毕业设计（论文）-可遥控太阳光照明装置的设计.doc

编号: 毕业论文(设计)题 目 可遥控太阳光照明装置的设计指导教师 王鹏学生姓名 王洪培学 号 200801703136专 业 机械设计制造及其自动化教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 二O一二年四月二十二日德州学院毕业论文（设计）开题报告书2011年11月15日院（系）机电工程系专 业机械设计制造及其自动化姓 名王洪培学 号200801703136论文（设计）题目可遥控太阳光照明装置的设计一、选题目的和意义随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，人类对能源需求的增长已经达到了史无前例的程度，若依靠建设更多的燃煤或燃油发电厂来解决能源问题，则会使本来已岌岌可危的煤炭和石油的蕴藏量快速耗尽，提前枯竭。按照目前的能源消费增速，我国的传统能源储量不足的问题将越来越突出，能源供给将成为我国经济发展中的瓶颈，开发可再生能源和替代能源是时代的必然选择。纵观所有的照明光源，以电力照明提供光源为最为普遍的照明形式。但电能是二次能源，在制造二次能源的过程中势必会造成能源的损失和浪费。而太阳能是一种清洁的绿色能源，是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。太阳能作为自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源，将是未来最理想的绿色新能源，并且太阳能本身就包含光能。目前在光电转换领域中，较为普遍的途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能，而在光能转换为电能的过程中又存在着能量的较大损耗。因此，我们设计了可遥控太阳光室内照明装置，目的是将室外的太阳光直接引入室内使用。这既符合绿色照明工程的要求，又能降低燃煤量，以减少S02、C02以及氮氧化合物等有害气体的排放，对于解决世界面临的环境与发展课题，具有较为深远的意义。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势可遥控太阳光照明技术是高科技创新项目，目前国外发达国家才刚刚起步，属于国内首创。目前，国内的可遥控太阳光照明装置一般利用“透镜集光、太阳跟踪、光导传送”的思路，改变光不能转弯的理念。太阳能源是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的不可替代的能源。可遥控太阳光照明装置导入的是清洁、健康、安全、绿色的自然阳光，将大量节约能源，改善环境。因此开发新能源已成为全社会的共识，有效利用洁净的太阳光能的技术在今后将更加受到瞩目。目前可遥控太阳光照明技术广泛应用于商业用途、家庭应用、单位应用、医疗健康、科学研究、教学应用、水产养殖、军事设施等领域。我们相信，未来能源领域的主要趋势是向着节能减排、再生能源利用方面发展，因此可遥控太阳光照明技术发展前景较为广阔。三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和方法。 本装置由聚光部分、光路传输部分、终端发光部分、机械传动部分和控制部分组成。太阳光由聚光部分汇聚经光路传输部分传导，由终端发光部分导出光线。通过机械传动部分和控制部分的相辅相成，实现聚光部分的手动追光要求。通过分析、比较和计算，结合本装置的具体情况，选择出最终的总体设计方案。为实现装置功能，本论文给出了计算太阳高度角和方位角以及日出日落时间的数学原理和计算方法。四、计划进度安排 主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。2011.11.03-2011.12.20 收集资料，撰写毕业论文开题报告。2011.12.21-2012.03.30 查询相关资料，进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业设计（论文）初稿。2012.04.01-2012.04.15 系工作领导小组进行毕业论文中期检查，检查毕业论文完成的进度与质量问题。2012.04.16-2012.04.30 指导教师审阅学生设计（论文），提出修改意见。毕业生根据指导教师的修改意见进行设计（论文）修改，并最终定稿。 