張書博　王昌建

摘要：綠色、環(huán)保、無污染的太陽能采光照明技術(shù)目前成為廣大科技工作者熱衷研究方向，正在以較快的速度發(fā)展。在近年來光纖制造技術(shù)快速進(jìn)步及成本大幅下降的背景下，作者結(jié)合了光、電、機(jī)械三方面的技術(shù)研制開發(fā)了可用于室內(nèi)照明的光纖導(dǎo)光自然光采光照明裝置。該裝置可自動追蹤太陽光，可作為一種室內(nèi)采光的新型光源，同時還可用于采光照明系統(tǒng)光電性能測試及不同光纖傳輸太陽輻射能量的性能測試裝置，并兼具性能可靠，經(jīng)濟(jì)安全的特性。

關(guān)鍵詞：光纖導(dǎo)光；太陽光；采光照明

中圖分類號：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）15-0206-02

Abstract： Solar lighting technique involves very broad， its an interdisciplinary subject of light， mechanical， electrical and is growing at a faster pace. In recent years， optical fiber manufacturing technology has made rapid progress， and the manufacturing costs of fiber has a substantial decline. This paper introduces how to design and produce an indoor lighting device based on fiber witch has the practicality， economy and reliability. The device can automatically track the sun； can be used as a new source of indoor lighting. Meanwhile， it can also be used to test the performance of photovoltaic devices lighting illumination system and different optical transmission of solar radiation energy.

Key words： conduct light by optical fiber； sunlight； sunlight lighting

1 緒論

1.1項目的目的及研究意義

照明能耗，隨著社會的發(fā)展已占能源消耗的相當(dāng)比例，尋找新能源能極大的緩解我們能源的大量需求。研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)采用的照明方式使用的照明燈具75%能量為光源的熱量散失，真正用于照明能量不足四分之一，并且以熱能形式散發(fā)的能量提高了人為熱輻射，對于環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響及能量浪費(fèi)成為人們?nèi)找骊P(guān)注并亟需解決的問題。目前，太陽光導(dǎo)光照明技術(shù)還不是非常完善，未能較大范圍推廣，主要原因是太陽光的采集效率低、導(dǎo)光裝置的傳輸效率低、產(chǎn)品成本較高等問題。因此設(shè)計一套對自然光進(jìn)行有效收集和高效傳輸并作為室內(nèi)照明的高效、節(jié)能、環(huán)保的自然光導(dǎo)光系統(tǒng)將為人們帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2自然光采光系統(tǒng)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

研究發(fā)現(xiàn)，任何人造發(fā)光光源的照明效果均不及自然光照明舒適、節(jié)能，因為從上世紀(jì)6，70年代起，許多國家和地區(qū)均開始了使用自然光采光照明的各項研究。以日本、美國為代表，日本LaForet工程公司于1979年8月研制成功名為“向日葵”系統(tǒng)，是世界上第一臺采集太陽光的照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)局限于固定的地理位置設(shè)計控制采光角度。美國能源部橡樹嶺國際實(shí)驗室隨后于1995年，研制成果組合太陽光照明系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)以采光不足時的電力補(bǔ)充來完善照明。90年代起，我國的也開始了太陽能采光照明技術(shù)的研制。其中以1996年5月啟動的“綠色照明工程”為代表，該項工程在我國中西部等地區(qū)推廣主要為太陽能光伏發(fā)電照明，強(qiáng)調(diào)從光到電再轉(zhuǎn)換為光的能量存儲與轉(zhuǎn)換過程，而非自然光的直接使用。此后先后有、沈陽建筑工程學(xué)院、中國科學(xué)院南京天文儀器研究中心開展了針對性的研究，目前尚未有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

2 光纖太陽燈研制技術(shù)

2.1 工作原理

本裝置設(shè)計采用組合式菲涅爾透鏡作為采光裝置，利用傳感器、帶有機(jī)械裝置、自動控制系統(tǒng)的云臺作為基座，實(shí)現(xiàn)對太陽光的全天候?qū)崟r跟蹤，將太陽光收集后，應(yīng)用分光原理，將陽光中的不利成分消除后，使用光纖耦合器導(dǎo)入到光纖中，經(jīng)過長距離傳輸后，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

