隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置及方法。

背景技术

随着国家经济的快速发展，以高速公路为标志交通运输业更是发展迅猛，但是公路隧道运营管理费用特别是隧道照明电费已成为一笔巨额开支，安全与节能的矛盾也变得日益突出。对驾驶员而言，汽车速度一定情况下在隧道的进出口段光亮度梯度太大，将导致视觉不能尽快调节过来而产生“黑洞”和“白洞”效应，进而使得交通事故的几率上升。为了保证安全前提下实现节能，国家规定隧道照明由基本照明和增强照明两个系统组成，其中分布于整个隧道的基本照明系统一直处于日夜不停的照明状态，而安装于隧道进出口区段的加强照明则通过自动控制的方法，使其根据隧道外太阳光强弱程度而自动控制打开照明灯的个数，只要使其亮度梯度满足技术要求即可；例如：夏天中午太阳光最强时所有的加强照明灯组全部打开工作；冬天或者阴雨天只打开部分；而在晚间全部关闭，从而达到满足技术要求条件下有效节能的目标。

目前，隧道加强照明中大多利用常规电力，以高压钠灯、LED灯等作为照明光源，但实际工程中由于闭环式自动控制中的太阳光传感器所处工作环境恶劣和位置偏僻维修不便等因素导致系统故障率高的实际问题，迫使人们放弃自动控制功能以保证系统工作可靠性，通常加强照明系统都是按照夏天最强太阳光设计配备的恒定照明系统，并且与基本照明系统工作状态一样，从而在高可靠性保障满足要求的同时却造成电能源的巨大浪费。相关技术中利用光纤式太阳光输送机将隧道外部的太阳光引入隧道内加强照明，实现了直接利用太阳光隧道进出口的加强照明功能，但是在推广应用中因为其通过光纤传输太阳光的方式不但使得系统成本增加，而且远距离仅30％左右传输效率也制约了性价比提高。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了免光纤式公路隧道进出口段太阳光直接加强照明系统的实施工程方案，通过隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置及方法，能够高效利用太阳光对隧道进、出口内规定距离进行加强照明，降低隧道进出口的亮度梯度，提高车辆行驶安全性，节能环保，降低成本，提高性价比。

为了实现以上目的，本发明提供了隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置，包括在隧道口的顶部由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜，且多个所述漫反射镜的安装高度由外向内依次递减，所述漫反射镜的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，隧道口外侧固定设置有支撑架，所述支撑架的顶部转动设置有旋转架，所述旋转架传动连接有第一驱动机构，所述第一驱动机构被配置为能够驱动所述旋转架沿水平轴转动，所述旋转架上转动设置有多个定向镜面反射镜，所述定向镜面反射镜能够定向反射太阳光至所述漫反射镜，多个所述定向镜面反射镜均传动连接至第二驱动机构，所述第二驱动机构被配置为能够驱动多个所述定向镜面反射镜绕竖直轴转动，隧道口内侧顶部设置有光线方向传感器，所述光线方向传感器位于所述定向镜面反射镜反射太阳光线的路径上，且所述光线方向传感器的光轴平行于隧道中心线，还包括控制器，所述光线方向传感器、所述第一驱动机构和所述第二驱动机构均通信连接至所述控制器。

进一步地，所述漫反射镜呈多列布置于隧道口的顶部，每列包括安装高度由外向内依次递减的多个所述漫反射镜，且多列所述漫反射镜沿隧道的顶部拱形间隔设置，且所有所述漫反射镜接受平行太阳光线的有效面积布满平行太阳光线通过的隧道的顶部拱形空间的截面积。

进一步地，当所述漫反射镜安装于隧道入口顶部时，所述漫反射镜的准平面与竖直线的安装夹角β1＞设定角度；当所述漫反射镜安装于隧道出口顶部时，所述漫反射镜的准平面与竖直线的安装夹角β2＜设定角度。

进一步地，所述漫反射镜和/或所述定向镜面反射镜包括钢化玻璃，所述钢化玻璃的外表面设置有防尘膜，所述钢化玻璃的内表面设置有银反射膜，所述银反射膜外侧通过EVA胶设置有TPT背板，所述漫反射镜和/或所述定向镜面反射镜的外周设置有框架，所述漫反射镜的钢化玻璃的外表面还设置有压花处理的漫反射图形构成的准平面。