2012.05.04-2012.05.10 将设计（论文）交于评阅教师进行评阅，毕业生根据评阅教师意见，进一步修改设计（论文），准备答辩。五、主要参考文献参考文献：1罗宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册S.高等教育出版社,2006：53652缪仁杰,李淑兰.太阳能利用现状与发展前景J.应用能源技术,2007（5）：5103时璟丽.可再生能源产业（天阳能利用）发展概览J,市场观察：684朱世佳.基于嵌入式的太阳能智能追光系统设计C.研究生论文网,2009：10335胡勋良,强建科,余招阳.太阳光跟踪器及其在采光中的应用J.电子技术,2003（12）：236张朋,张鲁殷,张玉萍,张会云.太阳光室内照明装置的设计J.大学物理实验室,第23卷第3期.2010（6）：177胖莹,王振臣,冯楠,魏娜.太阳能智能追光装置设计J.水电能源科学,第29卷第8期.2011（8）：358高伟霞,孙长伟,常晶晶,于荣金.光纤太阳光照明系统中聚光装置的设计J,应用光学.第29卷第5期.2008（9）：399邱宣怀.机械设计（第四版）M.高等教育出版社,1997：29834710朱文祥,张锴锋.新型太阳能利用装置的研究J.沈阳航空工业学院学报,第23卷第5期.2006（10）：404211孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理（第七版）M.高等教育出版社,2006（5）：7714512李溪冰.机械设备控制技术M.电子工业出版社,2002（7）：59013孙训方,方孝淑.材料力学（第四版）M.高等教育出版社,2004（1）：99140指导教师意见及建议： 签名： 年 月 日教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年 月 日德州学院毕业论文（设计）中期检查表院(系)：机电工程系 专业：机械设计制造及其自动化 2012 年 4月13日毕业论文（设计）题目：可遥控太阳光照明装置的设计学生姓名王洪培学 号200801703136指导教师王鹏职 称讲师计划完成时间：2010年4月20日 毕业论文（设计）的进度计划：2011.11.03-2011.12.20 收集资料，撰写毕业论文开题报告。2011.12.21-2012.03.30 查询相关资料，进行课题研究，在已完成研究的基础上，撰写毕业设计初稿。2012.04.01-2012.04.15 系工作领导小组进行毕业论文中期检查，检查毕业论文完成的进度与质量问题。2012.04.16-2012.04.30 指导教师审阅学生设计（论文），提出修改意见。毕业生根据指导教师的修改意见进行设计（论文）修改，并最终定稿。 2012.05.04-2012.05.10 将设计（论文）交于评阅教师进行评阅，毕业生根据评阅教师意见，进一步修改设计（论文），准备答辩。完成情况：经过收集资料，研究课题，了解了可遥控太阳光照明技术的意义和发展趋势，继而完成了开题报告书。决定从可遥控太阳光照明装置的分类、应用及效率优化入手撰写论文。在此期间，我收获良多，论文初稿也已经构建了框架。指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页） 签 名： 年 月 日备 注：目录摘要及关键词11.引言11.1太阳能利用现状与前景分析21.2可遥控太阳光照明技术国内外发展现状32.装置的具体设计方案42.1设计要求42.2可遥控太阳光照明装置的工作原理42.3 设计的组成53.太阳高度角的计算53.1计算太阳高度角的原理53.2计算日出日落时间的原理74.光照强度的计算94.1亮度与照度94.2照度标准104.3照度计算方法114.4照度计测量115.聚光部分125.1聚光镜的选择125.2聚光部分的设计原理136.光路传输部分157.终端发光部分168.机械传动部分178.1机械传动部分工作原理178.2电动机的选择178.3齿轮传动比的计算189.控制部分1810.设计特色20总结20参考文献22谢辞23德州学院 机电工程系 2012届 机械设计制造及其自动化专业 毕业论文（设计）可遥控太阳光照明装置的设计王洪培（德州学院机电工程系，山东德州253023）摘要：本设计为一种可遥控太阳光照明装置，包括聚光镜、集光器、支撑架、方向轮、集光管、导光管、平面镜组、灯罩、减速电机、齿轮组等。