太陽燈裝置以五象限光電池作為位置檢測器，感受太陽位置并產(chǎn)生微弱電信號，經(jīng)放大去噪處理后送入單片機(jī)產(chǎn)生繼電器通斷信號，從而控制電機(jī)在水平和垂直面上轉(zhuǎn)動，使太陽光垂直照射菲涅爾透鏡。聚焦后的太陽光形成小圓斑，通過濾光片使紫外線、紅外光及放射性射線截止，可見光透過，利用入射光在光纖中發(fā)生全反射進(jìn)行傳播，在出射端面高聚光比的太陽光經(jīng)透鏡散射后在一定空間內(nèi)有足夠的光照度，并可通過調(diào)節(jié)光纖束數(shù)量和散射用得透鏡來應(yīng)用于不用的照明場合。

2.2光學(xué)系統(tǒng)

2.2.1聚光器的設(shè)計

本設(shè)計中的聚光器為由菲涅爾透鏡組合而成的結(jié)構(gòu)，將三塊同尺寸不同焦距的菲涅爾透鏡按照30°的間角排列在一個軸方向上，每塊菲涅爾透鏡都能對其垂直方向的太陽光聚光，焦距都在150-250mm之間，直徑皆為100mm。此透鏡組的特點(diǎn)在于當(dāng)太陽光的角度發(fā)生變化時，仍然至少有一塊菲涅爾透鏡能將太陽光聚集至焦面上的一個小面積區(qū)域，且所有的菲涅爾透鏡的聚焦位置相同，都在同一個2mm-3mm的區(qū)域上。

聚光器的整體排列方式為一共三組透鏡，每組3個菲涅爾透鏡，皆沿東西方向排列，不同顏色的透鏡組平行排布。這樣的設(shè)計能讓太陽光的變化角度在60°范圍內(nèi)時，全都可以通過此聚光系統(tǒng)聚光，只需要微調(diào)聚光系統(tǒng)的位置就能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的聚光，對太陽跟蹤系統(tǒng)的要求比較低，系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)。

2.2.2自然光傳輸系統(tǒng)

本裝置中光纖采用纖芯直徑較大的石英光纖束，散光板選擇在散熱和均勻照明上都比較好的雪花型散光板。三組透鏡的聚光處分別放置符合透鏡數(shù)值孔徑和光斑尺寸的光纖，通過光纖傳輸至室內(nèi)環(huán)境，通過照明模塊的散光板配光，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明。

本裝置采用傳輸效率最高，耐熱性能好的石英光纖束作為導(dǎo)光的媒介，3根光纖為1束，內(nèi)置10束共30根光纖，光纖組截面積50mm，長度3000mm。自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度5°，當(dāng)入射光線與菲涅爾透鏡之間有一小夾角，聚焦后的小光斑會發(fā)生偏移，用tracepro仿真計算后其偏移量為30mm。經(jīng)電腦軟件建模和模擬分析，以11月杭州的日照強(qiáng)度為自然光標(biāo)準(zhǔn)，一個3組共9塊的菲涅爾聚光器，通過2m長的光纖傳導(dǎo)至室內(nèi)，能保證距離散光板1m的位置處約直徑1.6m范圍內(nèi)的高亮度照明，其光通量相當(dāng)于一盞60w的白熾燈或一盞20w的日光燈，足夠滿足室內(nèi)照明條件。

3 全自動自動追光系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.1自動控制系統(tǒng)

