光纖導光自然光照明技術

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1、光纖導光自然光照明系統(tǒng)的研究摘要：提出一種通過采光面積大、結構簡單、制作容易、維修方便的凹面鏡采集太陽光，將太陽光聚集于一點，在聚集點處采用光的耦合技術，將自然光耦合于自準直光纖中，通過自準直光纖傳光，磨砂塑料盤散光的新型太陽光照明系統(tǒng)?？紤]到太陽的位置移動，我們采用GPS解算法定位跟蹤太陽，以保證太陽光將始終聚集于一點，并有最優(yōu)采光效率。光纖的耦合效率及光纖的透光率隨光線的入射角、光纖的長度、光纖的口徑、光纖的材料都有關系。我們通過建立相應的近似模型，得出了它們之間的大體關系，研究了透射光光強隨光纖長度的變化規(guī)律。由于光在傳輸過

2、程中的損耗是因為發(fā)生全反射過程中的損耗，計算過程很復雜，我們通過采用光纖單位長度的損耗表示，通過實驗，計算出平均單位長度的損耗，從而計算出總長度的損耗。在室內(nèi)的散光過程中，我們采用磨砂塑料盤，這可以產(chǎn)生均勻、柔和的漫射光，同時在前面加一個光照度調(diào)節(jié)器，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)光照亮度。考慮到自然光中紫外線對人體的傷害，在漫射裝置上加一個濾波片濾去紫外線。采用本系統(tǒng)匯集陽光，經(jīng)光纖傳導能夠產(chǎn)生亮度很高的濾去紫外線的自然光，便于安裝和普及，適用于普通家庭、地下勘測照明及大型建筑照明等。希望能夠更好利用能源，以改善當今能源狀況。關鍵詞：太陽光采集，

3、凹面鏡，GPS解算法，光的耦合技術，自準直光纖100前言在人類各種能源消耗中，電力照明是所有能耗中最多的一項能耗。發(fā)達國家照明能耗約占總能耗的，我國占。因此開發(fā)自然光照明技術有很大的意義，不只是體現(xiàn)在節(jié)能上面，還體現(xiàn)在提高環(huán)境質(zhì)量上面。光導技術現(xiàn)在較為成熟的是利用光導管傳輸自然光，最著名的是英國蒙那家特公司出產(chǎn)的一種光導系統(tǒng)如圖所示：圖1蒙那家特公司光導系統(tǒng)圖示此系統(tǒng)利用PC塑料透鏡作為采光裝置，用光導管傳輸自然光，最后加漫射裝置進行照明。此類設計的產(chǎn)品在2008年北京奧運會上大顯身手。但是這種裝置，體積大，對建筑物影響較大，只能

4、應用于城市大型建筑上，難以適應于野外勘探、礦井等地下場合，也難以在普通居民家庭安裝使用。本作品從適應國內(nèi)發(fā)展角度出發(fā)，擬設計出適應國內(nèi)易于推廣使用的自然光照明裝置。所以采用了不產(chǎn)生色差的反射鏡；利用自準直光纖提高耦合效率，光纖相對于光導管體積要小得多適合普通居民家庭安裝；利用我國逐漸成熟的導航系統(tǒng)提出GPS解算法定位跟蹤太陽更適應發(fā)展趨勢。1光纖導光自然光照明系統(tǒng)結構及原理系統(tǒng)的大體結構如下圖所示：10圖2光纖導光自然光照明系統(tǒng)結構采光裝置由凹拋物面反射鏡和自動跟蹤裝置組成。1.1凹面鏡反射裝置：我們可以證明，當光線平行入射時，光

5、線通過拋物面后匯聚于一點，故在該點處將匯聚較高的能量。證明如下：圖3凹面鏡截面模型設拋物面上的拋物線的函數(shù)方程為：。設在其上有一點，則在該點處的切線斜率為。則切線的法線的斜率為，當太陽光線垂直于軸照射時，入射光線的斜率為無窮大，設為。設10入射光線的斜率為，由角平分線的知識可知：（1）則，于是可以設出射光線函數(shù)為將代入（1）式，則可以求出。即為一個與，無關的常數(shù)。則可知拋物面匯聚點與原點的距離為。所以凹面鏡即凹拋物面，反射鏡作為光的收集裝置時不產(chǎn)生色差。我們知道，自然光由很多波長成分組成，采用不產(chǎn)生像色差的凹面鏡可以將將近似平行光

6、的自然光匯集到一點。這就為能夠采用很細的光纖傳輸光提供了條件。1.2光的跟蹤裝置已有的太陽跟蹤裝置大多用硅光電池作為傳感器，設計電橋，因硅光電池不同側光強不同產(chǎn)生微小電流，通過測量微小電流的變化來進行自動控制。這種跟蹤系統(tǒng)誤差較大，可達到0.36度，受環(huán)境影響較大。所以我們采取了GPS解算我們知道，太陽相對于地球的位置由該觀測點的地理緯度、季節(jié)（年、月、日）和時間三個因素決定。通常用地平坐標系和赤道坐標系同時表示太陽相對于地球的位置。圖4赤道、地平面坐標系我國日益成熟的導航系統(tǒng)北斗導航衛(wèi)星將使以GPS解算為理論的太陽跟蹤裝置成為一

7、種趨勢。應用GPS獲取地理位置和時間信息，可以推算太陽的高度角10太陽的方位角：式中，為觀測緯度，為赤緯角，t為時角，h為高度角，A為方位角。已知，每天太陽的起始位置不同，所以考慮到跟蹤器晚上還要復位，這就要求跟蹤程序的精確程度。GPS每隔設定的一段時間將觀測點的經(jīng)緯度和時間信息輸入，通過串口信息將信息輸入到單片機內(nèi)并計算出太陽的高度角和方位角，然后與前一個數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)兩次角度的差值確定脈沖的個數(shù)，從而控制電機轉動對準太陽，實現(xiàn)實時跟蹤。太陽跟蹤系統(tǒng)大體由單片機、電源、GPS模塊、步進電動機、步進電機驅(qū)動器。軟件系統(tǒng)如圖：初

8、始化讀取GPS接收器輸出的數(shù)據(jù)信息是否白天系統(tǒng)休眠延時t分鐘通過GPS輸出的數(shù)據(jù)信息計算太陽高度角、方位角驅(qū)動步進電機轉動延時t分鐘NY圖4太陽跟蹤系統(tǒng)軟件流程圖10每次太陽初升時皆進行初始化，然后讀取GPS的數(shù)據(jù)是否是白天。不是白天的話繼續(xù)延遲時