光纤导光自然光照明技术.doc

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0前言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9%，我国占6%9%。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：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：。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sinh=sinsin+coscoscost太阳的方位角： cosA=(sinhsin-sin)sechsec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 每次太阳初升时皆进行初始化，然后读取GPS的数据是否是白天。不是白天的话继续延迟时间，系统休眠；是白天的话计算太阳高度角及方位角控制电机驱动器工作，驱动步进电机转动相应角度，完成一次后延迟时间t继续下一次循环。对于电机的驱动，在误差允许范围内应该尽量延长每两次驱动的时间间隔，时间间隔的确立和太阳高度角和方位角变化的速率有关，此时间间隔t的确立需要在软件完成前对GPS的数据进行大量的数学计算，来获得最优的t。光的传导装置由自准直透镜与传导光纤组成1.3光的耦合及传输 光的耦合是现在光纤研究中很难的问题，耦合技术的发展直接推动者光纤导光技术。本作品采用的是自准直光纤，光纤准直器在国内的发展已经具备了批量生产的能力。耦合的基本理论：自然光经过会聚再经过准直光纤以平行光入射进光纤，如图：对经过光纤中心轴的光线称为子午光线，为满足全反射条件应有 ii0=sin-1(n2n1)而对于入射角应满足：max=sin-1(n12-n22n0)设单位面积上的光功率I=I0，光纤端面半径r，纤芯半径r0，则有入射光功率P=r02I0cos对于梯度型光纤，其折射率随r增大而减小。如果对于某一确定的ar0使得入射角=max则以光纤轴为中心，半径为a的圆内入射光线将成为束缚光线，因而束缚光线的光功率为 P=a2I0cos 其中a是方程max=sin-1(n12-n22n0)的解，假设 n12r=n121-2(rr0)r0则有 a=r01-sin2n1221r0 从中可知，耦合效率在sin-1n12时，耦合效率为 a2/r02。以上分析可知，塑料光纤的耦合效率是和入射角有关的，又因为最大入射角max由孔径决定，则耦合效率还与数值孔径有关。 光线以不同入射角度进入导光光纤,取090的入射角为横坐标,分别以经1m长导光光纤后的透光率和在1m长导光管内的反射次数为纵坐标, 得到图2和图3。 图5不同入射角光线经1m长导光管的透光率图6入射角和反射次数的关系从图中可以看出入射角大于60时透光率已经很低,并且反射次数明显上升。采用的凹面镜镜聚光系统,可以通过耦合装置控制进入导光管的光线的入射角,不管方位角如何变化,通过调节焦直线的高度,可控制凹面镜反射光相对于耦合装置的入射角小于某一角度,既可以控制进入导光光纤的角度,使光线在导光管内的反射次数大幅度减小,提高通过导光光纤光线的平均透光率。1.4 光的漫射漫射装置是室内可见部分，用于将自然光均匀、柔和的漫射至室内，可以再漫射装置上加上滤波片对自然光进行除紫外线的处理。我们采用磨砂塑料盘散光，将引进室内的光束漫反射，得到均匀的漫反射光。 2.装置评估2.1装置的功率近似计算 取凹面镜有效面积为0.64m2，太阳的辐射强度为800W/m2；设反射损耗系数位0.72，耦合损耗系数0.7；用塑料光纤传输到10米远外，每米损耗0.25分贝。则室内光纤出口功率约为8000.640.720.734=193.54（W）符合设计要求。2.2 装置的优缺点分析：在我们设计这个装置的时候我们考虑到了下列优点：（1） 在采光过程中我们采用的是凹面镜，在反射时不产生色差，可以不考虑消除色差的步骤。（2） 我们在采光过程中采用了GPS解算法定位跟踪太阳位置，可以明显的增加各个时段的采光效率。（3） 我们的原理相对比较简单，所涉及的过程也不是很复杂，简单易行，较容易制作并应用于实际。（4） 在散光装置上我们加了一个滤去紫外线的滤光片，可以消除自然光中紫外线对人体的伤害。（5） 我们采用导光光纤传导光束，相对来说导光效率会高一些。由于准备的时间有限，我们设计的装置还有很多地方有待完成及完善：（1）、光在传输过程中的损耗是因为发生全反射过程中的损耗，计算过程很复杂，但可以用光纤单位长度的损耗表示，由于缺乏实验数据，只能进行估算。（2）、由于自然光被会聚成光斑，所以能量高度集中，还要进行实验测量光纤的承受范围，即聚焦比的大小。为解决这个问题，拟采用螺纹管对光纤到凹面镜焦距的距离进行调节，即能改变光斑大小，这也需要实验测试。（3）、实现跟踪太阳装置的软件系统的程序编写还没有完成。（4）、考虑到装置的成本问题，石英光纤虽然导光效率比较高，但由于成本较高，且不易弯折，我们采用塑料光纤，这样可能会导致导光光纤的导光效率较低。（5）、由于考虑到光路稳定，我们必须使导光光纤固定，这样才能保证光线传播过程中全反射的次数稳定，损耗总是最小。3.装置的发展前景及应用开发应用采集太阳光的光纤绿色照明技术的目的就是要把导光光纤变成一种节约能源、保护环境的绿色产品。这就需从要从绿色照明的角度来研究整个采光照明系统，即从光导管的制造、使用前后和使用中这个全过程去考虑如何节约能源和保护环境，不但要考虑照明时不产生光污染，而且在系统寿命终结后便于分解和回收利用。导光装置是整个照明系统的核心部分，光纤的性能和光路的设计是直接关系到装置本身是否属于绿色产品的关键问题。因此系统的采光性能还需要进一步的提高。采集太阳光的光纤绿色照明技术是绿色能源科技的一部分，属于可持续发展能源技术。由于国外光纤导光技术相对比较成熟，借鉴国外的先进技术和经验，形成我国自主知识产