自動跟蹤系統(tǒng)主要有探測器、云臺、跟蹤頭三大部件組成。位置探測器主要由光敏傳感器組成，如四象限光電池、光電二極管等?？刂平M件用于處理位置探測器發(fā)出的信號，并對其放大傳送至送到跟蹤器，。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)主要云臺組成。為達(dá)到良好的聚光效果，裝置采用STC89C52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)程序的粗跟蹤，再通過自行設(shè)計五象限光電池探測器進(jìn)行精確定位，消除粗跟蹤信號控制產(chǎn)生的累積誤差。自動跟蹤控制系統(tǒng)工作原理為當(dāng)系統(tǒng)剛進(jìn)入工作狀態(tài)時，首先光強(qiáng)度檢測電路檢測樣光強(qiáng)度，并檢測信號傳入單片機(jī)，若光照強(qiáng)度足夠，系統(tǒng)采用光電跟蹤模式，云臺電機(jī)不動，若光線不足，則進(jìn)入時鐘跟蹤模式，時鐘信號和內(nèi)部的各時間對比經(jīng)單片機(jī)處理后，向云臺電動機(jī)發(fā)出電信號，實(shí)現(xiàn)方位角高度角控制。通過設(shè)計的五象限光電池探測器來判斷太陽位置。采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）來驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，用單片機(jī)輸出脈沖。此方案優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計不復(fù)雜，硬件成本低，容易實(shí)現(xiàn)，并有較高的跟蹤精度。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝置對于透鏡360度無死角轉(zhuǎn)動的要求，跟蹤系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)部分以云臺為主體架構(gòu)，組合透鏡架設(shè)于云臺安裝臂，并專門設(shè)置探測器支撐架，以便于探測器與透鏡同平面轉(zhuǎn)動。裝置采用普天視PTS-3030W 型全方位壁裝云臺，以便裝置側(cè)壁安裝。透鏡與探測器用支架架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臂上。當(dāng)探測裝置根據(jù)探測情況發(fā)出電信號后，分別云臺驅(qū)動水平電機(jī)及垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動云臺內(nèi)雙向齒輪轉(zhuǎn)動，即可將透鏡調(diào)整至太陽光垂直位置，實(shí)現(xiàn)光線的采集、聚焦，完成聚光系統(tǒng)功能。

3.3 燈具

室內(nèi)配光選用目前較為常用的照明燈具，蜂窩狀散光板直徑100mm，此種燈具具有良好的接入性能及可維修性能，并能實(shí)現(xiàn)光線散射，產(chǎn)生良好均應(yīng)的照度，滿足照明需求。

3.4 實(shí)驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本項目設(shè)計的小面積室內(nèi)照明用自然光采光系統(tǒng)在選擇在晴天條件下進(jìn)行實(shí)驗數(shù)據(jù)測定，使用杭州遠(yuǎn)方有限公司YF2006袖珍型照度計，實(shí)測環(huán)境照度為17.6klx。太陽燈選用直徑150mm、焦距260mm的單片菲涅爾透鏡；使用直徑28mm圓形入射端面，長度為1.2米光纖束；采用半圓球形透光漫射器，為大小為390mm*220mm*260mm的封閉實(shí)驗箱提供照明。根據(jù)實(shí)驗結(jié)果，測量點(diǎn)分布基本符合線性規(guī)律，在距離漫射器260mm直徑球形范圍內(nèi)處的照度值為295lx。該數(shù)據(jù)符合國家《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》居住建筑起居室（一般活動）0.75m水平面100lx的國家標(biāo)準(zhǔn)。

用MATLAB編寫程序得到的關(guān)系曲線圖表明，對比有照明系統(tǒng)接入和沒有聚光器時暗箱內(nèi)光照度的比值隨環(huán)境變化情況，結(jié)果為：環(huán)境光照度在15000～40000lx之間時，比值變化很快，大于40000lx后，比值變化趨于平緩。有照明系統(tǒng)接入和沒有聚光器時暗箱內(nèi)光照度比值最大接近70倍，該實(shí)驗結(jié)果充分表明此光纖導(dǎo)光型太陽光照明系統(tǒng)在利用太陽光進(jìn)行室內(nèi)照明中的有效性。

4 總結(jié)及展望

通過光纖太陽燈的研制，項目組主要總結(jié)工作如下：

1）太陽燈結(jié)構(gòu)簡單，材料易得，充分利用了太陽光綠色、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低照明能耗，提供健康自然光照明環(huán)境，無需能量轉(zhuǎn)換，效率高，且安裝方便，性能穩(wěn)定，適合做為白天不易采光的室內(nèi)環(huán)境照明裝置廣泛推廣。

2）根據(jù)試驗結(jié)果，太陽燈照明裝置出射端的照度符合國家辦公環(huán)境最高標(biāo)準(zhǔn)，可完全滿足各種生活、辦公、廠房等照明需要。

利用太陽能實(shí)施照明首先有利于發(fā)展綠色照明行業(yè)，其次有利于生態(tài)環(huán)境的改善和減少大氣污染。在我國照明能耗居高不下的今天，傳統(tǒng)照明方式帶來的環(huán)境污染已成為迫切需要解決的問題，大力開展照明節(jié)能新材料、新器件，推廣太陽能照明節(jié)能技術(shù)是解決問題的有效途徑。光纖太陽燈具有低成本，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，照明效果良好的特點(diǎn)，希望能對普及自然光引入照明項目有些借鑒作用。

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