研究，最后，摒棄了原來單靠當(dāng)?shù)匕l(fā)電站來供電，環(huán)保的解決了白日隧道的照明問題。本文對環(huán)保照明系統(tǒng)進行了實物模型畫圖、理論分析和相關(guān)建議，并對重慶理工大學(xué)門口中長隧道作了實例分析.

【關(guān)鍵詞】側(cè)邊光燈；頂置光散；實物論證計算

0 引言

公路隧道是連接兩端道路的通道。為了不使整個道路的運輸能力降低，保證車輛駕駛員在處于閉合空間的隧道里得到良好的安全行駛環(huán)境，公路隧道一般應(yīng)設(shè)置人工照明，而在照明的過程中，現(xiàn)狀往往都是選擇的是二次能源（電能）所提供，怎樣避免使用和盡量少用二次能源，是保護環(huán)境的重要之研究。

據(jù)實例觀察，在中國南方的大多跨區(qū)、跨省的道路上每條交通線路上平均有十個隧道之多，而選擇的用電來源均是電能，這無不是給已經(jīng)惡劣的環(huán)境濃墨重彩地添上一筆很大的負擔(dān)，怎樣解決這個清潔能源問題，一直未有任何專家進行深入思考和研究[1]。本文通過光學(xué)元件相配合使用，通過將透鏡等光學(xué)元件靈活搭配，將柔和的自然光導(dǎo)入隧道，然后進行散光，這樣就實現(xiàn)了自然光燈泡，這種光以它優(yōu)越的光照性能挑戰(zhàn)傳統(tǒng)隧道燈在隧道照明中的地位[2]。

1　總設(shè)計框圖

環(huán)保隧道照明系統(tǒng)主要包括自然光光源采集、高能平行光傳輸和光源散射照明三個部分。其中自然光光源采集結(jié)構(gòu)將自然環(huán)境中的太陽光匯聚成能量密度較高的平行光，然后通過平行光傳輸?shù)焦庠瓷⑸湔彰髌骷?。其設(shè)計框圖如圖1：

本光照系統(tǒng)秉承節(jié)約能源、多能源共同利用的理念，來共同完成公路日夜隧道的照明問題。首先是通過采光部分（由凹面鏡和凸透鏡綜合使用完成）把四面八方的太陽光搜集起來，然后變成直射光，便于利用，最后就是把直射光分成兩步走，一部分是用于隧道頂部進行光散；另一部分用于隧道兩邊進行平面鏡錯位發(fā)光。這樣既對隧道進行了白天充足的照明，也為隧道里的景色更添上了環(huán)保的衣裝。

圖1　系統(tǒng)示意框圖

2　理論分析

2.1　采光部分

側(cè)邊采光：在隧道兩出口兩側(cè)找一光照強度較強、且持續(xù)時間較長，在此地方放置外截圓半徑為r的凹面鏡，且調(diào)好適當(dāng)?shù)木酃饨嵌龋徊嫔湎蛩淼辣诹硪环降钠矫骁R，且平行于地面。（圖二側(cè)邊采光）

頂置采光：在隧道口外一定距離，通過用支架固定四個相同的側(cè)邊采光，將四面八方的光通過頂置采光轉(zhuǎn)變成五組平行光射向隧道。

系統(tǒng)的功率根據(jù)實際的光照強度和時間變化而變化，其計算公式如下：P=absp（p為48.3焦耳每秒/平方厘米,s=π , a(0.6～0.8)凹面鏡仰角傾斜修正系數(shù), b(0.4～0.45)光線云層穿透系數(shù), 凸透鏡的透光率在90%以上）。如下圖所示：箭頭線表示光線路，黑色陰影表示凸透鏡。

圖2　側(cè)邊采光

上下分別為正視圖和側(cè)視圖，橢圓為圖一采光組

2.2　頂置光散

2.2.1　設(shè)備組成：平面鏡，毛玻璃碎片，新型光散射材料做成的且外形如燒瓶的容器[3]。

2.2.2　原理剖析：將圖二所示平行攝入的光通過優(yōu)質(zhì)且轉(zhuǎn)角45°的平面鏡，此時可把五束光由平行轉(zhuǎn)換成垂直射向地面，再把此四束光分別經(jīng)過設(shè)備組成里的容器將單一的光變成如燈泡四面八方的發(fā)射出來，以致達到燈光效果。且這四個頂置散光做成階梯，使每段路都照射到，且從外觀上講就更加精致了

