光纤导光自然光照明技术

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1、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

2、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100前言

3、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

4、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：10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：我们可以证明，当光线平行入射时，光线通过抛物面后汇聚于一点，故在该点处将汇聚较高的能量。证明如下：图3凹面镜截面模型设抛物面上的抛物线的函数方程为

5、：。设在其上有一点，则在该点处的切线斜率为。则切线的法线的斜率为，当太阳光线垂直于轴照射时，入射光线的斜率为无穷大，设为。设10入射光线的斜率为，由角平分线的知识可知：（1）则，于是可以设出射光线函数为将代入（1）式，则可以求出。即为一个与，无关的常数。则可知抛物面汇聚点与原点的距离为。所以凹面镜即凹抛物面，反射镜作为光的收集装置时不产生色差。我们知道，自然光由很多波长成分组成，采用不产生像色差的凹面镜可以将将近似平行光的自然光汇集到一点。这就为能够采用很细的光纤传输光提供了条件。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

6、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10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

7、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：初始化读取GPS接收器输出的数据信息是否白天系统休眠延时t分钟通过GPS输出的数据信息计算太阳高度角、方位角驱动步进电机转动延时t分钟NY图4太阳跟踪系统软件流程图10每次太阳初升时皆进行初始化，然

8、后读取GPS的数据是否是白天。不是白天的话继续延迟时