定日鏡采光機的結構及實現原理

宋記鋒，羅 臻，王昕鑫

(華北電力大學，北京 102206)

引言

照明耗電占建筑總耗電的20%[1]，充分利用太陽光開發更加節能環保的采光照明產品是降低建筑照明耗電的重要途徑。建筑背陰房間缺少采光，會使得居住、工作受到影響。定日鏡采光機是一種智能太陽光照明設備，可實現建筑背陰房間的主動照明，提升背陰房間居住環境。定日鏡采光機反射的太陽光與天然光頻譜一致，這有利于工作人員的身心健康[2]，同時可進一步實現節能[3]。

近20年來，利用天然光進行照明一直是研究熱點，天然采光照明技術得到了快速發展[4-7]，天然采光照明產品相繼問世，如日本某公司推出的采集太陽光的照明系統“Himawari”,中文即為“向日葵”。1995年，美國能源部橡樹國家實驗室發明了組合太陽光照明系統，以太陽光照明為主，以電照明作為補充。雖然國內外一些天然光照明系統在各種方面有自己的優勢，但總體來說，在實際應用中都或多或少存在誤差大、反應慢、不靈活等問題。基于上述已有研究的基礎上，本文提出了一套定日鏡采光機的室內照明項目[8]。

1 組成結構

1)控制系統。本定日鏡采光機的電氣組成部分主要包括以下部件：PLC，GPS模塊，顯示屏，步進電機(兩個)，接近開關(六個)，增量編碼器(兩個)。本設備使用的PLC可進行浮點計算，功率低，效率高，配合內置的儒略日天文算法，算法理論精度可以達到25年內誤差小于0.1°。為了減輕步進電機工作時的負載以及支架部分的體積與重量，方便實際安裝時的搬運，將整套系統的控制部分(PLC等)外置在電氣箱中，將執行部分(步進電機等)放置在基座之上的保護箱中，從而避免灰塵雨水電磁場等外界因素的干擾，保證了本設備長期穩定精確運行。設備選用增量編碼器測量定日鏡兩個旋轉軸的角度。編碼器直接安裝在旋轉軸上，而非常見的安裝在電機端，這樣做的目的是消除減速器、皮帶等帶來的間隙誤差，實現高精度的鏡面指向。每個旋轉軸安裝三個高靈敏度接近開關，對編碼器的初始位置進行校零，和行程形成保護。編碼器一圈脈沖3 600個，分辨率為0.1°。

2)機械部分。如圖1所示，系統采用雙軸驅動，以步進電機為動力，采用行星減速器和皮帶輪兩級減速，以實現微小角度調整。皮帶為帶齒同步帶，以確保太陽跟蹤過程的動作同步性。編碼器采用空心方式直接安裝在旋轉軸上。

圖1 機械部分 Fig.1 Mechanical part

為了布線方便，能將導線匯總從機器下部引出，并防止在旋轉過程中拉斷線纜，方位角轉軸設計為較粗的中空軸。由于在跟蹤太陽的過程中機器旋轉不會超過180°，所以在每個轉軸都設置了三個接近開關，其中的兩個為旋轉的行程極限限位，另一個作為編碼器識別零點，如圖2所示。

圖2 開發的定日鏡照明系統Fig.2 Sun-mirror lighting system

基座設計采用三點支架，設有高度調節螺栓。由于采用的天文算法采用地平坐標系，系統坐標需要與地平面保持一致，通過調節螺栓可以使得系統坐標系和地平面重合。

2 工作原理

1)系統開機后，步進電機帶動主軸以低速在兩個維度(高度角、方位角)轉動直到觸發兩個維度各自對應的零點接近開關，完成初始化。

2)初始化完成后從GPS模塊獲取高精度的經緯度、時間，內置的高精度天文算法即可根據時間不斷地計算出實時的太陽方位，如圖3所示。

3)第一次使用時，需要手動調整光路方向(通過遙控器控制設備轉動)，使得鏡面反射光對準窗戶，控制系統根據相應幾何公式程序和太陽當前方位計算出窗戶相對定日鏡的空間角度關系，作為常量記錄。之后隨著太陽高度角的改變，本設備即可自動計算出合適的鏡面角度，從而實現定向反射光線的目的。

