全自动追光光纤太阳灯的研制

张书博　王昌建

摘要：绿色、环保、无污染的太阳能采光照明技术目前成为广大科技工作者热衷研究方向，正在以较快的速度发展。在近年来光纤制造技术快速进步及成本大幅下降的背景下，作者结合了光、电、机械三方面的技术研制开发了可用于室内照明的光纤导光自然光采光照明装置。该装置可自动追踪太阳光，可作为一种室内采光的新型光源，同时还可用于采光照明系统光电性能测试及不同光纤传输太阳辐射能量的性能测试装置，并兼具性能可靠，经济安全的特性。

关键词：光纤导光；太阳光；采光照明

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：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 绪论

1.1项目的目的及研究意义

照明能耗，随着社会的发展已占能源消耗的相当比例，寻找新能源能极大的缓解我们能源的大量需求。研究发现，目前国内采用的照明方式使用的照明灯具75%能量为光源的热量散失，真正用于照明能量不足四分之一，并且以热能形式散发的能量提高了人为热辐射，对于环境产生的负面影响及能量浪费成为人们日益关注并亟需解决的问题。目前，太阳光导光照明技术还不是非常完善，未能较大范围推广，主要原因是太阳光的采集效率低、导光装置的传输效率低、产品成本较高等问题。因此设计一套对自然光进行有效收集和高效传输并作为室内照明的高效、节能、环保的自然光导光系统将为人们带来显著的社会效益和经济效益。

1.2自然光采光系统在国内外的研究现状

研究发现，任何人造发光光源的照明效果均不及自然光照明舒适、节能，因为从上世纪6，70年代起，许多国家和地区均开始了使用自然光采光照明的各项研究。以日本、美国为代表，日本LaForet工程公司于1979年8月研制成功名为“向日葵”系统，是世界上第一台采集太阳光的照明系统。该系统局限于固定的地理位置设计控制采光角度。美国能源部橡树岭国际实验室随后于1995年，研制成果组合太阳光照明系统，强调以采光不足时的电力补充来完善照明。90年代起，我国的也开始了太阳能采光照明技术的研制。其中以1996年5月启动的“绿色照明工程”为代表，该项工程在我国中西部等地区推广主要为太阳能光伏发电照明，强调从光到电再转换为光的能量存储与转换过程，而非自然光的直接使用。此后先后有、沈阳建筑工程学院、中国科学院南京天文仪器研究中心开展了针对性的研究，目前尚未有实质性的进展。

2 光纤太阳灯研制技术

2.1 工作原理

本装置设计采用组合式菲涅尔透镜作为采光装置，利用传感器、带有机械装置、自动控制系统的云台作为基座，实现对太阳光的全天候实时跟踪，将太阳光收集后，应用分光原理，将阳光中的不利成分消除后，使用光纤耦合器导入到光纤中，经过长距离传输后，实现室内照明。结构如图1所示。

太阳灯装置以五象限光电池作为位置检测器，感受太阳位置并产生微弱电信号，经放大去噪处理后送入单片机产生继电器通断信号，从而控制电机在水平和垂直面上转动，使太阳光垂直照射菲涅尔透镜。聚焦后的太阳光形成小圆斑，通过滤光片使紫外线、红外光及放射性射线截止，可见光透过，利用入射光在光纤中发生全反射进行传播，在出射端面高聚光比的太阳光经透镜散射后在一定空间内有足够的光照度，并可通过调节光纤束数量和散射用得透镜来应用于不用的照明场合。

2.2光学系统

2.2.1聚光器的设计

本设计中的聚光器为由菲涅尔透镜组合而成的结构，将三块同尺寸不同焦距的菲涅尔透镜按照30°的间角排列在一个轴方向上，每块菲涅尔透镜都能对其垂直方向的太阳光聚光，焦距都在150-250mm之间，直径皆为100mm。此透镜组的特点在于当太阳光的角度发生变化时，仍然至少有一块菲涅尔透镜能将太阳光聚集至焦面上的一个小面积区域，且所有的菲涅尔透镜的聚焦位置相同，都在同一个2mm-3mm的区域上。

聚光器的整体排列方式为一共三组透镜，每组3个菲涅尔透镜，皆沿东西方向排列，不同颜色的透镜组平行排布。这样的设计能让太阳光的变化角度在60°范围内时，全都可以通过此聚光系统聚光，只需要微调聚光系统的位置就能实现高质量的聚光，对太阳跟踪系统的要求比较低，系统更容易实现。

2.2.2自然光传输系统

本装置中光纤采用纤芯直径较大的石英光纤束，散光板选择在散热和均匀照明上都比较好的雪花型散光板。三组透镜的聚光处分别放置符合透镜数值孔径和光斑尺寸的光纤，通过光纤传输至室内环境，通过照明模块的散光板配光，实现室内照明。

