一種工廠太陽光照明系統的設計

辛增 楊光軍

【摘要】目前，為了達到節能減排、保護環境的目的，工廠照明系統已從白熾燈慢慢過渡到節能燈。但是現在的工廠，大部分都是封閉性的，工作人員需長時間在里面工作，缺乏陽光照射對他們身心健康有極大的影響。基于此，設計一種工廠太陽光照明系統，通過該系統可以在工廠外實現捕捉并收集太陽光，然后通過光學透鏡聚焦成一束較強光在光能管道中傳播，最終通過多根光纖將光平均分配到工廠不同的地方用于照明。最后，對此類照明系統的應用前景進行了分析。

【關鍵詞】太陽光采集;光導管;聚光;照明

“十二五”規劃以來，我國節能減排形勢嚴峻，這與我國產業結構優化升級進展緩慢、服務業比重相對較低、一些高耗能、高污染行業增長偏快等因素密切相關。清潔能源的開發使用已迫在眉睫。目前，我國工業化雖發展很快，但是工廠環境的布置卻不是很理想。盡管為了達到節能減排的效果，很多工廠將白熾燈換成了節能燈，對于長時間工作的工作人員來講，他們平時總呆在密封的工廠中工作，缺乏外界太陽光的照射，容易引起一些疾病。因此，如果能夠在白天將外界太陽光直接引入室內照明，將節約很多電能，為員工提供陽光照明也有助于增強他們的免疫力。太陽能建筑一體化就是最好的例子[1]，工廠太陽光照明系統的應用將有助于發展節能環保。論文提出了一種應用于工廠照明的太陽光照明系統設計方案，并分析其未來前景。

1.工廠太陽光照明系統設計說明

太陽光是最重要的自然光源，它使整個世界姹紫嫣紅，五彩繽紛。當光線隨時間的推移以及天氣發生變化時，都會直接影響物象的色彩。太陽能建筑的研究與開發，間接成為了各個國家重視的問題。太陽能與建筑結合并非只停留在外立面的結合，更重要的是太陽能要依托于建筑為人類提供更多的實用價值[2]。

圖1 工廠太陽光照明系統模擬圖

本工廠太陽光照明系統主要由三部分組成（1）太陽光收集裝置、（2）光能管道、（3）光纖照明系統。在工廠的頂棚安裝一個大型的太陽光收集裝置，該裝置能夠收集太陽光并隔熱過濾紫外線，通過橫截面積較大的光纖將光從面朝太陽方向延伸到垂直方向。在光能管道的頂部，通過光學透鏡來將光纖傳遞的光聚焦成集中的一束光，利用光沿直線傳播的特性，在光能管道拐角處安裝平面鏡用于反射。當

到達傳遞高度時，在光能管道的底部設置光學透鏡，將較強的一束光分散成平行光，最后通過大量光纖并排設置將光平均分配到每間屋去。圖1和圖2分別給出了工廠太陽光照明系統模擬圖和光線傳播模擬圖。

圖2 光線聚焦模擬圖

注：圖1中（1）為太陽光收集裝置，（2）為光能管道頂部的聚光部分，（3）為光纖，（4）為光能管道，（5）為光能管道底部的分散光束部分，（6）為多根傳遞光能光纖，（7）為光纖照明部分。

1.1 太陽光收集裝置

在太陽光收集中，進行追蹤是很有必要的，可以采用閉環控制方式或者開環控制方式，對太陽光實時的捕捉并進行收集[3]。根據太陽光照射能夠產生影子的原理，利用光敏傳感器來實現感知太陽的方向，以此來驅動相應的二自由度云臺來實現追光。太陽光收集裝置采用類似于太陽灶的結構，其邊面采用反光材料，在其最上端安裝聚光裝置實現收集聚光，在聚光裝置的結構中間加入透明隔熱層用于隔熱，這樣更有利于隔絕熱量收集光能。最后從聚光裝置的底部延伸出多個光纖用于傳輸光能。

1.2 光能管道頂部聚光部分及光纖部分

在光能管道的頂端，按照圖2的光線聚焦模擬圖，通過3個光學透鏡來實現，如圖2所示，通過這種方式就可以將橫截面積較大的平行光聚集成一束橫截面積較小的強光，有助于在光能管道中傳播。凹透鏡可以將發散到不同方向的光轉換成平行光，然后通過兩個焦距不同的凸透鏡將光聚集成強光。光纖部分的使用有助于將收集到不同方向的太陽光轉換成垂直方向，便于聚光部分聚光。

1.3 光能管道

在工廠的頂棚，可以安裝光能管道用于傳遞光能。光能管道內部鑲嵌反射材料用于反射光束減少損失，在拐角處安裝平面鏡用于改變強光束的傳播方向。平面鏡的固定裝置采用由雙舵機組成的二自由度云臺，這樣通過pwm波來控制光能傳播方向可以更好的減少人為安裝失誤。根據光沿直線傳播的原理，讓強光束在管道中傳播，從而減少反射降低了光能的損失。在光能管道的底部裝有分散光束部分，類似于頂部的聚光部分，將光學透鏡的聚焦方式反過來，用于將強光束分散成弱光。同樣采用光學透鏡來將強光束的橫截面積放大，以此來分散成較弱的光。最后多根光纖并排設置成圓柱狀，利用光纖的傳遞光能的作用，平均分配光能。通過多根光纖將太陽光導入到工廠的每一間工作室中。

1.4 光纖照明裝置 ?在光纖將光能引入到工廠工作室后，根據實際工廠工作室燈光布局，采用類似于手電筒原理，利用半球狀光學透鏡將光散射到室內。在光纖照明裝置的內部鑲嵌反光材料用于更好的反射光能，將光照射出去。在工廠里，當然也有電燈作為輔助照明，使光纖照明裝置和電燈相輔相成。白天使用該裝置，將不耗費任何電能用于照明，省去了很多的電能。

2.結論

工廠太陽光照明系統體現了利用綠色能源的理念，其制作需根據工廠實際情況，從光到光，而不是采用常規太陽能電池板的從光到電，再從電到光的太陽能利用形式，大大提高了太陽光的利用率。該系統的使用，將為倡導綠色工廠做出貢獻。

參考文獻

[1]高軍林，劉玉山，吉頂，范國輝.太陽能與建筑一體化的實踐[J].節能與環保，2006（11）.

[2]李慧敏，孫培軍，俞彤霖.太陽能與建筑結合的發展及新技術應用[J].建筑科技，2008（10）：59-64.

[3]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].新能源及工藝，2003（3）：18-21.

[4] 張耀明.采集太陽光的照明系統研究[J].中國工程科學，2002（09）.

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201310448030）;德州市科技發展計劃項目（項目編號：2012B05）。

作者簡介：辛增（1994—），男，山東泰安人，主要從事太陽能利用方面的研究。

通訊作者：楊光軍（1977—），男，山東萊蕪人，碩士，副教授，研究方向：新能源開發與利用。