自动跟踪太阳的光纤导光照明系统的设计

孟 强，冯德军，2

1.山东大学 信息科学与工程学院，济南 250100

2.山东省半导体光电子工程技术研究中心，济南 250100

自动跟踪太阳的光纤导光照明系统的设计

孟 强1，冯德军1，2

1.山东大学 信息科学与工程学院，济南 250100

2.山东省半导体光电子工程技术研究中心，济南 250100

1 引言

近年来，随着城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的采光方式已经不能满足建筑物内部的采光要求[1-2]。尤其是那些较低层建筑、无窗房间和地下室，即使是晴朗天气，室内也昏暗阴沉，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且给长期在此环境中生活与工作的人身心健康带来不良影响[3-4]。将太阳光直接导入室内进行照明的技术不仅充分利用了太阳光资源，减少了白天电能的浪费，实现了无窗房间和地下室的照明需求，而且提高了室内生活品质[5-7]。

目前国内外许多学者对利用太阳光照明进行了大量的研究，提出不少利用太阳能的采光方法和设想[2]。例如：使用平面镜的一次反射法、棱镜组多次反射法、卫星反射镜法、导光管法以及光纤导光法。由于光纤导光入室照明相比上述采光方法在施工和设计上有很大的自由度优势，能方便地把阳光传送到需要照明的地方，因此一直是西方许多发达国家研究的热点。1979年8月日本的La Foret工程公司推出了第一台采集太阳光的照明系统——“向日葵”；1995年前后，美国能源部橡树岭国家实验室发明了组合太阳光照明系统，即以太阳光照明为主，不足部分用电照明补充[8]。

国内外的一些光纤导光室内照明系统虽然在不同的方面有各自的优点，然而在实际的应用过程中或多或少存在着误差大、灵活性差、非全天候跟踪、光污染严重等缺点。本文在上述研究的基础上设计出一套基于GPS自动跟踪太阳的光纤导光室内照明系统。它具有控制精度高、灵活性强、易操作、耦合率高、成本低、全自动跟踪等优点，可以实现绿色、环保、节能、健康的室内照明，这对于我国政府倡导的大力发展可持续再生能源技术和推动绿色照明工程有着积极的意义[9-10]。

2 太阳跟踪的理论依据

本文设计的光纤导光室内照明系统是基于太阳高度角-方位角的双自由度跟踪系统，在本系统中的一个关键技术就是如何实时跟踪太阳，定位太阳的位置。太阳在天球中对于地球上某点的相对位置是由该观测点的地理纬度、季节（年、月、日）和时间（时、分、秒）三个因素来决定的[11]，通常用地平坐标系和赤道坐标系同时表示太阳的位置。地平坐标系、赤道坐标系如图1所示。

图1 太阳在不同坐标系下的表示

赤道坐标系是一种天球坐标系。在赤道坐标系中太阳S的位置由下列两个坐标确定：赤纬角δ和太阳时角t。赤纬角δ是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。根据Cooper方程，δ值的计算公式为[12]：

式中，δ为赤纬角，单位为rad；N为天数，自1月1日开始计算；例：1月1日，N=1；12月31日，N=365。

时角是从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。在图1（a）中，∠QOB是时角t，时角是从天子午圈上的Q点算起的，即从太阳正午时算起，按顺时针方向为正，逆时针方向为负，也就是时角上午为负，下午为正。它的数值等于离正午的时间（h）乘以15°。

太阳时角计算公式如下[12]：

式中，t为太阳时角，单位为rad；T为当地真太阳时间，单位为h。

地平坐标系是以真地平为基本圈、以南点为原点的天球坐标系。在地平坐标系中，对处于地球上某一位置的采光器来说，太阳S的位置是由高度角h和方位角Α决定的。

太阳高度角h是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角；太阳方位角Α指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看做是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。它们都定义在地平坐标系中，计算公式如下[13]：

太阳高度角的计算公式为：

太阳方位角的计算公式为：

式中，h为高度角，单位为rad；φ为观测点纬度，单位为rad；δ为赤纬角，单位为rad；t为时角，单位为rad；Α为方位角。示意图如图2所示。

图2 太阳位置示意图

图3 每个月的1日早上太阳的初始位置变化

利用公式（3）、（4），根据地球纬度、太阳赤纬角及太阳时角，即可求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳高度角和方位角。

结合上面的天文学公式（1）～（4），以济南为例（117°2'E，36°39'N），2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，早上六点太阳方位角的变化曲线如图3（a）所示；2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，当太阳高度角为15°时的时间变化曲线如图3（b）所示。

