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环能学院绿色照明实验室在“建筑高效日光采集照明系统的设计及分析研究”方面取得重要进展
日期:2019-02-20 08:57:25 来源:环境与能源学院 点击:
  近日,环境与能源学院金鹏副教授研究团队以绿色建筑日光照明系统为研究对象,采用拼接式聚光系统、新型的四镜面反射系统、追踪系统和导光管系统,在x100的聚光比实现了高效的建筑日光照明。研究成果形成“Design and analysis of an active daylight harvesting system for building”论文,于2019年2月17日被国际能源期刊 Renewable Energy接收。
  《Renewable Energy》影响因子为4.982,CiteScore为5.38,是能源类的国际顶尖期刊之一 (JCR® Q1)。这也是绿色照明实验室首次在能源类期刊发表高影响因子论文。
  根据IEA的报告,中国是世界第二大建筑能源国家,2014年占全球建筑能源消耗的近14%。2016年,建筑能源消耗量占中国一次能源消费总量的20%,而照明更是占据建筑能源消费总量的16%。目前来说,建筑阳光技术主要分为三种,即百叶窗、光导管和光纤照明。百叶窗是在窗户上增加反射片将太阳光反射到建筑内部;导光管式选用高反射材料安装在屋顶将阳光反射到建筑物中;光纤照明系统由追踪系统、聚焦透镜和光纤组成,传输距离长但光通量非常小。
  为了克服目前日光照明系统研究所存在的传输过程中能量损失大、光通量小、红外辐射高和有效照明时间短等缺点,本研究以建筑日光高效采集系统为研究对象,首次实现了:
1. 拼接式镜面组装成抛物面聚光系统,为了降低太阳能集中器的重量和制造成本,采用碳纤维增强PLA材料3D打印制成聚光系统基底,同时考虑面形误差对于系统的影响;
2. 四镜面反射系统实现光线准直进入导光管,减少传输过程中反射能量损失,采用high-pass镀膜工艺,透过红外波段,将可见光反射进入建筑内部照明;
3. 采取光电跟踪和视日追踪方法设计追踪系统保证追踪精度小于0.5°;
4. 光导管系统中4透镜联动实现日光聚光和准直,完成太阳光的精准提取和控制。
图1. 主动跟踪式聚光系统的示意图 - 聚光,准直,联动和导光
  研究表明,新型建筑日光照明系统比目前其他系统相比能效更高,可大大减少建筑内部照明消耗量和空调负荷。 本文提出一个新型建筑日光采集照明系统,成功克服了现有日光采集系统的不足。
  通过在深圳地区的实验测试和模拟仿真,本文提出的新型建筑日光照明采集照明系统,直径为0.1m的光导管能够传输平均30000 lm的自然光且有效照明时长超过8个小时。光束准直后,光线取出比例易于控制, 取出2.5%的光线用于5 米 × 3米 × 2.5 米 房间照明,工作平面的平均照度为120 lux, 并且避免了传统光导管系统的眩光(图2)。本文设计的系统传输的光通量能够满足30间Demo房屋的照明。
图2. Demo 房间工作平面的照度 Lux分布图
  针对现有的光纤照明和导光管照明系统,提出并评价了一种新型日光采集照明系统。太阳聚光器采用碳纤维增强聚乳酸(PLA)材料3D打印而成,重量轻,制造成本低,是日光采集照明系统的理想选择;建筑照明只需要可见光,我们选择了high-pass 镀膜工艺来滤除日光中红外波段,反射可见光波段参与建筑内照明,大大降低了建筑内部空调负荷,减少系统的热负荷;采用一种新型的四镜面反射系统,具有光线准直的功能,在100倍的聚光比下,直径为0.1 m的光导管可将30000 lm的日光导入到建筑物内部。试验测试和仿真结果表明,与目前的光导管和光纤照明系统相比,该系统光通量提高100倍以上,可以用于大面积室内照明。与非跟踪的光导管系统对比,本系统有效采光时间为2倍以上。
  该工作是环境与能源学院金鹏副教授及其2016级硕士生李秀杰团队一起完成的。以上工作得到了深圳市科技创新委 (No. JSGG 20170824094716462 and JCYJ20150529095551499)的资助支持。
  
  
金鹏 副教授
1992年获南开大学物理学学士,期间在现代光学所研究LiNbO3光折变晶体。后在天津石化机械研究所任工程师。2000年获美国休斯敦大学物理学博士,师从朱经武教授,研究氧化物材料与超导薄膜器件。2001年,在美国康宁公司任高级工程师兼光纤工程专家,研究超低偏振光色散40G光纤;2002年,在Sensitron半导体公司任高级工程师,负责功率半导体和光电模组研发;2004年在CML innovative technologies任科技总监, 主导了LED汽车尾灯等产品的系统设计。2006年归国, 在北京大学深圳研究生院任教,开设的研究生课程有 “节能技术和可持续设计”、“清洁能源技术”、“化合物半导体与器件”和“集成微系统封装”等。 作为课题负责人承担了国家02 科技重大专项、 深圳市杰出青年计划等科研项目。近年发表论文30余篇,中国发明专利12 项,国际专利2项,专著2本。科研成果涉及聚光太阳能、光生物、色度学和微系统封装等领域。