基于无影照明原理的公路隧道太阳光反射照明应用设计

李鹏飞 ，党 风，史玲娜，涂 耘，包谋多，王 宸

(1.陕西省交通建设集团公司平镇高速公路建设管理处，陕西 西安 710075；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；3.重庆交通大学，重庆 400074)

引言

随着我国公路隧道建设和通车里程的增加，隧道照明能耗仍以逐年递增趋势成为公路交通节能减排关注焦点[1]。尽管高效节能灯具和智慧化控制技术为隧道照明节能提供了进一步的空间，但传统电光源照明模式下仍需用能始终是隧道节能瓶颈所在[2-4]。“碳达峰、碳中和”的低碳减排目标为太阳光直接照明用于隧道实现照明节能成为新的发展方向。作为一种有别于光伏供电的太阳能利用方式，太阳光直接照明以光场空间转移为特点，光能利用率取决于光学系统的设计精度，可突破传统光伏利用技术因存在“光—电—光”二次转换使得太阳能利用率局限于20%左右的技术瓶颈[5，6]。招商局重庆交通科研设计院有限公司最新研制的太阳光反射照明技术可实现太阳光利用率高达60%以上，并且光传输距离超过100 m，与太阳光光纤照明技术与光导管技术相比，光能利用率更高，是目前国内外太阳光远距离传输下光能利用率较高的技术，为实现零能耗的公路隧道太阳光直接照明技术的推广成为可能[7-13]。

太阳光反射照明技术以顺光照明的方式直接将太阳光投射至隧道入口，利用其传输的太阳光与洞外亮度实时一致的优点可解决隧道入口加强照明高能耗问题。在系统高光能利用率实现的前提下，需进一步解决系统工程安装应用的眩光和光线遮挡问题。本文从无影照明的光学原理提出太阳光反射照明系统的空间错位布置方法，有效克服了顺光照明过程中行驶车辆对光线的遮挡，结合反射镜的微调，避免系统间的光线遮挡与车辆反光镜对驾乘人员的眩光影响，从而实现该技术在隧道照明节能领域推广应用，为公路交通低碳减排提供绿色新能源、新技术应用解决方案。

1 原理

本文提出的太阳光反射照明系统在隧道入口前方的安装方式如图1所示。图中101为安装于隧道入口两侧的太阳光反射照明系统阵列，每套系统的采光部件通过可水平偏转与垂直偏转的二维跟踪系统始终以正对准的方式采集太阳光，并通过方向可调的反射镜将太阳光以不同的出射角投射至隧道内部。由于每套系统的反射镜以不同角度射至隧道内部，通过太阳光反射系统阵列中不同系统之间的纵向和横向空间错位布置，即可实现基于无影照明原理的安全保障前提下太阳光直接照明，达到该技术应用下的隧道零能耗照明节能效果。

图1 太阳光反射照明安装示意图Fig.1 Installation diagram of sunlight reflection lighting

图2为单套系统在隧道外的安装位置、其空间横向与纵向参数以及反射镜的二维偏转角对太阳光的隧道内照明区域的影响关系。以反射镜的光学中心为系统中心参考点进行分析，由图2可知，对于单套系统而言，影响太阳光在隧道内照明区域的参数为中心距地面高度h、距近端车道边缘w0、距隧道口距离d0、反射镜的水平偏转角α和竖直偏转角β。

图2 单套系统安装参数与太阳光照明区域的关系Fig.2 Relationship between the installation parameters of a single system and the sunlight illumination area

在设定上述参数前提下，投射的太阳光在隧道内照明区域近端距洞口距离为d1、纵向照明区域长度d2、近端离隧道壁的距离w1和横向区域照明宽度w2，可得每一套设备在隧道内的照明区域参数与系统的安装参数满足下述关系：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，γ和λ分别为反射光束的纵向和横向光束扩散角，为光学系统固有参数，即采用该系统进行隧道太阳光照明时，单套设备可通过安装位置并调节反射镜的水平偏转角α和竖直偏转角β进行照明区域位置和范围的设定。根据式(1)和式(2)得到单套系统在隧道内照明范围离洞口的距离及在隧道内的照射长度与反射镜竖直偏转角β的关系如图3(a)所示。由图3(a)可知，当安装高度(2 m)一定时，随着竖直偏转角β的减小，照射区域离洞口越远且长度越长；在2 m安装高度下，当竖直偏转角为2°时，该系统所投射的太阳光可从洞口以内18 m起照亮96 m长的范围。当安装高度不同时，系统的投射范围亦不同。图3(b)为偏转角β同为2°时，系统所投射的太阳光距离洞口位置与安装高度的关系。由图3(b)可知，随着安装高度的增加，系统越能将太阳光投射至隧道深处且投射长度也增加，当安装高度为5 m时，系统可将太阳光投射65 m起至近200 m范围。