从图3（a）可以得出，每天太阳的起始位置不同，所以每天太阳落山后跟踪器复位也就不同，这就要求设计更为精确的跟踪程序；从图3（b）可以得出当太阳高度角为15°时，从1月1日开始到7月1日每天早上太阳升起的时间越来越早，符合冬天白昼时间短，夏天白昼长的规律。

3 自动跟踪太阳的光纤导光系统的设计和分析

本文提出的光纤导光系统将实时跟踪太阳从而保证聚光器最大限度地收集阳光，将聚焦后的阳光滤除有害射线后耦合到光纤中通过多芯光缆传输到远端室内通过散射器进行照明。这是一个直接利用太阳光照明的装置，在环保、节能、健康等方面都有着重要的意义。光路图如图4所示。

图4 导光光路示意图

3.1 太阳跟踪控制系统的硬件设计

本文中的太阳跟踪控制系统是基于GPS的双自由度太阳跟踪，它利用GPS接收器每间隔10 min输出一次观测点的经纬度和时间信息，通过串口将信息传输到Atmegal16单片机并计算出太阳的高度角和方位角，然后与10 min之前测得的结果相减并将这次测量结果储存，根据两次差值计算的太阳高度角和方位角偏差确定脉冲的个数，然后通过步进电机控制云台转动聚光器始终对准太阳，从而保证聚光器最大限度地接收阳光，实现实时跟踪。为了实现这个目的，设计了太阳自动跟踪控制系统模块，太阳跟踪控制系统模块由Atmega16单片机、电源模块、GPS模块、步进电机驱动器、步进电机、聚光器、MAX232等模块组成，系统的硬件结构框图如图5所示。

图5 硬件结构框图

3.2 跟踪控制系统的软件程序设计

跟踪控制系统的软件设计方案如下：系统启动后，首先进行各个模块初始化，读取GPS模块输出的数据信息，其次系统自动判断当前时间是白天还是黑夜，如果是白天，系统启动，每隔10 min驱动电机转动一次，使聚光器对准太阳，实现实时跟踪；如果是黑夜，系统不启动，进入休眠状态。

软件流程图如图6所示。

图6 控制系统程序流程图

4 实验和结果分析

自动跟踪太阳的光纤导光系统设计完成后，在济南（117°2'E，36°39'N）对本文设计的光纤导光室内照明系统进行了跟踪太阳的测试、聚光性能的测量以及光缆的耦合效率的测量。

4.1 跟踪太阳的测试

2011年7月20日，21日，25日济南天气晴朗，进行了三次跟踪太阳的测试。首先将测量时间段分为：11：00—12：00；12：00—1：00，1：00—2：00然后在每个时间段的初始时刻将系统调节为正对太阳，太阳聚焦后的光斑照射在光纤输入端，用LM-200光功率计测试光纤输出端的可见光功率，将此值作为比较参考值，然后启动光纤导光系统跟踪器开始跟踪太阳，每间隔10 min，记录光纤输出端的可见光功率，连续测量数小时，光纤输出端光功率与参考值没有明显差异同时观察发现太阳聚焦后的光斑始终位于光纤输入端，表明此系统可以实时正对太阳，实现精确跟踪。

4.2 耦合效率的测量

为了节省测量时间和提高测量精度，在实验室以功率为3 W的LED灯模拟太阳光源，架设的实验系统示意图如图7所示。利用架设的系统对14芯塑料光缆（光纤芯径是0.75 mm；NA是0.5；光缆内径是3.1 mm；长度是15 m）进行聚光效果和耦合效率的研究，利用LM-200功率计测量光缆入光端及出光端功率。

光的耦合效率定义为：

通过表1可知：本文设计的自动跟踪太阳的光纤导光室内照明系统的光耦合效率在可见光波段达到36%以上，而太阳能电池板的光电转换效率约为18%[14]，且该照明系统绿色环保、成本较低，是未来太阳光利用的主要方向，具有更高的经济效益和社会效益。

图7 实验系统示意图

表1 光束的耦合效率1）

图8是3 W的模拟光源经过菲涅尔平面透镜直接聚焦进入内径为3.1 mm光缆，并传输15 m的光输出效果。

5 结束语

图8 光输出效果图

自动跟踪太阳的光纤导光照明系统已是各国竞相研究的热点，设计廉价、高精度的聚光与跟踪系统是推广应用的关键。

为了实现健康、舒适、高效的室内白天照明设计了自动跟踪太阳的光纤导光照明系统，本系统主要通过菲涅尔透镜、多芯光缆、GPS模块和跟踪控制模块实现太阳光的采集、传输、跟踪等步骤。本系统通过菲涅尔透镜聚焦提高焦点处的光强，通过多芯塑料光缆可以实现长达几十米的传输，通过GPS定位实现对太阳的跟踪。

利用光纤导光进行室内照明是一种天然光照明方式。本文设计的自动跟踪太阳的光纤导光室内照明系统具有跟踪精度高、稳定性能好、光耦合效率高、造价低廉、使用寿命长以及没有光污染等优点，在以后的工业和生活中具有广阔的应用前景。

[1]朱大明.部分天然采光地下（半地下）建筑典型模式[J].地下空间，1996，16（1）：44-47.

