基于锥形光纤传导的太阳光照明系统

吕雅晶++杨冠鲁

摘 要：文章提出了一种基于锥形光纤传导的太阳光室内照明系统，通过利用锥形光纤的几何形状的优势，将锥形光纤与圆柱形光纤相结合，进一步提高太阳光室内照明系统的追光精度，从而提高对太阳光的利用率。文章针对系统的追光误差以及光照强度进行测试，测试结果表明：该系统可以对一定的空间进行基本的照明，且采用锥形光纤能够有效提高系统的追光精度。

关键词：锥形光纤；太阳光；照明；追光精度

中图分类号：TM923 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0014-02

1 概述

目前，能源的消耗随着经济的发展与日俱增。为了实现节能减排、保护环境和社会的可持续发展，世界各国都在寻找新能源来替代传统的化石燃料，而太阳能作为一种新型的绿色能源，越来越受到各国的关注和重视。

传统的太阳能利用技术都存在着能量转换过程中的损耗问题，而太阳光室内照明技术在不进行热、电和机械等能量转换的前提下[1]，直接把对人体有益的太阳光传导进室内并替代传统的用电照明，从而降低了照明能耗。

近年来，太阳光室内照明技术快速发展，许多国家的研究重点主要集中在降低技术成本与提高太阳光的利用效率上。目前，提高太阳光室内照明系统的追光精度主要有两种方法：一是提高追光装置的控制精度，使聚光光斑对准光纤输入端面。但这种方法需要精确的控制，难度大，成本高。二是扩大光纤的口径，使聚光光斑始终在光纤输入端面内。但大口径光纤存在成本高、占用面积大、弯曲性能差等缺点。

因此，本文提出一种简易且成本较低的提高太阳光室内照明系统追光精度的方法，目的是对传统的太阳光室内照明系统进行改进。通过利用锥形光纤的几何形状的优势，将锥形光纤与圆柱形光纤相结合，进一步提高太阳光室内照明系统的追光精度，从而提高了太阳光的利用率。

2 技术方案

2.1 系统结构

图1为太阳光室内照明系统的结构框图。太阳光室内照明系统主要由太阳光收集装置、太阳光自动跟踪装置和太阳光传输装置组成。其中，太阳光收集装置把平行入射到菲涅耳透镜上的太阳光聚焦成一个很小的光斑；由于太阳的位置随时都在变化，为了收集到更多的太阳光，太阳光自动跟踪装置控制菲涅耳透镜的位置，使它始终垂直于太阳光；太阳光传输装置的作用是把经滤光片后的可见光导入任何有照明需求的地方。

2.2 追光装置

国内外的追光方式主要分为三种：（1）视日运动轨迹跟踪；（2）光电跟踪；（3）前两者结合的混合跟踪。

本系统采用的是文献[2]中一种追光精度较高、控制简易且成本低的光电跟踪方式，以LM324為核心，采用四个光敏电阻，并将它们分为两组，一组光敏电阻检测太阳的方位角（即东西方向），另一组光敏电阻检测太阳的高度角（即南北方向）。该控制电路由两部分组成：信号采集和信号比较，控制电路如图2所示。由于四个光敏电阻在光照强度不同的情况下阻值不同，因此利用桥式比较电路，分别在不同的LM324的输出端输出不同的信号，进而控制两台直流减速电机来驱动追光装置，实现菲涅耳透镜平面始终垂直太阳光线，从而有效地提高太阳光的利用效率。

2.3 锥形光纤

近年来，随着锥形光纤研究的深入，其独特的光学特性也引起了人们的重视[3]。由于锥形光纤的几何形状的特点，本系统引入锥形光纤来进一步减小追光系统的误差，使太阳光从大口径端向小口径端传播，将锥形光纤与圆柱形光纤相结合，可起到与采用大口径光纤相同的效果，既减少了成本又无需扩大占用面积。