所述支撑架为可滑动式，一头固定在活动铰支上，设计支撑架移动为旋转式。所述聚光镜由凸透镜组构成，安装在集光器的顶端，中心线与地面成5070度角，因纬度而异。所述集光器与集光管首端相连接，集光管末端连接导光管，导光管末端再接散光灯罩。所述平面镜组位于导光管拐角处，数量视拐角数目而定。所述减速电机、齿轮组、底座构成机械传动部分，减速电机连接底座并与小齿轮相连，大齿轮固定在支撑架和齿轮轴上。所述转动轮位于支撑架下方，在一定范围内调节支撑架的位置，带动聚光镜追光。关键词：太阳光；室内照明；设计；可控1.引言近年来，随着国民经济的快速发展，人类对能源需求的增长已经到了史无前例的程度，能源危机越演越烈。据统计，我国现有的空调如果同时全部运行，仅此一项就需要耗电达9000万，几乎相当于5座三峡电站的装机容量。如果仅仅为了满足用电的需求而一味地新建水电站，将会严重破坏人类赖以生存的自然生态环境；若建设更多的燃煤或燃油发电厂，则会使本来已岌岌可危的煤炭和石油的蕴藏量快速耗尽，提前枯竭。按照目前的能源消费增速，我国的传统能源储量不足的问题将越来越突出，能源供给将成为我国经济发展中的瓶颈，开发可再生能源和替代能源是时代的必然选择。当前，纵观所有的照明光源，以电力照明提供光源为最为普遍的照明形式。但电能是二次能源，在制造二次能源的过程中势必会造成能源的损失和浪费。而太阳能是一种清洁的绿色能源，是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。太阳能作为自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源，将是未来最理想的绿色新能源，并且太阳能本身就包含光能。目前在光电转换领域中，较为普遍的途径便是利用光伏发电技术将太阳能转化为电能，而在光能转换为电能的过程中又存在着能量的较大损耗。因此，我们设计了可遥控太阳光室内照明装置，目的是将室外的太阳光直接引入室内使用。这既符合绿色照明工程的要求，又能降低燃煤量，以减少S02、C02以及氮氧化合物等有害气体的排放，对于解决世界面临的环境与发展课题，具有较为深远的意义。可遥控太阳光室内照明装置的设计包括聚光部分、光路传输部分、终端发光部分、机械传动部分和控制部分1。本设计采用二级减速和控制部分相结合的方法，通过手动追踪太阳位置，以保证获得最大效率的太阳光，是目前很具有应用前景的技术之一。1.1太阳能利用现状与前景分析目前，人类使用的能源主要是化石能源。由于这些矿物燃料的大量燃烧，已导致臭氧层破坏、全球气候变暖和冰川融化等，引起严重的生态环境问题，严重威胁子孙后代的生存。而且化石能源作为不可再生能源，贮量有限，分布不均，且正在不断地枯竭，形势十分严峻。人类社会今后使用何种能源，已成为摆在我们面前的重大问题。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75 X 1026 W）的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，太阳能巨大的能源储备完全能够满足目前的能源需求。地球上的能流图如图1所示：图1 地球能流图目前，到达地球的太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输，既经济又环保，潜在应用价值巨大。尽管太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点从一定程度上限制了太阳能的利用效率。 从我国目前国情来看，可靠的能源保障已成为国民经济发展的重要基础之一。随着国民经济的快速发展，能源匮乏形势越来越严峻，能源安全及能源在国民经济中的地位也日益突出。但我国是世界上少数几个能源结构以煤为主的国家之一，是世界上最大的产煤过之一，也是世界上最大的煤炭消费国，煤炭缺乏和燃煤污染相交织的问题日益突出。目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二，甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也位居世界前列。我国幅员辽阔，东西、南北跨度广大，有着十分丰富的太阳能资源。从我国目前能源生产及能源消费的实际状况出发，发展新能源及高效节能技术是实现我国可持续发展的重要保证。