本設備步進電機轉動速度以及檢測周期可以在顯示屏中調整，同時也可以在顯示屏實時查看設備運行參數，為了節約電量，顯示屏電源可以關閉，此時整個設備即進入長時間自動工作狀態。

3 理論計算

1)太陽位置。在地球上，可以觀測到太陽每天有規律的東升西落。定日鏡采光機的太陽追蹤系統就是利用天文算法，根據GPS系統獲得經緯度、日期和時刻，根據相應的公式和參數，計算出太陽的實時位置。

當涉及地方時角，對于日常生活及天文計算必須用到世界時。然而，地球自轉一直在變緩，而且變緩規律難以預測，這使得世界時成了一種不均勻的時間系統。然而，科學計算需要一個均勻的時間標尺來進行精確計算，于是引入力學時，在之后的計算中涉及到的時間都是用力學時表示的。同樣的，為了統一計算不同年的日期間隔，引入儒略日來簡化算法中的日期表達式，提高計算精度。同時也需要考慮到月亮或其他行星引起的地球軌道攝動、日月歲差、行星歲差、由大氣折射引起的蒙氣差和視差等因素對計算的影響[9]。雖然這些因素對太陽位置的計算結果影響并不大，為了保證計算精度，仍需要對參數進行一定的訂正。將計算結果與天文歷法相比，最大誤差在25年內小于0.01°[10]。

計算出的結果以太陽高度角h和太陽方位角A表示，由此確定太陽位置，見式(1)、式(2)。

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

(2)

其中φ為緯度，δ為太陽赤緯，t為時角。

2)耗電量。定日鏡的總功率由步進電機、控制箱和PLC處理器組成，共約5 W。由于太陽追蹤系統并不是連續工作，而是每過一段時間矯正一次定日鏡位置，折合總工作時間相當于0.5 h，即工作一個白天，定日鏡采光機消耗電量約在0.012 5 kW·h，遠小于人工照明的耗電量。

4 實驗結果

為綜合評價陰面房間利用天然光的實際效果和檢驗整個定日鏡設備的實用性，我們在一間陰面房間中進行了綜合實驗與評價。

房間平面尺寸為2.2 m×6.4 m，室內高度為3 m。定日鏡距離房間窗戶距離40 m。室內墻面及天花板顏色均為白色。實驗時測量點的分布如圖4所示，取房間地面及桌子平面內均勻分布的6×4個測量點，在一天內定日鏡可正常反射太陽光的時間段內，用照度計分別測量了各個點在有無定日鏡補光時的光照度。

圖4 實驗測量點Fig.4 Experimental measuring point

圖5 有無定日鏡對比Fig.5 Contrast with or without a fixed helioscope

圖5展示了室內的照明效果。較無定日鏡，有定日鏡補光時室內亮度有了明顯提升，照明均勻性好，且具有較理想的顯色效果。

在未安裝定日鏡時，隨著時間推移，雖然室外光照在不斷加強，但室內光照度基本保持在一個低值，約200 lx；而在加裝定日鏡時，室內光照度有了大幅度的提升，達到了同時刻無定日鏡光照度的3～4倍，如圖6所示。由此可知定日鏡的補光效果非常明顯，這與文獻[11]的結果是一致的。

每點數據均為地面測量點光照度平均值圖6 室內光照度對比Fig.6 Indoor illumination contrast

5 結束語

我們開發了一套用于日光照明的定日鏡采光機。該系統利用GPS信息和天文算法，可實現太陽的智能定位，可高精度地將太陽光照射到目標窗戶。實驗數據證明，定日鏡可以有效反射太陽光到室內，大幅度提高室內照度。實驗結果表明，基于GPS信息和高精度天文算法的定日鏡系統可用于遠距離的太陽光主動照明運行。本項研究的結果可供定日鏡采光照明研究參考。