进一步地，所述支撑架包括在隧道口两侧设置的立柱，两个所述立柱的间隔距离与隧道口的宽度相适配，两个所述立柱的上端固定有横梁，两个所述立柱的下端固定有钢板，所述钢板固定嵌设于水泥桩，所述水泥桩固定于地面。

进一步地，所述支撑架的顶部相对设置有两个立板，两个所述立板上均转动设置有水平转轴，所述旋转架的两侧分别与两个所述水平转轴固定连接，所述第一驱动机构包括固定设置于所述支撑架的第一电机，所述第一电机与两个所述水平转轴中的任意一个传动连接。

进一步地，所述旋转架上沿水平方向间隔转动设置有多个竖直转轴，所述定向镜面反射镜固定设置于所述竖直转轴，多个所述竖直转轴均传动连接至所述第二驱动机构；所述第二驱动机构包括固定设置于所述旋转架的第二电机，所述第二电机的输出轴和多个所述竖直转轴的下端均固定套设有齿轮，多个所述齿轮套设有链条。

进一步地，所述支撑架的顶部两侧均固定设置有多个固定架，所述固定架上固定设置有所述漫反射镜或复合反射镜，所述复合反射镜能够同时定向镜像反射和漫反射太阳光，所述漫反射镜或所述复合反射镜的准平面法线倾斜于内下方。

进一步地，所述支撑架还设置有风速传感器，所述风速传感器通信连接至所述控制器，所述控制器还设置有GPS时间器。

本发明还提供了隧道进出口太阳光定向反射直接照明的方法，采用上述的隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置，包括：控制器控制第一驱动机构和第二驱动机构启动实时调整旋转架上的定向镜面反射镜的角度，以使定向镜面反射镜将太阳光定向反射至隧道口内的漫反射镜，漫反射镜根据进、出口不同设置相应安装角度，并将太阳光漫反射后均匀分布在隧道内路面上，实现太阳光直接加强照明。

与现有技术相比，本发明在隧道口的顶部拱形空间由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜，在隧道口外侧设置支撑架，在支撑架上设置第一驱动机构和旋转架，在旋转架上设置第二驱动机构和多个定向镜面反射镜，利用定向镜面反射镜定向镜面反射太阳光至漫反射镜，且多个漫反射镜的安装高度由外向内依次递减，以使各个漫反射镜均可以接收到定向镜面反射镜定向反射的平行太阳光，再漫反射至隧道内及路面，达到加强照明效果；并在隧道口内侧顶部设置有光线方向传感器，光线方向传感器位于定向镜面反射镜反射太阳光线的路径上，且光轴平行于隧道中心线，利用光线方向传感器可以实现对光线方向的检测并实时反馈给控制器，以使控制器实时控制第一驱动机构驱动旋转架带动其上的多个定向镜面反射镜整体沿水平轴转动以实现高度角的自动跟踪；控制第二驱动机构驱动旋转架上多个定向镜面反射镜整体绕竖直轴转动以实现方位角的自动跟踪；从而实现实时立体调整旋转架上的定向镜面反射镜的角度，充分将太阳光顺着隧道中心线方向利用上部拱形空间定向反射至隧道内，，保证定向反射平行太阳光平行于路面又处于隧道正上方的拱形空间，再通过漫反射镜组进行漫反射到路面上实现太阳光的直接照明。本发明的方案能够高效利用太阳光对隧道进出口路段实现加强照明，降低隧道进出口的亮度梯度，消除“黑洞”和“白洞”效应，本身具有自适应性技术优势，回避了太阳光直接照明系统时有时无稳定性差的固有性能缺陷。另外，漫反射镜反射的漫反射太阳光，还可以根据进、出的不同调节漫反射镜的安装角度使得漫反射太阳光大方向与车辆行驶方向相同而避免光线刺眼，提高驾驶安全性，节能环保，降低成本，提高性价比。

