太陽光導入照明系統的設計與實現

王詩瑩 陳海洋 張文瀚

摘要：基于“TRIZ”創新思維理論，本系統旨在設計一個集光、電、機于一體的全自動裝置。白天，采集子系統光盤中的光學透鏡將大陽光聚集提升光強，導入至傳導光纖傳輸到地下室，通過輸出照明器件將光釋放發散，從而達到照明的效果;另一方面，儲存子系統中的太陽能電池吸收光能，并將其轉化成電能，通過控制電路，從而儲存在蓄電池中。晚上，蓄電池中的電能由導線傳遞至高亮度LED節能燈。

關鍵詞：物聯網網關，硬件技術，軟件技術，現狀探析

1引言

隨著經濟的快速發展，人們的物質生活得到了很大的改善，同時隨著地下室和地下商場的增多，這就使得人們渴望有一種東西，能夠將室外的陽光導入地下室和室內等地方，從而改變人們的生活和工作環境，在不走出室內的情況下就能感受陽光的照射，并且還能將陽光中有害的成分給去除掉，在室內就能感受到溫暖而無害的陽光，使生活質量得以提高。針對這一問題，設計了一種太陽光導入照明系統，該系統能夠將其陽光導入室內，并且設計得有陽光追蹤和有害光隔離系統，使得該系統不會由于太陽轉移而減弱強度，同時還能隔離陽光中對人體有害的成分。

2現狀與分析

太陽光導入器采用透鏡集光+光導纖維的傳送方式，去除太陽光光譜中的有害成分后導入到室內。太陽光導入器的核心技術有：陽光自動跟蹤系統，GPS（全球定位系統）定位，凸透鏡聚焦（可提升陽光照度1.5萬倍），光纖導入陽光（將陽光轉彎傳輸，可送達任何位置），頻譜分離對人體有害陽光。它不受房子與窗戶的方位以及太陽的照射角度等條件影響，整日都可以穩定的收集太陽光，并且能耗低。美、日、英、德等發達國家已研制出了太陽光導入器成品，并已推向民用消費市場。我國雖然在這個領域剛剛起步，但生產制造、市場銷售前景廣闊，期待我國企業可以早日跟上國際發展的步伐。

太陽光導入技術現狀：

（1）光導纖維技術得到突破性發展，現已研制出高純大直徑石英光導纖維，陽光傳輸3km以上僅有0.001%的衰減。

（2）GPS和陽光自動跟蹤系統的發展，使得在不同經緯度都能收集到太陽光。并能確保在一年時間內讓室內獲得太陽光照射的平均時長達到10小時及以上。

（3）太陽光光譜分離技術可將有害射線去除，實現了引入清潔、安全、健康、舒適陽光功能。

（4）太陽光聚焦技術發展，可將陽光照射度提高1.5萬倍。

（5）太陽光室內照射技術獲得突破，現已有幾十種各用途的照射器具，實現了多方位、多功能、多用途照明，滿足用戶的不同需求。

3設計標準

節能：該系統所利用的能源屬于可再生能源，從而減少了對煤和石油等不可再生能源的使用。并且太陽光導入照明系統可取代白天的電力照明，無能量損耗，節約能源，創造效益。

環保：照明光源為自然光線，和常規使用的電力照明相比，太陽光照明時不會產生二氧化硫和一氧化氮等有害氣體，不會影響空氣質量，并且不會產生二氧化碳氣體，能一定程度的減緩溫室效應現象。還可分離太陽光中有害光線，濾除輻射。采光柔和、均勻，光照強度可以根據個人需要而實時調節，全頻譜、無閃爍、無眩光、無污染，最大限度地保護使用者的身心健康。

健康：科學研究證明，自然光線照明具有更好的視覺效果和心理作用，并且有益于改善室內環境，增強人體健康。

時尚：是目前國內外普遍推崇的一種綠色健康、節能環保的新型照明系統。

4工作原理

采用了透鏡集光+光導纖維的傳送方式，將太陽光去除光譜中的有害成分后導入到室內。太陽光導入器的核心技術有：GPS（全球定位系統）定位、陽光自動跟蹤、凸鏡聚焦（可提升陽光照度1.5萬倍）、有害陽光頻譜分離、光纖導入陽光（將陽光轉彎傳輸，可送達任何位置）。

4.1集光器

系統最主要的部分收集太陽光的裝置--集光器。集光器是由日本來福瑞公司生產的太陽集光器，外觀形似向日葵，故也稱向日葵系統，能夠實時追蹤一天中太陽光最好的時刻，并對紫外線及有害射線進行過濾，太陽光的聚焦耦合等功能。

4.2亞克力球罩：

能夠對內部聚光組件進行良好的保護，同時特殊的球形結構能夠實現自凈功能，尤其在黑河這個冬夏分明的地方，冬-不落積雪，夏-不聚雨水。高透光性能夠更大限度的實現對陽光的采集，同時特殊的外層材質也能對陽光的紫外線進行一級過濾。

4.3傳感器：

聚焦鏡中部安裝有光感元件，再配合GPS定位系統的初步定位后，使得對太陽光進行精確的定位追蹤，使集光器能夠實時采集最強烈的眼光，提高采集效率和最終的光照強度。

4.4聚光組件

是整個系統中最核心的部分，也是最精密的部分。通過控制耦合端面與透鏡焦點的位置，實現對紫外線的過濾。

4.5傳導裝置：

所用的傳導裝置就是導光光纖。光纖本身的導體是由玻璃材料（）抽絲制成，他的傳輸是利用光經由高折射率的介質，以高于臨界角的角度進入低折射率介質會產生全反射原理，讓光在介質中能夠維持光波形的特性進行傳輸。

導光光纖主要應用于傳導太陽光進行照明，因此為了獲得足夠多的陽光傳輸，芯徑的尺寸要大，同時考慮光纖的彎曲性，耐高溫性、抗沖擊、抗拉伸并且還要考慮到成本。

5總結

太陽光導入照明系統有助于合理利用自然資源，讓廉價的太陽能資源充分發揮出它的效能，并減少有害氣體和溫室氣體的排放，營造出一個綠化的社會，其具有廣闊的應用前景，具有一定的理論意義和實際意義。

參考文獻

[1]高知林，潘志安，秦華旺，謝鑫.智能照明系統的軟件設計與實現[J].工業控制計算機，2020（33）：28-29+31

收稿日期：2021-07-28

基金項目

黑龍江省2019年大學生創新創業訓練計劃項目（201913744006）

作者簡介

王詩瑩（1985-），女，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，博士。