[2]肖辉乾.世纪之交的建筑采光与照明[EB/OL].[2011-09-20]. http：//www.bjkp.gov.cn/kjbgt/k10443-02.htm.

[3]郑晓东，郝允祥.一种有前途的采光照明方式——光纤采光[J].照明工程学报，1992，3（1/2）：96-99.

[4]Chiang Shih-Yuan，Wei Chiu-Chi，Chiang Τe-Hsuan，et al.Fiber optic lighting development trends in asia[C]//IIΤA International Conference on Services Science，Management and Engineering，2009.

[5]KandilliC，Ulgen K，Hepbasli A.Exergeticassessmentof transmission concentrated solar energy systems via optical fi ber for building applications[J].Energy and Buildings，2008，40（8）：1505-1512.

[6]Ghisi E，Τinker J A.Evaluating the potential for energy savings on lighting by integrating fi ber optics in buildings[J]. Building and Environment，2006，41（12）：1611-1621.

[7]Wang Chen，Abdul-Rahman H，Rao S P.Daylighting can be fl uorescent：development of a fiber solar concentrator and test for its indoor illumination[J].Energy and Buildings，2010，42（5）：717-727.

[8]Zhang Yaoming.Research of solar lighting system[J].Engineering Science of China，2002，4（9）：65-66.

[9]居家奇，陈大华，江涛，等.太阳能在绿色照明中应用的探讨[J].光明与照明，2006（4）：22-29.

[10]Xing Yunmin，Τao Yonghong.Modern energy and power generation technologies[M].Xi’an：Press of Xidian University，2007.

[11]吴静.太阳自动跟踪系统的研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[12]杜春旭，王普，马重芳，等.一种高精度太阳位置算法[J].新能源及工艺，2010，8（2）：41-44.

[13]周斌，刘文清，张玉钧，等.以太阳为光源测量大气污染物研究中精确跟踪太阳的方法[J].光子学报，2000，29（3）：24-27.

[14]Chen Wei，Lin Jie，Ma Ping，et al.Experimental study on enhancing efficiency of photovoltaic power generation by adopting adaptive tracking solar[J].Industrial Instrumentation& Automation，2011（1）：36-42.

MENG Qiang1,FENG Dejun1，2

1.School of Information Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China
2.Semiconductor Optoelectronics Engineering Τechnology Center of Shandong Province,Jinan 250100,China

Τaking the optical fiber lighting system of automatic solar tracking which guides light into indoor rooms as the research objective,the hardware composition,software flowchart and light-guiding of the system are well designed.Τhe tracking capability and light guiding performance have been verified by a 15-meter-long optical cable light-guiding experiment and related simulations.Τhe experimental results show that the optical fiber lighting system of automatic solar tracking has high accuracy,good stability,high coupling efficiency.Under the general solar lighting condition,the optical fiber interior lighting system designed in this paper can provide healthy,efficient interior illumination in libraries,basements,and other sunless rooms.

solar power;Single Chip Microcomputer（SCM）;tracking;condensation;optical fiber;lighting

以将太阳光通过光纤导入室内进行照明的自动跟踪太阳的光纤导光系统为研究对象，对导光系统进行了硬件、软件及导光部分的设计，对该光纤导光室内照明系统的跟踪性能和导光性能进行了实验验证与模拟分析。实验表明：所研究的自动跟踪太阳的光纤导光系统转动精度高、工作稳定性好、太阳能耦合效率高。在一般日照条件下，所设计的光纤导光室内照明系统可以在图书馆、地下室、阴暗的房间实现健康、舒适、高效的室内照明。

太阳能；单片机；跟踪；聚光；光纤；照明

A

ΤK519

10.3778/j.issn.1002-8331.1111-0361

MENG Qiang,FENG Dejun.Design of optical fiber lighting system based on tracking solar automatically.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：249-252.

山东省自然科学基金（No.ZR2011FM013）；山东大学自主创新基金（No.2010ΤS014）。

孟强（1986—），男，硕士研究生，主要从事光纤光栅的理论与应用研究；冯德军（1973—），男，博士，副教授，主要从事光学全息与光信息处理、光纤传感技术、光纤光栅研制和光纤激光器等方面的研究。E-mail：ytmq1986@163.com

2011-11-21

2012-02-17

1002-8331（2013）15-0249-04

CNKI出版日期：2012-04-25 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120425.1719.040.html