附图说明

图1是本发明的结构示意图一；

图2是本发明的结构示意图二；

图3a是本发明的漫反射镜在隧道入口的安装示意图；图3b是本发明的漫反射镜在隧道出口的安装示意图；

图4是本发明的漫反射镜的结构示意图；

图5是本发明的局部结构示意图一；

图6是本发明的局部结构示意图二；

图7a是本发明的光线方向传感器的结构示意图一；图7b是本发明的光线方向传感器的结构示意图二；

其中，1是支撑架、101是立柱、102是横梁、103是钢板、104是水泥桩、105是立板、2是旋转架、201是加强筋、202是密封盒、3是第一电机、4是水平转轴、5是定向镜面反射镜、6是竖直转轴、7是齿轮、8是链条、9是第二电机、10是固定架、11是光线方向传感器、111是底座、112是粗调光传感器、113是细调光传感器、114是焦距调节部、115是固定螺圈、116是平凸透镜、12是风速传感器、13是漫反射镜、131是防尘膜、132是钢化玻璃、133是银反射膜、134是EVA胶、135是TPT背板、136是框架、14是安装架、β是漫反射准平面与垂直线的夹角、N是漫反射准平面的法线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明实施例提供了隧道进出口太阳光定向反射直接照明的装置，参见图1至图7b，本发明装置包括在隧道口的顶部由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜13，且多个漫反射镜13的安装高度由外向内依次递减，漫反射镜13的准平面根据车辆行驶方向与竖直线呈角度设置，隧道口外侧固定设置有支撑架1，支撑架1的顶部转动设置有旋转架2，旋转架2传动连接有第一驱动机构，第一驱动机构被配置为能够驱动旋转架2沿水平轴转动，旋转架2上转动设置有多个定向镜面反射镜5，定向镜面反射镜5能够定向反射太阳光至漫反射镜13，多个定向镜面反射镜5均传动连接至第二驱动机构，第二驱动机构被配置为能够驱动多个定向镜面反射镜5绕竖直轴转动，隧道口内侧顶部设置有光线方向传感器11，光线方向传感器11位于定向镜面反射镜5反射太阳光线的路径上，且光线方向传感器11的光轴平行于隧道中心线，还包括控制器，光线方向传感器11、第一驱动机构和第二驱动机构均通信连接至控制器。

本实施例中通过控制器控制第一驱动机构和第二驱动机构调整定向镜面反射镜5的角度，以使定向镜面反射镜5能够将太阳光沿平行于隧道中心线的方向从隧道顶部拱形空间定向反射至在隧道口的顶部拱形由外向内依次间隔设置的多个漫反射镜13，通过漫反射镜13漫反射太阳光，均匀照射在隧道内及路面上，达到了加强照明的效果。

优选地，参见图3a、图3b和图5，漫反射镜13呈多列布置于隧道口的顶部，每列包括安装高度由外向内依次递减的多个漫反射镜13，且多列漫反射镜13沿隧道的顶部拱形间隔设置，且所有漫反射镜13接受平行太阳光线的有效面积布满平行太阳光线通过的隧道的顶部拱形空间的截面积。本实施例的多列漫反射镜13分布安装于隧道的拱形空间的不同高度，漫反射镜13具体通过安装架14安装于隧道顶部正中间以及两侧，本实施例以三列为例，中间一列水平安装，两侧的二列分别与水平线呈夹角10～20度向中心倾斜安装。本实施例中漫反射镜13的安装角度根据隧道入口和出口方向确定，当漫反射镜13安装于隧道入口顶部时，漫反射镜13的准平面与竖直线的安装夹角β1＞45°；当漫反射镜13安装于隧道出口顶部时，漫反射镜13的准平面与竖直线的安装夹角β2＜45°，且每一个漫反射镜13的具体角度与出入口方向有关，特定的角度保证漫反射光线方向与车辆行驶方向一致而不刺激驾驶员眼睛：如对于隧道出口处的漫反射镜准平面与竖直线夹角β＝40度时，通常进入隧道上部拱形空间的平行太阳光线可以认为是平行路面是水平线，则漫反射光线大方向与竖直线夹角为10度且与车辆行驶方向一致如图3b示意图所示；对于隧道出口则相反，如β＝50度时，则漫反射光线大方向与竖直线夹角为10度且与车辆行驶方向也一致如图3a示意图所示。每列的相邻两个漫反射镜13相互之间保持一定的平行距离。安装架14材料为角铁，上部通过膨胀螺栓固定于隧道顶部水泥中，下部以螺栓与漫反射镜13相连接。