而太阳能作为清洁、丰富、经济的可再生能源，在能源发展中具有独特优势和广阔前景，具有极其广泛的使用价值。从世界范围内看，能源问题和可持续发展问题已成为人类面临的两个重大课题，在有限资源和环境保护双重制约下发展经济已成为全球热点和难点问题。而这其中能源问题将更为突出，这不仅仅表现在常规能源的匮乏，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列诸如温室效应之类的环境污染，影响世界范围内的可持续发展。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技创新和进步，大规模地开发利用可再生的清洁能源是解决这一问题的重要途径。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将在二十一世纪得到极大发展。尤其是太阳能在使用中不会释放包括二氧化碳在内的任何有害气体，这将极大的改善生态环境、解决地球温室效应等问题。因此太阳能有望成为二十一世纪的主导新能源，并终将逐渐取代化石能源，在世界能源结构中占据主导地位。通过试验表明，太阳能照明装置起初的成本比普通灯具要高， 但如果加上后续的使用费用，太阳能照明装置的优势会显现出来。如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比太阳能照明装置要高。而且随着现代科技的发展，我们的太阳能照明装置在不断提高和完善的同时，成本却在不断地降低。因此，从长远角度来看，太阳能照明装置这个市场更有理由被看好，更有理由成为未来照明行业的发展趋势2。1.2可遥控太阳光照明技术国内外发展现状可遥控太阳光照明技术是高科技创新项目，目前国外发达国家才刚刚起步，属于国内首创。目前，国内的可遥控太阳光照明装置一般利用“透镜集光、太阳跟踪、光导传送”的思路，改变光不能转弯的理念。太阳能源是未来人类最合适、最安全、最绿色、最理想的不可替代的能源。可遥控太阳光照明装置导入的是清洁、健康、安全、绿色的自然光，将大量节约能源，改善环境。因此开发新能源已成为全社会的共识，有效利用洁净的太阳光能的技术在今后将更加受到瞩目。经过研究阳光各种波长的光对于人体和生物的影响，然后利用本系统更加精确地筛选阳光，把有害部分彻底除去而尽可能保留有益光线，使阳光更贴近我们。同时，利用可遥控太阳光照明技术分离筛选掌控阳光而培育出来的动植物品种必将丰富我们的物质生活，给人类进步做出一定的贡献。另外，可遥控太阳光照明技术被日益广泛地应用于高端科技研究项目，已经不仅仅局限于动植物改良、老化实验等，而且应用于宇宙空间站、海底资源开发、地下矿产开发等。他能够使得阳光到达海底、地下，让阳光无处不在。我们相信，未来能源领域的主要趋势是向着节能减排、再生能源利用方面发展，因此太阳光能源将成为发展前景最广泛的区域3。可遥控太阳光照明技术集科研开发之大成，集高科技透镜集光、阳光遥控追踪、镀银传送、防水膜于一体，是将紫、红外线大幅拦截分离的绿色、环保、清洁、新型的健康光源。它创造100%的太阳光，让人类享受沐浴在阳光下的全新、高贵的生活。在国外使用发展日趋扩展普及，适用已建、新建的建筑，使建筑更加完美。人类的生活与阳光息息相关，有阳光的生活才称得上真正高品质的生活，因此可遥控太阳光照明技术有着非常广泛的用途，主要包括商业用途、家庭应用、单位应用、医疗健康、科学研究、教学应用、水产养殖、军事设施等领域。近年来，随着人们节能意识和环保意识的增强，太阳能在各个领域内被不断尝试和应用，使得可遥控太阳光照明技术在国内蓬勃发展，各种类型、各种用途的可遥控太阳光照明装置如雨后春笋应运而生。2.装置的具体设计方案2.1设计要求本次毕业设计的内容是可遥控太阳光照明装置的设计。设计要求：（1）能实现将太阳光导入室内，达到照明目的；（2）导入室内的光线可以满足人们正常学习生活的需要；（3）实现聚光部分的可控制转动，以达到调节室内光线的目的；（4）实现节约资源，保护环境的目的，倡导节能减排新时尚。2.2可遥控太阳光照明装置的工作原理本设计为一种可遥控太阳光照明装置，包括聚光镜、集光器、支撑架、方向轮、集光管、导光管、平面镜组、灯罩、减速电机、齿轮组、底座等。所述支撑架为可滑动式，一头固定在活动铰支上，设计支撑架移动为旋转式。所述聚光镜由凸透镜组构成，安装在集光器的顶端，中心线与地面成5070角，因纬度而异。所述集光器与集光管首端相连接，集光管末端连接导光管，导光管末端再接散光灯罩。