2.2.3　圖形補助分析

圖4　單個頂置光散側(cè)視圖

正方形為置頂光散，箭頭表示光線方向

圖5頂置散光組隧道階梯俯視圖

2.3　側(cè)邊錯位光燈

①設(shè)備組成：平面鏡（2片長矩形），

②原理剖析：將圖一所示的隧道兩側(cè)的采光組以一定角度分別射向隧道對面一側(cè)，而隧道的兩側(cè)壁上有兩塊垂直于地面且和隧道一樣長的平面鏡，平面鏡大小一樣，卻安置的高低不一樣形成錯位，這樣就如下圖所示，虛線部分就可以有光照而發(fā)光，這樣既可以達到光照效果，也可以得到兩條美麗的風(fēng)景光線。示意如下圖：雙向箭頭表示雙向都有光線。

圖6　側(cè)邊錯位光燈正面圖

3　理論分析

3.1　亮度的照度的關(guān)系

亮度與照度既有聯(lián)系又有不同。路面上某點的照度與照明器的光特性及被照射點的幾何位置有關(guān)，而路面上某點的亮度除與上述因素有關(guān)外，還與路面的反射特性有關(guān)，二者的關(guān)系為：

I=（E×p）÷π

E——照度（IX）

p一反射率，瀝青路面為0．1～ 0 16；

3.2　天氣照度對照表

3.3　隧道亮度標(biāo)準

公路隧道照明問題，在國外曾做過多年的研究，由于困難較多，至今尚未建立統(tǒng)一的標(biāo)準.據(jù)有關(guān)資料介紹，國外公路隧道白天照明標(biāo)準如下：

（1）瑞士對于每小時60公里的速度，最低亮度標(biāo)準是3cd／in (1968年的建議標(biāo)準)。

（2）日本基本照度的平均路面亮度(對于干燥路面值)

4　實驗論證

4.1　我校背景

選取維度較低，日照較為充足的高速公路隧道。每年平均8個月中每天平均日照在7小時左右。

4.2　計算假設(shè)與計算

凹面鏡截面圓半徑r=2m；光學(xué)元件透光率取90%；反射率取95%；云層穿透率取40%；仰角修正系數(shù)取0.6的保守估算

每個燈光源的功率：

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）（由于未計算投影面積,面積應(yīng)與實際投影面積為準）

每一個頂置發(fā)光的功率產(chǎn)生平均505KW，那么平均每個月將可產(chǎn)生有用功846720焦耳（W=504×8×7×30），那么一年將節(jié)約很多6773760焦耳的電，也就更加節(jié)約很多一次能源。

5　結(jié)束語

此構(gòu)想設(shè)計為社會的環(huán)保將有很大的幫助，實用性較高，且在南方多山的地形以及擁有強烈長時間的光照，從節(jié)約能源的角度上來講，更具有了普及公路隧道光照的可能。

在全球倡導(dǎo)環(huán)保地球的驅(qū)動下，我們每個公民都更應(yīng)該主動的去關(guān)注各個可以環(huán)保解決的實際問題。而針對本文介紹的光照隧道理論體系，我們秉著環(huán)保思路去構(gòu)造，用最清潔的能源去服務(wù)我們的公路，為我們大家日后的出行更添一份景色，所以把太陽未能照射到的地方成為可能，是我們當(dāng)代專家及學(xué)子可以思考的，在此更希望能得到相關(guān)專家及領(lǐng)導(dǎo)的進一步的完善和實施，為我國的環(huán)保隧道奉獻一份力。

【參考文獻】

［1］過廷獻、侯志遠、淺談公路隧道的照明問題鄭州市公路建設(shè)重點工程管理處

［2］沈元華、陸申龍主編基礎(chǔ)物理實驗，北京：高等教育出版社，2003

［3］秦慶戊新型光散射材料的研制與開發(fā)狀況　賈玉潤、王公治、凌佩玲主編大學(xué)物理實驗，復(fù)旦大學(xué)出版社，1987

［4］蒲利春張雪峰、大學(xué)應(yīng)用物理、科學(xué)出版社　2007

［5］彭志剛、光伏建筑一體化在城市應(yīng)用中光反射問題的探討

［6］殷志剛、太陽能光伏發(fā)電材料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］、科協(xié)論壇.2008.8：47

［7］官貞珍、陳德珍、太陽能利用方法研究同濟大學(xué)熱能與環(huán)境工程研究所上海100092

［8］陳仲林、孫春紅、公路隧道照明設(shè)計研究重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045

［9］劉成銀、中長隧道控制測量技術(shù)研究、中鐵十四局集團公司隧道分公司、山東濟南 250002

［10］JTJ026—90，公路隧道設(shè)計規(guī)范［s］

［11］李智、《光的傳播》探究型數(shù)學(xué)設(shè)計和反思