图3 反射镜竖直偏转角、安装高度与在隧道内照射距离及长度的关系Fig.3 Relationship between vertical angle of mirror and system installation height and irradiation distance and length in tunnel

根据式(3)和式(4)可得单套系统在隧道内照明近端离隧道边缘的距离及照射宽度与反射镜水平偏转角α和竖直偏转角β之间的关系如图4所示。由图4可知，随着水平偏转角的增加，系统投射的太阳光在隧道内照射区域离隧道壁越远，照射宽度增加不大，两者均随竖直偏转角的增加而减小。同样经过计算表明，系统所投射太阳光在隧道内的横向位置和宽度亦随着安装高度的增加而增加。

图4 反射镜竖直与水平偏转角与照明区域距隧道壁的关系Fig.4 Relationship between the vertical and horizontal angles of the mirror and the distance of illumination area to wall

由上述分析可知，当太阳光反射照明系统以顺光照明方式将太阳光投射进入隧道时，每套设备所投射太阳光在隧道内的照明区域可通过设置合理的安装参数，并调整反射镜的偏转角，实现所需照明区域的太阳光照明全覆盖。以满足240 m长的隧道入口加强照明为例，当隧道洞外亮度L20(S)为3 000 cd/m2时，隧道外的太阳光直射照度可达2×105lx，根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)[14]，240 m长的隧道入口和过渡段加强照明设置22套系统即可满足照明要求，在隧道入口前方两侧路沿各设置11套系统，并按上述方法将每套设备的安装参数在空间位置和投射方向上进行错开，即可满足该区域的光照需求。

2 无影照明设计

2.1 避免车辆遮挡的无影照明设计

根据无影照明设计原理，当投射的太阳光从不同方向入射时，尽管对于行驶至隧道内的车辆挡住了部分光线，但只要行驶过程中始终有未被遮挡的光线即可减轻车辆的本影，并保证车辆前方始终有太阳光照明，具体实现方式如图5所示。

图5 避免车辆遮挡的无影照明设计原理Fig.5 Design principle of shadowless lighting to avoid vehicle occlusion

当多套太阳光反射照明系统以不同参数进行安装时，每套系统均由不同角度投射至隧道内不同照明区域，假定车辆在行驶过程中进入隧道内的距离为l，要实现车辆前方有太阳光照射，则系统安装参数与车辆位置关系应满足条件：

h≥tanβ×(l+d0)+hv

(5)

(6)

其中，hv表示车身高度，wv表示车身离隧道壁距离。对于车辆行至隧道内距口的距离为l时，只要多套系统中至少一套系统的安装参数满足上述要求，该车前方就有太阳光照明。通常隧道净高在7.5 m左右，车辆限高为5 m，由式(5)和式(6)可得车辆行至不同距离所需满足的安装参数如图6和图7所示。由图6可知，当行驶车辆在隧道内的位置越往里，若要有太阳光照亮其前方路面，则设备所需安装高度越高；当系统向下偏转角越小时，所需安装高度则越小；进一步计算表明，当系统越远离洞口时，所需安装高度越高。因此，在实际系统安装中，越靠近洞口的系统应以较小的向下偏转角并以较高的安装高度进行安装，以达到太阳光在隧道内部较深处的照明，并避免驶入隧道内部较远的车辆对太阳光的遮挡。

图6 避免车辆遮挡的车辆距洞口距离与系统安装高度和竖直偏转角的关系Fig.6 Relationship between the distance to avoid vehicle occlusion and system installation height and vertical angle

