智能LED光导照明系统研究设计

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光导照明技术具有节能、环保、安全可靠等优势，是未来照明技术的发展目标。通过介绍地下空间、室内空间内传统照明方式的缺陷，提出了一种面向智慧城市建设的智能led光导照明系统的设计方案，阐述了其工作原理。该方案引入了可根据外界光照强度自动调节光照强度的智能照明控制系统，充分发挥LED照明和光导照明的节能优势，具有广阔的推广应用价值。近年来，随着社会和经济飞速发展，新型智慧城市发展模式将是后续城市建设者们的重点关注对象。智慧城市建设需关注地下空间的开发利用，例如地下隧道、地下商场、地下防空工事等地下空间、室内体育馆、学校、医院、展览馆、工业厂房等室内空间将是重点建设部分。而对于地下空间、室内空间而言，节能照明问题就显得尤为重要，其将为城市带来新的活力，能使城市健康稳定发展。

一、光导照明技术的背景

地下隧道、室内体育馆等场所引入自然光照后达到室内照明效果所用设备即为光导照明系统。截至目前，国外已经形成以美国、英国、日本为首较为完善的光导照明市场，在光导照明相关的多项技术上均领先于中国。中国自从2004年首次引入光导照明技术，已成功应用于中国科技馆、上海世博会等地。因此，随着智慧城市的建设该技术将具有广阔的应用前景。由于光导照明具有节能、环保、健康、安全等优点而得到迅猛发展。当前城市基础设施迅猛建设，使得城市轨道交通、地下车库等大量采用电力照明，为了满足运行管理对照明强度的需求，需要设置大量的人工控制的非节能照明灯具，大大增加了运营维护的劳动强度和成本，这就需要新的照明措施来弥补这一缺陷。另外，为了有效改善隧道内视觉环境，同样需要采用新的光导照明系统，以提高驾驶人员的舒适性。随着文化和科学的发展，博物馆、雕塑园、陈列展厅、艺术商店等场所，也需要从照明理念对其灯光进行智能设计全方位展示整座建筑，以突出原创艺术。我国在光导照明技术的研制和应用领域仍较为落后，还不具备大规模自主生产光导管的能力，原因在于产业内高反射率薄膜等核心技术未攻破，产品及应用模式单一。另外，光导照明系统稳定性差、可靠性低，难以大规模推广。因此，需要对现有的光导照明系统进行优化升级，引入LED照明技术进行辅助照明，实现对传统光导照明系统升级改造。

二、智能LED光导照明系统设计方案

针对上述问题，论文提出一种可根据外界光照强度实时调节自身光照强度的光导照明装置设计方案。该照明装置通过在传统光导照明装置中添加日光调节装置、补光装置和单片机控制装置，从而实现了根据外界光照强度，实时调整装置自身光照强度的功能，保证该装置光照输出始终可靠，且可根据用户体验改变光照强度，使装置适用于多场合。该技术方案可以保证光照强度的可靠性，同时加入了可控系统，使得光导照明技术可以应用于日常中。该装置具体结构如图1所示，按功能可以将其分为四部分：光导入装置，光传输装置，照明输出装置及控制系统等，其中光导入装置由采光罩、密封圈、光导管支架、日光调节器组成，光传输装置由光导管、光电传感器组成，照明输出装置由照明支架、LED补光灯、漫射罩组成，控制系统由STM32单片机、红外传感信号器、蓄电池组成。当太阳光光线进入光导管后，安装于内壁的光电传感器对光强信号进行AD采集，将数据传递给单片机，光照强度低于指定值时，单片机通过电信号控制日光调节器中的舵机，减小日光调节器地张开面积，使光线尽可能多的照射进光导管中，当单片机发现日光调节器已完全关闭，若光照强度依旧低于指定值，则转而控制LED补光灯，点亮LED灯，以补充光照。当光电传感器检测到光照强度高于指定值时，反馈数据给单片机，单片机检查LED灯是否开启，若LED补光灯开启中，则控制LED灯逐一关闭，直至光照强度达到指定值附近，若LED灯完全关闭以后，光照强度依旧高于指定值，则控制日光调节器，使其张开，吸收部分光能以减小输出光照强度，直至达到指定值附近。同时日光调节器还可以吸收太阳能，转化为电能，储存在蓄电池中，用来供给单片机及日光调节器用电。最后，该装置安装结构如图2所示。

三、光导照明系统应用案例与效益分析

1光导照明系统应用案例

对于光导照明而言，根据应用场景不同，对光照强度等参数要求也不同，以提高光导照明对环境的适应性。通过调查研究，确定了车库照明、室内照明为代表对照明系统应用情况进行分析。①车库照明系统：为了保证地下车库里进、出及停放车辆的安全，需要照明系统具有良好的照明效果。但实际使用过程中，车库照明系统仅仅在车辆进出、人员走动的时候需要照明，但多数情况下，照明系统都处于“无效照明”状态。因此，借助光导照明系统结合传感器技术，对地下车库进行改造，让其“按需照明”，实现“节能照明”，这必将是智慧城市中车库照明系统的发展主流。②室内照明系统：针对应用范围广阔的室内照明而言，照明系统必须做到智能可调，可以根据室内用户的习惯，通过红外信号自动地对LED光导照明系统的基准亮度值进行调节，设置所需的光强要求，实现人性化控制，提高用户体验水平。

2光导照明系统效益分析

参照《建筑照明设计标准》与《照明标准手册》，以某大学中型教室（标准座位设置，可容纳90~100人，面积约为200m2）为例，照明系统功率密度值为11W/m2其目标值为9W/m2，为达到最好照明效果，以目标值作为计算标准，单个光导管服务的有效照明直径约为5m，根据照明分布计算，每个教室约覆盖8~9个光导管，且每个光导管的有效工作效率为176.65W。一般教室每个工作日照明使用时长平均值可达12h，按一年260个工作日计算，则单个光导管每年节省的照明耗电量约为551.07kW.h，以每个教室覆盖8个光导管为例，则每个教室每年可节约大约4408.56kW.h电量。

四、结束语

对于光导照明系统而言，在原有照明系统基础上，充分利用太阳能资源，突破纯光导照明的局限性，大大降低电量消耗，缓解电能紧张局势。而光导照明技术的未来，除技术本身的进步以外，仍存在很大的创新空间，例如光导照明系统与室内通风技术的结合利用、光导照明技术与追光装置的结合利用等，均可改进光导照明技术的使用效果。

作者:庞晓艳 马文哲 雷雨 姚锐斌 殷鑫 马俊金 单位:河南理工大学