锥形光纤是一种应用广泛的不规则光纤，但不规则光纤的光波传输特性的理论研究还不成熟[4]。因此，本文仅对基于几何方法的锥形光纤传输特性进行简单介绍。当太阳光从锥形光纤的大口径端面入射时，传播路径如图3所示[5]。

假设光线以？兹角度从大口径端面入射，其在纤芯中第n次反射角？琢n为[6]：

由于在锥形光纤中锥角？啄≠0，因此，由式（1-1）可知，随着反射次数的增加，反射角？琢n不断减小，光线的传播模式也由低次模向高次模转变，全反射条件略微受到损坏，部分高次模将渗透到包层及光纤外，造成能量的损失[7]。

锥形光纤的数值孔径NA为[8]：

由式（1-2）可知，锥形光纤大口径端半径a和小口径端半径b的比值越小，其数值孔径越小，则光纤中传输的光线越少。同时，由于锥形光纤和普通光纤的数值孔径不同，当这两种光纤连接时，将产生一定的损耗[7]。

由于采用锥形光纤传输太阳光存在光线损耗问题，因此，需要通过合理设计锥形光纤的尺寸来降低光线的损耗。本文仅考虑系统的追光误差，不细究锥形光纤的损耗问题。

3 实验结果

3.1 追光误差测试

本文针对是否加入锥形光纤进行系统误差对比测试，每隔20分钟采样一次，如表1所示。

经过多次误差测试，本系统确定了锥形光纤的尺寸：大口径端半径a=10mm，小口径端半径b=2.5mm，长度L=40mm。由上述数据可以看出，加入锥形光纤后，本系统的误差有明显的降低，且追光误差在0.9°以内。由于采用了锥形光纤，理论上无论何时，光斑都不会偏离出锥形光纤的入口端面，但由于存在机械结构、控制精度和人为测量的误差，导致测试结果不够理想。

3.2 光照强度测试

由图4所示，在阳光下照度值为97000LUX时，本系统输出端半米处的照度值为61700LUX，一米处的照度值为35900LUX，光照情况如图5所示。测试结果表明本系统的照明性能良好，能对一定的空间进行基本的照明。

4 结束语

目前，提高太阳光室内照明系统的追光精度主要有两种方法：一是提高追光装置的控制精度，二是扩大光纤的口径。但前者需要精确的控制、难度大、成本高，后者成本高、占用面积大、弯曲性能差。因此，本文提出一种简易且成本较低的提高太阳光室内照明系统追光精度的方法，利用锥形光纤的优势进一步降低太阳光室内照明系统的追光误差。

虽然采用锥形光纤传输太阳光存在光线损耗问题，但通过合理设计锥形光纤尺寸能够有效降低能量的损耗。本文仅针对系统的追光误差以及光照强度进行测试，结果表明本文提出的方案可行、有效，既简易又无需扩大占用面积，具有较高的实用性。

参考文献：

[1]李敏.太阳光照明的关键技术研究[D].重庆大学，2008.

[2]许龙，张永宏，王琦.一种光电式太阳跟踪控制系统设计[J].电子技术应用，2014，40（2）：88-90.

[3]苗建民，李龙，童路，等.光纤通信中锥形光纤光波传输特性分析[J].江苏科技信息，2013（16）：42-44.

[4]孙爱娟.锥形光纤中光波导理论研究[D].中国科学院西安光学精密机械研究所，2005.

[5]Chang C T， Auth D C. Radiation characteristics of a tapered cylindrical optical fiber[J]. Journal of the Optical Society of America， 1978， 68（9）：1191-1196.

[6]孙爱娟.锥形光纤中光波导理论研究[D].中国科学院西安光学精密机械研究所，2005.

[7]张从国.锥形光纤的理论研究[D].北京交通大学，2010.

[8]曹根瑞.锥形光纤两端直径比与数值孔径的关系[J].光学技术，1991（1）：8-11.