从图7可知，当行驶车辆位于隧道内不同深处和不同车道位置时，系统可通过设置不同的水平安装距离和水平偏转角使光线投射至车辆前方，避免车辆的遮挡。进一步分析图7(a)可知，当系统安装于洞外路侧距洞口距离一定时，系统的反射镜水平偏转角越小，太阳光投至隧道内相同深度离隧道边缘距离越小；在相同水平偏转角时，太阳光投至隧道内越深，则越远离隧道边缘。当系统安装于洞外离洞口距离不同时，如图7(b)所示，在相同水平偏转角下，要将太阳光投射至相同位置，系统离洞口越远，则系统安装应离路沿越远；并且当系统安装离路沿越远时，太阳光越难投射至隧道深处距隧道边沿较近处。因此，系统采用路侧式安装时应尽量沿着路沿安装，并以较小水平偏转角投射；越远离洞口的系统，应离路沿距离越小，以达到远距离投射时可将太阳光向纵深方向投射。

图7 避免车辆遮挡的车辆在隧道内位置与系统横向安装参数的关系：(a)不同水平偏转角下车辆在洞内位置与避免遮档系统需离路沿距离要求，(b)系统距洞口不同距离下车辆在洞内位置与避免遮档系统需离路沿距离要求Fig.7 Relationship between position of vehicles in the tunnel to avoid vehicle occlusion and the transverse installation parameters of the system:(a)demand for the distance between system and roadside beyond the different horizontal angles and position of vehicle inside the tunnel，(b)demand for the distance between system and roadside beyond the different distance for system to tunnel portal and position of vehicle inside the tunnel

根据上述分析，当有多套系统以阵列式安装于隧道洞外时，两侧系统在避免山体及周边建筑对采光影响的前提下应尽量从近洞口处安装，并遵循离洞口处系统安装高度高、距路沿远的原则，由近至远高度依次降低，并依次接近路沿的错位安装，尽量以小角度进行竖直和水平偏转，使阵列式安装的系统均以不同指定方向投射至隧道内不同位置；或以相同高度安装，让不同位置的系统反射镜竖直偏转角由近至远角度递减，也可使太阳光投射至隧道纵深处的不同位置，当车辆行驶至隧道内不同位置时均可满足前方有太阳光照明，从而实现车辆行驶中的太阳光无影照明效果。

2.2 避免系统间遮挡的无影照明设计

根据上述分析，要达到车辆行至隧道内不同位置均能实现太阳光的无影照明效果，可通过多套系统以错位阵列式的安装方式进行指定方向太阳光投射，总可实现部分太阳光以从不同角度射至车辆前方，达到无影照明设计原理。同时，要实现隧道纵深处的太阳光照明，系统在安装方式以距洞口由近至远高度递减方式为佳，或采用相同高度时反射镜竖直偏转角递减，在距路沿距离上应以越远离洞口距离越近的原则。在采用上述方式实现对车辆的无影照明设计后还需考虑系统间可能引起的遮挡对太阳光投射的影响。

如图8所示，由于系统以离洞口由近至远按高度递减或高度一致的原则进行安装，系统间要避免光线遮挡，只能通过水平方向角度偏转以实现光线出射。设以系统中心作为参考点，相邻两系统间的纵向间距为y，横向间距为x，当反射镜的水平偏转角为α、出射光的光束角为γ时，要满足出射光不被前套系统遮档，相邻两系统之间的安装参数应满足要求：

图8 避免光线遮挡的系统间错位安装原理Fig.8 Principle of misplacement between systems to avoid light occlusion

(7)

其中，x0为系统半径，且x0需满足式(6)系统安装中心离路沿的距离要求。

根据实际所研发太阳光反射照明系统半径为0.3 m，当反射镜分别以2°、3°、4°发生水平偏转时，在满足式(6)条件下相邻两系统间不产生光线遮挡的横向和纵向安装间距如图9所示，只要横向间距大于系统半径，根据路侧式安装的光路传输方向，不会发生相邻系统对光线的遮挡；当横向间距小于系统半径时，随着间距的增加即后方系统越靠近路沿，两系统间的纵向间距减小。分析表明，当反射镜的水平偏转角为3o、横向间距为0.05 m时，纵向间距5 m即可以达到要求，该间距亦满足光学系统的跟踪太阳光过程中的转动半径要求。

图9 避免光线遮挡的相邻系统横向与纵向安装间距要求Fig.9 Horizontal and longitudinal installation spacing requirements for adjacent systems to avoid light occlusion

由上述分析可知，当太阳光反射照明系统以路侧式安装于隧道洞口，并将太阳光以顺光照明方式投至隧道入口时，通过不同系统在安装高度和横向与纵向距离之间的设置，并微调反射镜的出射方向，加之从系统中出射的太阳光具有一定的发散角，该阵列式太阳光反射照明系统将在隧道内形成一种立体空间光场的太阳光无影照明效果，可保证行驶于隧道内的车辆前方路面始终有太阳光照明，同时也可以实现系统间的无遮挡太阳光高效投射至隧道内部。