优选地，漫反射镜13和/或定向镜面反射镜5包括钢化玻璃132，钢化玻璃132的外表面设置有防尘膜131，钢化玻璃132的内表面设置有银反射膜133，银反射膜133外侧通过EVA胶134设置有TPT背板135，漫反射镜13和/或定向镜面反射镜5的外周设置有框架136，采用钢化玻璃132目的是提高使用安全性，因为钢化玻璃132被意外撞击破碎后的碎片没有锐角，避免对于驾驶员或者乘客的伤害，而且背面粘结的TPT背板135，同样是进一步的安全措施，保证即使钢化玻璃132被意外撞击成为玻璃碎片后也被粘结在TPT背板135上，而不会掉落下来对于行驶车辆和人员造成伤害。且漫反射镜13的钢化玻璃132的外表面还设置有压花处理的漫反射三维微结构图形构成的准平面，三维微结构图形的形状与大小尺寸的变化可以构成复合反射镜，实现漫反射与镜面定向反射的比例调节，达到既能够漫反射后均匀分布于隧道路面，又保证其反射深度满足规定长度(如50米)的技术要求。

具体地，支撑架1包括在隧道口两侧设置的立柱101，两个立柱101的间隔距离与隧道口的宽度相适配，两个立柱101的上端固定有横梁102，两个立柱101的下端固定有钢板103，钢板103固定嵌设于水泥桩104，水泥桩104固定于地面，从而在隧道口前侧形成一个门字形框架的支撑架1。支撑架1跨度尺寸根据现场确定，立柱101呈人字型立柱，立柱101的上端与拱形的横梁102通过螺栓紧固连接，钢板103固定于高出地面的水泥桩104上，水泥桩104埋于地面下。

具体地，支撑架1的顶部相对设置有两个立板105，两个立板105上均转动设置有水平转轴4，旋转架2的两侧分别与两个水平转轴4固定连接，第一驱动机构包括固定设置于支撑架1的第一电机3，第一电机3与两个水平转轴4中的任意一个传动连接。

具体地，旋转架2上沿水平方向间隔转动设置有多个竖直转轴6，定向镜面反射镜5固定设置于竖直转轴6，多个竖直转轴6均传动连接至第二驱动机构。优选地，第二驱动机构包括固定设置于旋转架2的第二电机9，第二电机9的输出轴和多个竖直转轴6的下端均固定套设有齿轮7，多个齿轮7套设有链条8。旋转架2大致呈与隧道顶部拱形相适配的形状，旋转架2中根据形状分布的高度不同安装有尺寸数量的1～2个定向镜面反射镜5，定向镜面反射镜5固定在竖直转轴6上，竖直转轴6的上下端安装有轴承和锥型轴承，下端安装有齿轮7，且与第二电机9的输出轴的主动齿轮通过链条8组成链条-齿轮驱动结构。

本实施例通过第一电机3驱动旋转架2可绕水平轴旋转，从而实现安装于其中的所有定向镜面反射镜5的高度角统一调节；而定向镜面反射镜5的竖直转轴6通过第二电机9驱动链条8带动下端的齿轮7转动，使定向镜面反射镜5实现统一的方位角调节。

优选地，旋转架2的底部设置有密封盒202，齿轮7和链条8均位于密封盒202内，利用密封盒202避免灰尘等杂物进入，影响传动结构的性能和使用寿命，更加适用于恶劣的室外环境。旋转架2为方形不锈钢管围成的闭合形框架，框架中间设置多个加强筋201，竖直转轴6为不锈钢管，密封盒202为不锈钢板盒与橡胶密封圈构成。

