光纖導(dǎo)光自然光照明技術(shù)

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1、光纖導(dǎo)光自然光照明系統(tǒng)的研究摘要：提出一種通過(guò)采光面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易、維修方便的凹面鏡采集太陽(yáng)光，將太陽(yáng)光聚集于一點(diǎn)，在聚集點(diǎn)處采用光的耦合技術(shù)，將自然光耦合于自準(zhǔn)直光纖中，通過(guò)自準(zhǔn)直光纖傳光，磨砂塑料盤散光的新型太陽(yáng)光照明系統(tǒng)?？紤]到太陽(yáng)的位置移動(dòng)，我們采用GPS解算法定位跟蹤太陽(yáng)，以保證太陽(yáng)光將始終聚集于一點(diǎn)，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(zhǎng)度、光纖的口徑、光纖的材料都有關(guān)系。我們通過(guò)建立相應(yīng)的近似模型，得出了它們之間的大體關(guān)系，研究了透射光光強(qiáng)隨光纖長(zhǎng)度的變化規(guī)律。由于光在傳輸過(guò)

2、程中的損耗是因?yàn)榘l(fā)生全反射過(guò)程中的損耗，計(jì)算過(guò)程很復(fù)雜，我們通過(guò)采用光纖單位長(zhǎng)度的損耗表示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出平均單位長(zhǎng)度的損耗，從而計(jì)算出總長(zhǎng)度的損耗。在室內(nèi)的散光過(guò)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(shí)在前面加一個(gè)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(duì)人體的傷害，在漫射裝置上加一個(gè)濾波片濾去紫外線。采用本系統(tǒng)匯集陽(yáng)光，經(jīng)光纖傳導(dǎo)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(cè)照明及大型建筑照明等。希望能夠更好利用能源，以改善當(dāng)今能源狀況。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)光采集，

3、凹面鏡，GPS解算法，光的耦合技術(shù)，自準(zhǔn)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(xiàng)能耗。發(fā)達(dá)國(guó)家照明能耗約占總能耗的，我國(guó)占。因此開(kāi)發(fā)自然光照明技術(shù)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(dǎo)技術(shù)現(xiàn)在較為成熟的是利用光導(dǎo)管傳輸自然光，最著名的是英國(guó)蒙那家特公司出產(chǎn)的一種光導(dǎo)系統(tǒng)如圖所示：圖1蒙那家特公司光導(dǎo)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(dǎo)管傳輸自然光，最后加漫射裝置進(jìn)行照明。此類設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上大顯身手。但是這種裝置，體積大，對(duì)建筑物影響較大，只能

4、應(yīng)用于城市大型建筑上，難以適應(yīng)于野外勘探、礦井等地下場(chǎng)合，也難以在普通居民家庭安裝使用。本作品從適應(yīng)國(guó)內(nèi)發(fā)展角度出發(fā)，擬設(shè)計(jì)出適應(yīng)國(guó)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(zhǔn)直光纖提高耦合效率，光纖相對(duì)于光導(dǎo)管體積要小得多適合普通居民家庭安裝；利用我國(guó)逐漸成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)提出GPS解算法定位跟蹤太陽(yáng)更適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)。1光纖導(dǎo)光自然光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)如下圖所示：10圖2光纖導(dǎo)光自然光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采光裝置由凹拋物面反射鏡和自動(dòng)跟蹤裝置組成。1.1凹面鏡反射裝置：我們可以證明，當(dāng)光線平行入射時(shí)，光

5、線通過(guò)拋物面后匯聚于一點(diǎn)，故在該點(diǎn)處將匯聚較高的能量。證明如下：圖3凹面鏡截面模型設(shè)拋物面上的拋物線的函數(shù)方程為：。設(shè)在其上有一點(diǎn)，則在該點(diǎn)處的切線斜率為。則切線的法線的斜率為，當(dāng)太陽(yáng)光線垂直于軸照射時(shí)，入射光線的斜率為無(wú)窮大，設(shè)為。設(shè)10入射光線的斜率為，由角平分線的知識(shí)可知：（1）則，于是可以設(shè)出射光線函數(shù)為將代入（1）式，則可以求出。即為一個(gè)與，無(wú)關(guān)的常數(shù)。則可知拋物面匯聚點(diǎn)與原點(diǎn)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(shí)不產(chǎn)生色差。我們知道，自然光由很多波長(zhǎng)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(diǎn)。這就為能夠采用很細(xì)的光纖傳輸光提供了條件。1.2光的跟蹤裝置已有的太陽(yáng)跟蹤裝置大多用硅光電池作為傳感器，設(shè)計(jì)電橋，因硅光電池不同側(cè)光強(qiáng)不同產(chǎn)生微小電流，通過(guò)測(cè)量微小電流的變化來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制。這種跟蹤系統(tǒng)誤差較大，可達(dá)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(yáng)相對(duì)于地球的位置由該觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度、季節(jié)（年、月、日）和時(shí)間三個(gè)因素決定。通常用地平坐標(biāo)系和赤道坐標(biāo)系同時(shí)表示太陽(yáng)相對(duì)于地球的位置。圖4赤道、地平面坐標(biāo)系我國(guó)日益成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將使以GPS解算為理論的太陽(yáng)跟蹤裝置成為一

7、種趨勢(shì)。應(yīng)用GPS獲取地理位置和時(shí)間信息，可以推算太陽(yáng)的高度角10太陽(yáng)的方位角：式中，為觀測(cè)緯度，為赤緯角，t為時(shí)角，h為高度角，A為方位角。已知，每天太陽(yáng)的起始位置不同，所以考慮到跟蹤器晚上還要復(fù)位，這就要求跟蹤程序的精確程度。GPS每隔設(shè)定的一段時(shí)間將觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和時(shí)間信息輸入，通過(guò)串口信息將信息輸入到單片機(jī)內(nèi)并計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，然后與前一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)兩次角度的差值確定脈沖的個(gè)數(shù)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)大體由單片機(jī)、電源、GPS模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)t分鐘通過(guò)GPS輸出的數(shù)據(jù)信息計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)延時(shí)t分鐘NY圖4太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)軟件流程圖10每次太陽(yáng)初升時(shí)皆進(jìn)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(shí)