进一步分析可知，本技术的应用过程中以总体向下投射的方式将太阳光投射至隧道内部，对于行驶车辆而言，顺光照明的方式因与行车方向一致，不会产生直射驾乘人员的眩光，可能存在部分光线射到车头两侧的反光镜，根据几何光学反射原理，光线将通过反射镜沿下方反射，不会将反射光射至高于镜面的人眼位置。因此，该技术属于一种安全有保障的零能耗绿色照明新技术，以太阳光的高利用率促进隧道照明低碳节能技术的发展。

3 模拟仿真

为进一步验证太阳光反射照明系统在顺光照明方式有车辆行驶于双车道隧道内部时的无影照明效果，实验采用Tracepro进行系统实施效果仿真，在隧道洞口10～35 m处的两侧路沿以5 m为间距进行阵列式布置。根据上述研究结果，安装高度由近至远由6 m起以0.5 m进行递减，横向以0.03 m的微小距离进行光学中心错开。模拟仿真中通过微调反射镜的偏转角，使不同系统出射的光线射至隧道内指定位置，实现隧道指定区域的照明效果。

当隧道洞口无车辆遮挡时，由洞口至内的照明效果如图10(a)所示，由于不同系统从不同方位将光线由洞口射到内部，最终实现由外至内光照由强变弱的效果，与隧道行车视觉需求一致，具备天然的视觉适应性特点。图10(b)和(c)分别为隧道内一个车道和两个车道有大车遮挡的路面照明效果。由图可知，当隧道内两个车道有大车遮挡时，路面的照明效果比一个车道被大车遮挡影响多些，但在车辆前方路面均有光照，并且整个照明区域的光照分布规律基本不变，三种情况的路面亮度分布规律基本与隧道行车视觉适应性需求一致。当系统设置数量增加时，路面亮度可成比例增加，并保持总体分布趋势一致，说明本系统通过设置合理的参数可实现有遮挡情况下的无影照明效果。

图10 有无车辆遮挡的太阳光无影照明模拟仿真效果：(a)洞口无车辆遮挡，(b)洞口一个车道有车辆遮挡，(c)洞口两个车道有车辆遮挡Fig.10 Simulation effect of sunlight shadowless lighting without vehicle occlusion:(a)no vehicle at the tunnel portal,(b)vehicle at one lane of tunnel portal,(c)vehicles at two lane of tunnel portal

4 工程应用

4.1 工程应用

根据上述研究，将本系统应用于陕西平镇高速隧道，作为隧道照明一部分，与现有电光源照明共同作用于该隧道照明，实现太阳光直接照明与电光源照明互补的照明安全与节能效果。作为技术应用的试点工程，该隧道应用了4套本系统，从距洞口9 m处以2.4 m为间距，统一以2 m的安装高度进行安装，通过调节反射镜的偏转角进行投射光方向的调整，具体设置参数如表1所示，并按图11进行现场施工，安装效果和出光效果如图12所示。

图11 太阳光反射照明安装施工设计图Fig.11 Sunlight reflection lighting installation and construction design drawing

图12 太阳光反射照明工程实施效果Fig.12 Implementation effect of sunlight reflection lighting project

表1 太阳光反射照明安装参数表Table 1 Sunlight reflection lighting installation parameters table

4.2 应用效果测试

为进一步得到这种新型反射式太阳光直接照明技术在实际工程领域的应用效果并指导工程推广应用，分别从有无太阳光照明对比效果和无影照明效果角度对应用效果进行测试。由于本技术的太阳光照明以投射形式射入隧道，在隧道内的照明范围包括路面和墙面的整个空间范围，因实际工程为通车运营隧道，为保证测试安全，测试人员在检修道上对太阳光所照射的隧道壁面的照度进行测试分析，以得出太阳光在隧道内的照明效果以及无影照明效果的验证。

(1)有无太阳光照明效果对比。

测试采用ST-86L型照度计，对隧道壁面同一区域进行有太阳光照明和无太阳光照明下的照度测试。取相同条件下该区域有太阳光照射下的测试点照度，之后直接在系统出光面将太阳光挡住，对相同测试点进行照度测试，得到有无太阳光照射情况下的墙面照度如图13所示。

