光纤导光自然光照明技术光纤导光自然光照明技术.doc

光纤导光自然光照明系统的研究 摘要：提出一种通过采光面积大、结构简单、制作容易、维修方便的凹面镜采集太阳光，将太阳光聚集于一点，在聚集点处采用光的耦合技术，将自然光耦合于自准直光纤中，通过自准直光纤传光，磨砂塑料盘散光的新型太阳光照明系统。考虑到太阳的位置移动，我们采用GPS解算法定位跟踪太阳，以保证太阳光将始终聚集于一点，并有最优采光效率。光纤的耦合效率及光纤的透光率随光线的入射角、光纤的长度、光纤的口径、光纤的材料都有关系。我们通过建立相应的近似模型，得出了它们之间的大体关系，研究了透射光光强随光纤长度的变化规律。由于光在传输过程中的损耗是因为发生全反射过程中的损耗，计算过程很复杂，我们通过采用光纤单位长度的损耗表示，通过实验，计算出平均单位长度的损耗，从而计算出总长度的损耗。在室内的散光过程中，我们采用磨砂塑料盘，这可以产生均匀、柔和的漫射光，同时在前面加一个光照度调节器，可以调节室内光照亮度。考虑到自然光中紫外线对人体的伤害，在漫射装置上加一个滤波片滤去紫外线。采用本系统汇集阳光，经光纤传导能够产生亮度很高的滤去紫外线的自然光，便于安装和普及，适用于普通家庭、地下勘测照明及大型建筑照明等。希望能够更好利用能源，以改善当今能源状况。 关键词：太阳光采集，凹面镜，GPS解算法，光的耦合技术，自准直光纤 0前言 在人类各种能源消耗中，电力照明是所有能耗中最多的一项能耗。发达国家照明能耗约占总能耗的，我国占。因此开发自然光照明技术有很大的意义，不只是体现在节能上面，还体现在提高环境质量上面。光导技术现在较为成熟的是利用光导管传输自然光，最著名的是英国蒙那家特公司出产的一种光导系统如图所示： 图1蒙那家特公司光导系统图示 此系统利用PC塑料透镜作为采光装置，用光导管传输自然光，最后加漫射装置进行照明。此类设计的产品在2008年北京奥运会上大显身手。但是这种装置，体积大，对建筑物影响较大，只能应用于城市大型建筑上，难以适应于野外勘探、矿井等地下场合，也难以在普通居民家庭安装使用。 本作品从适应国内发展角度出发，拟设计出适应国内易于推广使用的自然光照明装置。所以采用了不产生色差的反射镜；利用自准直光纤提高耦合效率，光纤相对于光导管体积要小得多适合普通居民家庭安装；利用我国逐渐成熟的导航系统提出GPS解算法定位跟踪太阳更适应发展趋势。 1 光纤导光自然光照明系统结构及原理 系统的大体结构如下图所示： 图2 光纤导光自然光照明系统结构 采光装置由凹抛物面反射镜和自动跟踪装置组成。 1.1 凹面镜反射装置： 我们可以，平行时光线通过后汇聚于一点故在将汇聚较高的能量。如下： 图3 凹面镜截面模型抛物面上的抛物线的函数方程为：在其上有一点则在该点处的切线为则的法线的斜率为当太阳光线垂直于照射时，入射光线斜率为无穷大，设为入射光线的斜率为由的知识： ，于是可以出射光线函数为代入（1）式，则可以求出 即为一个与，无关的。则点原点的距离为 1.2 光的跟踪装置 已有的太阳跟踪装置大多用硅光电池作为传感器，设计电桥，因硅光电池不同侧光强不同产生微小电流，通过测量微小电流的变化来进行自动控制。这种跟踪系统误差较大，可达到0.36度，受环境影响较大。所以我们采取了GPS解算 我们知道，太阳相对于地球的位置由该观测点的地理纬度、季节（年、月、日）和时间三个因素决定。通常用地平坐标系和赤道坐标系同时表示太阳相对于地球 的位置。 图4 赤道、地平面坐标系 我国日益成熟的导航系统北斗导航卫星将使以GPS解算为理论的太阳跟踪装置成为一种趋势。应用GPS获取地理位置和时间信息，可以推算太阳的高度角 太阳的方位角： 式中，为观测纬度，为赤纬角，t为时角，h为高度角，A为方位角。 已知，每天太阳的起始位置不同，所以考虑到跟踪器晚上还要复位，这就要求跟踪程序的精确程度。GPS每隔设定的一段时间将观测点的经纬度和时间信息输入，通过串口信息将信息输入到单片机内并计算出太阳的高度角和方位角，然后与前一个数据进行比较，根据两次角度的差值确定脉冲的个数，从而控制电机转动对准太阳，实现实时跟踪。 太阳跟踪系统大体由单片机、电源、GPS模块、步进电动机、步进电机驱动器。软件系统如图： 图4 太阳跟踪系统软件流程图 每次太阳初升时皆进行初始化，然后读取GPS的数据是否是白天。不是白天的话继续延迟时间，系统休眠；是白天的话计算太阳高度角及方位角控制电机驱动器工作，驱动步进电机转动相应角度，完成一次后延迟时间t继续下一次循环。 对于电机的驱动，