自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟 強(qiáng)，馮德軍，2

1.山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250100

2.山東省半導(dǎo)體光電子工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100

自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟 強(qiáng)1，馮德軍1，2

1.山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250100

2.山東省半導(dǎo)體光電子工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250100

1 引言

近年來(lái)，隨著城市建筑趨向高層化和密集化，僅依靠傳統(tǒng)的采光方式已經(jīng)不能滿足建筑物內(nèi)部的采光要求[1-2]。尤其是那些較低層建筑、無(wú)窗房間和地下室，即使是晴朗天氣，室內(nèi)也昏暗陰沉，這在無(wú)形之中增加了人工照明的電能損耗，而且給長(zhǎng)期在此環(huán)境中生活與工作的人身心健康帶來(lái)不良影響[3-4]。將太陽(yáng)光直接導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行照明的技術(shù)不僅充分利用了太陽(yáng)光資源，減少了白天電能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)窗房間和地下室的照明需求，而且提高了室內(nèi)生活品質(zhì)[5-7]。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)利用太陽(yáng)光照明進(jìn)行了大量的研究，提出不少利用太陽(yáng)能的采光方法和設(shè)想[2]。例如：使用平面鏡的一次反射法、棱鏡組多次反射法、衛(wèi)星反射鏡法、導(dǎo)光管法以及光纖導(dǎo)光法。由于光纖導(dǎo)光入室照明相比上述采光方法在施工和設(shè)計(jì)上有很大的自由度優(yōu)勢(shì)，能方便地把陽(yáng)光傳送到需要照明的地方，因此一直是西方許多發(fā)達(dá)國(guó)家研究的熱點(diǎn)。1979年8月日本的La Foret工程公司推出了第一臺(tái)采集太陽(yáng)光的照明系統(tǒng)——“向日葵”；1995年前后，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了組合太陽(yáng)光照明系統(tǒng)，即以太陽(yáng)光照明為主，不足部分用電照明補(bǔ)充[8]。

國(guó)內(nèi)外的一些光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)雖然在不同的方面有各自的優(yōu)點(diǎn)，然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中或多或少存在著誤差大、靈活性差、非全天候跟蹤、光污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一套基于GPS自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)。它具有控制精度高、靈活性強(qiáng)、易操作、耦合率高、成本低、全自動(dòng)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、健康的室內(nèi)照明，這對(duì)于我國(guó)政府倡導(dǎo)的大力發(fā)展可持續(xù)再生能源技術(shù)和推動(dòng)綠色照明工程有著積極的意義[9-10]。

2 太陽(yáng)跟蹤的理論依據(jù)

本文設(shè)計(jì)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)是基于太陽(yáng)高度角-方位角的雙自由度跟蹤系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是如何實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，定位太陽(yáng)的位置。太陽(yáng)在天球中對(duì)于地球上某點(diǎn)的相對(duì)位置是由該觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度、季節(jié)（年、月、日）和時(shí)間（時(shí)、分、秒）三個(gè)因素來(lái)決定的[11]，通常用地平坐標(biāo)系和赤道坐標(biāo)系同時(shí)表示太陽(yáng)的位置。地平坐標(biāo)系、赤道坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)在不同坐標(biāo)系下的表示

赤道坐標(biāo)系是一種天球坐標(biāo)系。在赤道坐標(biāo)系中太陽(yáng)S的位置由下列兩個(gè)坐標(biāo)確定：赤緯角δ和太陽(yáng)時(shí)角t。赤緯角δ是地球赤道平面與太陽(yáng)和地球中心的連線之間的夾角。根據(jù)Cooper方程，δ值的計(jì)算公式為[12]：

式中，δ為赤緯角，單位為rad；N為天數(shù)，自1月1日開(kāi)始計(jì)算；例：1月1日，N=1；12月31日，N=365。

時(shí)角是從觀測(cè)點(diǎn)天球子午圈沿天赤道量至太陽(yáng)所在時(shí)圈的角距離。在圖1（a）中，∠QOB是時(shí)角t，時(shí)角是從天子午圈上的Q點(diǎn)算起的，即從太陽(yáng)正午時(shí)算起，按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)，也就是時(shí)角上午為負(fù)，下午為正。它的數(shù)值等于離正午的時(shí)間（h）乘以15°。

太陽(yáng)時(shí)角計(jì)算公式如下[12]：

式中，t為太陽(yáng)時(shí)角，單位為rad；T為當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)間，單位為h。