图13 有无太阳光照明隧道壁面照度测试Fig.13 Tunnel wall illumination test with or without sunlight illumination

由图13可知，对于相同测试点，有太阳光照明时其照度值比无太阳光照明时普遍高20%以上，并且离隧道越远，增加比例逐渐提高。其原因在于无太阳光照明时，路面照度在无电光源照明下主要来源于洞口自然光的贡献，由于洞口自然光无法对隧道内部进行照明，所以离洞口越远，自然状态下洞内照度迅速降低。在通过本系统照明时，可通过调节反射镜的偏转角将太阳光投至隧道内部，所以这些区域的照度增幅很大，进一步地，当系统数量增加时，内部区域的照度增加幅度将进一步增大。由于本技术是将太阳光直接投射进入隧道，意味着采用一定数量太阳光直接照明系统用于隧道加强照明可完全解决白天加强照明的高照明需求，可为实现零能耗或低能耗的隧道加强照明提供一种根本性的技术方案。

(2)无影照明效果测试。

测试车辆行至隧道口不同车道时，隧道壁面因车辆对太阳光的遮挡对照明区域照度的影响，测试仍采用照度计，分别对遮挡前后以及车辆处于不同车道时的同一位置的墙面照度进行测试，测试结果如表2所示。

表2 有无车辆遮挡时的隧道内照明测试效果Table 2 Test effect of tunnellighting with or without vehicle occlusion

由表2可知，在采用太阳光反射照明系统时，尽管车辆行驶于隧道内部会对部分光线有遮挡作用，但是由于在多套系统的空间光场共同作用下，车辆前方总有太阳光照射。本试点工程因系统安装于行车方向左侧路沿往行车道路面投射太阳光，因此当车辆只在一个车道时，车辆位于超车道时测试区域照明效果优于车辆在行车道的照明效果，其原因为本系统安装设计的太阳光在投射方向上沿洞口往行车道方向投射(超车道区域路面采用太阳光光纤照明技术进行照明)，在进一步推广应用时如果采用同种技术将采用两侧对称安装方式，从而当两个车道或单个车道有车辆时，无影照明效果将更加明显；并且，尽管车辆在不同位置对照明效果影响不同，但总体照度仍高于未有太阳光照明时的照度。因本试点工程采用太阳光直接照明与电光源照明相结合的技术方案，当太阳光反射照明系统台套数增加时，对应的路面照度将进一步增大，对应所需的电光源照明比例可进一步降低，从而可实现太阳光利用最大前提下的照明节能。

5 结论与讨论

本文针对太阳光反射照明系统的技术原理分析了采用顺光照明方式时车辆行驶于系统前方对照明效果的影响。研究表明，当系统采用阵列式安装，并通过合理的高度与横向间距设置以及调节系统反射镜的偏转角，可以实现有遮挡前提下的无影照明效果，为这种具有天然自适应特点的零能耗新型节能技术的推广提供了系统应用方案。

(1)采用阵列式的系统安装方式，可从距洞口端由近至远高度递减的原则进行安装，也可以相同高度进行安装，通过向下微调反射镜的偏转角，实现不同系统从不同方向投射立体空间角的光束将太阳光投至需照明区域内不同位置，可避免前方车辆对光线的遮挡，实现有车辆情况下的无影照明效果；

(2)阵列式安装的太阳光反射照明系统可通过在横向方向上，从距洞口端由近至远依次接近路沿的方式错位安装，可避免系统间对光线的遮挡，实现不同系统的太阳光均可以指定方向投射进入隧道内，实现高效的太阳光直接照明效果；

(3)实际工程应用效果表明，太阳光反射照明系统用于隧道入口可明显提升隧道内亮度水平，并且越往隧道内部，提升效果越明显。在行车方向有车辆遮挡时，车辆前方仍有太阳光照明，高于未有太阳光照明的照度，说明采用阵列式太阳光直接照明系统进行隧道照明可实现无影照明效果。

由于本技术属于一种零能耗的新型太阳光直接照明技术，为目前国内外太阳光直接照明技术中光能利用率较高的技术，将其用于隧道照明中通过合理的系统布设，可与电光源照明进行互补照明，是一种行之有效的绿色环保低碳照明技术，对于降低公路交通传统能源消耗、促进节能减排具有积极的促进作用。