本装置采用传输效率最高，耐热性能好的石英光纤束作为导光的媒介，3根光纤为1束，内置10束共30根光纤，光纤组截面积50mm，长度3000mm。自动跟踪系统的跟踪精度5°，当入射光线与菲涅尔透镜之间有一小夹角，聚焦后的小光斑会发生偏移，用tracepro仿真计算后其偏移量为30mm。经电脑软件建模和模拟分析，以11月杭州的日照强度为自然光标准，一个3组共9块的菲涅尔聚光器，通过2m长的光纤传导至室内，能保证距离散光板1m的位置处约直径1.6m范围内的高亮度照明，其光通量相当于一盏60w的白炽灯或一盏20w的日光灯，足够满足室内照明条件。

3 全自动自动追光系统及机械结构

3.1自动控制系统

自动跟踪系统主要有探测器、云台、跟踪头三大部件组成。位置探测器主要由光敏传感器组成，如四象限光电池、光电二极管等。控制组件用于处理位置探测器发出的信号，并对其放大传送至送到跟踪器，。太阳能自动跟踪系统主要云台组成。为达到良好的聚光效果，装置采用STC89C52单片机来实现程序的粗跟踪，再通过自行设计五象限光电池探测器进行精确定位，消除粗跟踪信号控制产生的累积误差。自动跟踪控制系统工作原理为当系统刚进入工作状态时，首先光强度检测电路检测样光强度，并检测信号传入单片机，若光照强度足够，系统采用光电跟踪模式，云台电机不动，若光线不足，则进入时钟跟踪模式，时钟信号和内部的各时间对比经单片机处理后，向云台电动机发出电信号，实现方位角高度角控制。通过设计的五象限光电池探测器来判断太阳位置。采用脉宽调制技术（PWM）来驱动电机运动，用单片机输出脉冲。此方案优点是程序设计不复杂，硬件成本低，容易实现，并有较高的跟踪精度。

3.2 机械结构

根据装置对于透镜360度无死角转动的要求，跟踪系统机械机构部分以云台为主体架构，组合透镜架设于云台安装臂，并专门设置探测器支撑架，以便于探测器与透镜同平面转动。装置采用普天视PTS-3030W 型全方位壁装云台，以便装置侧壁安装。透镜与探测器用支架架设于旋转臂上。当探测装置根据探测情况发出电信号后，分别云台驱动水平电机及垂直电机转动，带动云台内双向齿轮转动，即可将透镜调整至太阳光垂直位置，实现光线的采集、聚焦，完成聚光系统功能。

3.3 灯具

室内配光选用目前较为常用的照明灯具，蜂窝状散光板直径100mm，此种灯具具有良好的接入性能及可维修性能，并能实现光线散射，产生良好均应的照度，满足照明需求。

3.4 实验结果与数据分析

本项目设计的小面积室内照明用自然光采光系统在选择在晴天条件下进行实验数据测定，使用杭州远方有限公司YF2006袖珍型照度计，实测环境照度为17.6klx。太阳灯选用直径150mm、焦距260mm的单片菲涅尔透镜；使用直径28mm圆形入射端面，长度为1.2米光纤束；采用半圆球形透光漫射器，为大小为390mm*220mm*260mm的封闭实验箱提供照明。根据实验结果，测量点分布基本符合线性规律，在距离漫射器260mm直径球形范围内处的照度值为295lx。该数据符合国家《建筑照明设计标准》居住建筑起居室（一般活动）0.75m水平面100lx的国家标准。

用MATLAB编写程序得到的关系曲线图表明，对比有照明系统接入和没有聚光器时暗箱内光照度的比值随环境变化情况，结果为：环境光照度在15000～40000lx之间时，比值变化很快，大于40000lx后，比值变化趋于平缓。有照明系统接入和没有聚光器时暗箱内光照度比值最大接近70倍，该实验结果充分表明此光纤导光型太阳光照明系统在利用太阳光进行室内照明中的有效性。

4 总结及展望

通过光纤太阳灯的研制，项目组主要总结工作如下：

1）太阳灯结构简单，材料易得，充分利用了太阳光绿色、环保的优点，可显著降低照明能耗，提供健康自然光照明环境，无需能量转换，效率高，且安装方便，性能稳定，适合做为白天不易采光的室内环境照明装置广泛推广。

2）根据试验结果，太阳灯照明装置出射端的照度符合国家办公环境最高标准，可完全满足各种生活、办公、厂房等照明需要。

利用太阳能实施照明首先有利于发展绿色照明行业，其次有利于生态环境的改善和减少大气污染。在我国照明能耗居高不下的今天，传统照明方式带来的环境污染已成为迫切需要解决的问题，大力开展照明节能新材料、新器件，推广太阳能照明节能技术是解决问题的有效途径。光纤太阳灯具有低成本，系统运行稳定性，照明效果良好的特点，希望能对普及自然光引入照明项目有些借鉴作用。

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