地平坐標(biāo)系是以真地平為基本圈、以南點(diǎn)為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。在地平坐標(biāo)系中，對(duì)處于地球上某一位置的采光器來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)S的位置是由高度角h和方位角Α決定的。

太陽(yáng)高度角h是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角；太陽(yáng)方位角Α指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看做是豎立在地面上的直線在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。它們都定義在地平坐標(biāo)系中，計(jì)算公式如下[13]：

太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式為：

太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式為：

式中，h為高度角，單位為rad；φ為觀測(cè)點(diǎn)緯度，單位為rad；δ為赤緯角，單位為rad；t為時(shí)角，單位為rad；Α為方位角。示意圖如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)位置示意圖

圖3 每個(gè)月的1日早上太陽(yáng)的初始位置變化

利用公式（3）、（4），根據(jù)地球緯度、太陽(yáng)赤緯角及太陽(yáng)時(shí)角，即可求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽(yáng)高度角和方位角。

結(jié)合上面的天文學(xué)公式（1）～（4），以濟(jì)南為例（117°2'E，36°39'N），2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，早上六點(diǎn)太陽(yáng)方位角的變化曲線如圖3（a）所示；2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，當(dāng)太陽(yáng)高度角為15°時(shí)的時(shí)間變化曲線如圖3（b）所示。

從圖3（a）可以得出，每天太陽(yáng)的起始位置不同，所以每天太陽(yáng)落山后跟蹤器復(fù)位也就不同，這就要求設(shè)計(jì)更為精確的跟蹤程序；從圖3（b）可以得出當(dāng)太陽(yáng)高度角為15°時(shí)，從1月1日開(kāi)始到7月1日每天早上太陽(yáng)升起的時(shí)間越來(lái)越早，符合冬天白晝時(shí)間短，夏天白晝長(zhǎng)的規(guī)律。

3 自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析

本文提出的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)將實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)從而保證聚光器最大限度地收集陽(yáng)光，將聚焦后的陽(yáng)光濾除有害射線后耦合到光纖中通過(guò)多芯光纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)端室內(nèi)通過(guò)散射器進(jìn)行照明。這是一個(gè)直接利用太陽(yáng)光照明的裝置，在環(huán)保、節(jié)能、健康等方面都有著重要的意義。光路圖如圖4所示。

圖4 導(dǎo)光光路示意圖

3.1 太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文中的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)是基于GPS的雙自由度太陽(yáng)跟蹤，它利用GPS接收器每間隔10 min輸出一次觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，通過(guò)串口將信息傳輸?shù)紸tmegal16單片機(jī)并計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角，然后與10 min之前測(cè)得的結(jié)果相減并將這次測(cè)量結(jié)果儲(chǔ)存，根據(jù)兩次差值計(jì)算的太陽(yáng)高度角和方位角偏差確定脈沖的個(gè)數(shù)，然后通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)聚光器始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，從而保證聚光器最大限度地接收陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)模塊，太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)模塊由Atmega16單片機(jī)、電源模塊、GPS模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、聚光器、MAX232等模塊組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案如下：系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化，讀取GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，其次系統(tǒng)自動(dòng)判斷當(dāng)前時(shí)間是白天還是黑夜，如果是白天，系統(tǒng)啟動(dòng)，每隔10 min驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一次，使聚光器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤；如果是黑夜，系統(tǒng)不啟動(dòng)，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在濟(jì)南（117°2'E，36°39'N）對(duì)本文設(shè)計(jì)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤太陽(yáng)的測(cè)試、聚光性能的測(cè)量以及光纜的耦合效率的測(cè)量。

4.1 跟蹤太陽(yáng)的測(cè)試

2011年7月20日，21日，25日濟(jì)南天氣晴朗，進(jìn)行了三次跟蹤太陽(yáng)的測(cè)試。首先將測(cè)量時(shí)間段分為：11：00—12：00；12：00—1：00，1：00—2：00然后在每個(gè)時(shí)間段的初始時(shí)刻將系統(tǒng)調(diào)節(jié)為正對(duì)太陽(yáng)，太陽(yáng)聚焦后的光斑照射在光纖輸入端，用LM-200光功率計(jì)測(cè)試光纖輸出端的可見(jiàn)光功率，將此值作為比較參考值，然后啟動(dòng)光纖導(dǎo)光系統(tǒng)跟蹤器開(kāi)始跟蹤太陽(yáng)，每間隔10 min，記錄光纖輸出端的可見(jiàn)光功率，連續(xù)測(cè)量數(shù)小時(shí)，光纖輸出端光功率與參考值沒(méi)有明顯差異同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)聚焦后的光斑始終位于光纖輸入端，表明此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)正對(duì)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤。