优选地，支撑架1的顶部两侧均固定设置有多个固定架10，固定架10上固定设置有漫反射镜13或复合反射镜，复合反射镜能够同时定向镜像反射和漫反射太阳光，漫反射镜13或复合反射镜的准平面法线倾斜于内下方，以进一步增加直接反射进入隧道内的太阳光通量。固定设置的漫反射镜13或复合反射镜漫反射或复合反射太阳光而不自动跟踪，仅能够在太阳光照射的一部分时间内把其向内、向下漫反射或复合反射进入隧道内部甚至对面的隧道墙壁上，增加了进入隧道的太阳光通量。例如：安装于隧道北出口，上午时分右边的漫反射镜13或复合反射镜把太阳光漫反射或复合反射到隧道内路面上甚至左边的隧道墙壁上，而左边的漫反射镜13或复合反射镜处于不工作状态，下午时分则刚好相反，左边的漫反射镜13或复合反射镜处于工作状态，而右边的漫反射镜13或复合反射镜处于休息状态。

本实施例的光线方向传感器11安装于隧道口内顶部正中间位置，其光轴与隧道中心线平行其始终处于定向镜面反射镜5的反射光线的光路中。参见图7a和图7b，光线方向传感器11包括均布设置在底座111外围的多个粗调光传感器112和设置在底座111内的多个细调光传感器113、螺纹配合的焦距调节部114和固定螺圈115、设置在固定螺圈115的平凸透镜116，以及信号处理电路板等几部分组成，内部的多个细调光传感器113的中心处于锥形光线的轮廓线上。

本实施例的支撑架1还设置有风速传感器12，风速传感器12通信连接至控制器，控制器还设置有GPS时间器。光线方向传感器11、风速传感器12、GPS时间器与控制器的软硬件以及第一驱动电机3和第二驱动电机9一起组成定向镜面反射镜组实现定向反射功能的自动控制系统，通过开、闭环互补，闭环优先的设计，实现高精度、不“脱靶”的自动跟踪功能以及大方风状态下系统安全；实现对于旋转架2围绕水平轴旋转，其各个定向镜面反射镜5围绕竖直轴旋转的自动控制功能；并在风速大于设定值时旋转架2平面调整到与水平面夹角≤25度以提高安全性。

本发明实施例还提供了隧道进出口太阳光定向反射直接照明的方法，采用上述的装置，包括：控制器控制第一驱动机构和第二驱动机构启动实时调整旋转架2上的定向镜面反射镜5的角度，以使定向镜面反射镜5将太阳光定向反射至隧道口内的漫反射镜13，漫反射镜13根据进、出口不同设置相应安装角度，并将太阳光漫反射后均匀分布在隧道内路面上，实现太阳光直接加强照明。

具体地，GPS时间器实时获取GPS位置对应的GPS时间并发送给控制器，控制器根据GPS时间对应的太阳方位控制第一驱动机构和第二驱动机构启动实时调整旋转架2上的定向镜面反射镜5的角度，以使定向镜面反射镜5将太阳光沿平行于隧道中线定向反射至隧道口内的漫反射镜13，漫反射镜13将太阳光漫反射至隧道内及路面进行照明；同时光线方向传感器11检测定向镜面反射镜5反射的太阳光线方向信息并反馈给控制器，控制器根据反馈的太阳光线方向信息控制第一驱动机构和第二驱动机构对定向镜面反射镜5的角度进行实时修正。

本实施例利用GPS提供的准确时间与天文坐标系，通过开环控制实现定向镜面反射镜5的连续不间断的在一天24小时内自动跟踪太阳光源，有效解决使用过程中客观存在的“脱靶”现象；再通过定向镜面反射镜5、光线方向传感器11以及软硬件组成的闭环控制系统所享有的优先权，在太阳光照射期间实现定向镜面反射镜5定向反射目标，这里的控制方式也可以理解为一台精密仪器的粗调和细调二个旋钮，通过互补方式来更好实现大范围跟踪，即开环控制，小范围精准调节，即闭环精调的功能，其中开环控制相当于系统粗调，保证定向镜面反射平行太阳光线穿过光线方向传感器11，而闭环控制相当于细调，精确实现太阳光定向反射控制。

本发明的装置及方法能够很好的应用于公路隧道进出口亮度过渡段，能够高效利用太阳光对隧道进出口进行照明，降低隧道进出口的亮度梯度，消除“黑洞”和“白洞”效应，结构简单，降低成本，提高性价比，具有广阔地应用前景。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。