4.2 耦合效率的測(cè)量

為了節(jié)省測(cè)量時(shí)間和提高測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室以功率為3 W的LED燈模擬太陽(yáng)光源，架設(shè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖7所示。利用架設(shè)的系統(tǒng)對(duì)14芯塑料光纜（光纖芯徑是0.75 mm；NA是0.5；光纜內(nèi)徑是3.1 mm；長(zhǎng)度是15 m）進(jìn)行聚光效果和耦合效率的研究，利用LM-200功率計(jì)測(cè)量光纜入光端及出光端功率。

光的耦合效率定義為：

通過(guò)表1可知：本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)的光耦合效率在可見(jiàn)光波段達(dá)到36%以上，而太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率約為18%[14]，且該照明系統(tǒng)綠色環(huán)保、成本較低，是未來(lái)太陽(yáng)光利用的主要方向，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 光束的耦合效率1）

圖8是3 W的模擬光源經(jīng)過(guò)菲涅爾平面透鏡直接聚焦進(jìn)入內(nèi)徑為3.1 mm光纜，并傳輸15 m的光輸出效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 光輸出效果圖

自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)已是各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，設(shè)計(jì)廉價(jià)、高精度的聚光與跟蹤系統(tǒng)是推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)健康、舒適、高效的室內(nèi)白天照明設(shè)計(jì)了自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要通過(guò)菲涅爾透鏡、多芯光纜、GPS模塊和跟蹤控制模塊實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的采集、傳輸、跟蹤等步驟。本系統(tǒng)通過(guò)菲涅爾透鏡聚焦提高焦點(diǎn)處的光強(qiáng)，通過(guò)多芯塑料光纜可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)幾十米的傳輸，通過(guò)GPS定位實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

利用光纖導(dǎo)光進(jìn)行室內(nèi)照明是一種天然光照明方式。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)具有跟蹤精度高、穩(wěn)定性能好、光耦合效率高、造價(jià)低廉、使用壽命長(zhǎng)以及沒(méi)有光污染等優(yōu)點(diǎn)，在以后的工業(yè)和生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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MENG Qiang1,FENG Dejun1，2

1.School of Information Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China
2.Semiconductor Optoelectronics Engineering Τechnology Center of Shandong Province,Jinan 250100,China

Τaking the optical fiber lighting system of automatic solar tracking which guides light into indoor rooms as the research objective,the hardware composition,software flowchart and light-guiding of the system are well designed.Τhe tracking capability and light guiding performance have been verified by a 15-meter-long optical cable light-guiding experiment and related simulations.Τhe experimental results show that the optical fiber lighting system of automatic solar tracking has high accuracy,good stability,high coupling efficiency.Under the general solar lighting condition,the optical fiber interior lighting system designed in this paper can provide healthy,efficient interior illumination in libraries,basements,and other sunless rooms.

solar power;Single Chip Microcomputer（SCM）;tracking;condensation;optical fiber;lighting

以將太陽(yáng)光通過(guò)光纖導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行照明的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)導(dǎo)光系統(tǒng)進(jìn)行了硬件、軟件及導(dǎo)光部分的設(shè)計(jì)，對(duì)該光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)的跟蹤性能和導(dǎo)光性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模擬分析。實(shí)驗(yàn)表明：所研究的自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)精度高、工作穩(wěn)定性好、太陽(yáng)能耦合效率高。在一般日照條件下，所設(shè)計(jì)的光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)可以在圖書(shū)館、地下室、陰暗的房間實(shí)現(xiàn)健康、舒適、高效的室內(nèi)照明。

太陽(yáng)能；單片機(jī)；跟蹤；聚光；光纖；照明

A

ΤK519

10.3778/j.issn.1002-8331.1111-0361

MENG Qiang,FENG Dejun.Design of optical fiber lighting system based on tracking solar automatically.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：249-252.

山東省自然科學(xué)基金（No.ZR2011FM013）；山東大學(xué)自主創(chuàng)新基金（No.2010ΤS014）。

孟強(qiáng)（1986—），男，碩士研究生，主要從事光纖光柵的理論與應(yīng)用研究；馮德軍（1973—），男，博士，副教授，主要從事光學(xué)全息與光信息處理、光纖傳感技術(shù)、光纖光柵研制和光纖激光器等方面的研究。E-mail：ytmq1986@163.com

2011-11-21

2012-02-17

1002-8331（2013）15-0249-04

CNKI出版日期：2012-04-25 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120425.1719.040.html