所述平面镜组位于导光管拐角处，数量视拐角数目而定。所述减速电机、齿轮组、底座构成机械传动部分，减速电机连接底座并与小齿轮相连，大齿轮固定在支撑架和齿轮轴上。所述转动轮位于支撑架下方，在一定范围内调节支撑架的位置，带动聚光镜追光。工作原理图如图2所示： 聚光镜支撑架集光器方向轮集光管导光管齿轮组减速器电动机平面镜灯罩底座图2 可遥控太阳光照明装置工作原理图2.3 设计的组成本设计主要由五部分组成：聚光部分、光路传输部分、终端发光部分、机械传动部分和控制部分。太阳光由聚光部分汇聚经光路传输部分传导，由终端发光部分导出光线。通过机械传动部分和控制部分的相辅相成，实现聚光部分的追光要求。设计本装置还需运用太阳高度角和光照强度，在接下来的两章中先着重介绍太阳高度角和光照强度的计算，之后再介绍五部分的构成。3.太阳高度角的计算3.1计算太阳高度角的原理 众所周知，地球围绕太阳自西向东转动，因此我们会每天看到太阳的东升西落。太阳的运动轨迹呈现一定的规律性，可以通过当前的时间和当地的经纬度计算出此时的太阳高度角和方位角。科学研究表明，太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要因素。太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作垂直于地面的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角4。于地球上的某点来说，笼统来讲太阳高度是指地平面和太阳光的入射方向之间的夹角，专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方时，方位角为-90；在正东北方时，方位为-135；在正西方时，方位角为90。 具体推导太阳的高度角和方位角的过程如下:N为积日，Y为当前的年份。所谓积日，就是日期在年内的顺序号，例如:1月1日其积日为1，平年12月31日的积日为365，闰年则为366，等等。为日角，=2t/365.2422 （1） 在公式（2）中，t=N-N0N0=79.6764+0.2433(Y-1985)-(Y-1985)/4 （2） 地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道面不是垂直相交的，而是呈66.5角，且固定不变。正是由于这一原因形成了每日午时太阳高度的不同。日地中心的连线与赤道面间的夹角每天都处在变化之中，此角被称为太阳赤纬角。太阳赤纬角在春分和秋分时等于零，而在夏至和冬至时则达到极值，位于南北回归线上，分别为正负23.442,即2327。 因为太阳赤纬角在周期运动中任何时刻的值都已知，所以赤纬角Lt有公式（3）:Lt=(0.3723+23.2567sin+0.1149sin2-0.1712sin-0.758cos+0.3656cos2+0.0201cos3)/180 （3） 科学研究表明，真正的太阳在黄道上的运动不是匀速的，而是时快时慢。但人们的实际生活中需要一种固定的时间单位，太阳在黄道上运行的速度不均匀，又因黄道和天赤道不在同一平面内，所以一年中真太阳日的时间长短并不一样，用它来计时将很不方便，且误差较大。因此，真太阳日的长短也就各不相同。平太阳相继两次下中天所经历的时间(即一年内真太阳日的平均值)叫平太阳日，平太阳日比恒星日约长4分钟，一个平太阳日分为24平太阳小时。平太阳时S是基本均匀的时间计量系统，与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的，因而无法实际观测它，但它可以间接地从真太阳时S0求得。反之，也可以由平太阳时来求真太阳时。为此，需要由时差来表达二者的关系。以Et表示，即S0=S+Et。计算时差的公式（4）如下:Et=0.0028-1.9857sin+9.9059sin2-7.0924cos-0.6882cos2 （4） 由于真太阳的周年视运动是不均匀的，时差也随时都在变化着，但与地点无关。一年当中有4次为零，并有4次达到极大。如图3所示:图3 一年内时差的曲线变化图 t为时角，h为当前的小时数，m为当前的分钟数，s为当前的秒数。Lon为本地的经度，Lat为本地的纬度。t=(h-12)+(m-(120/180-Lon)4180/+ Et)/60+(s/3600)15/180 （5）Lat为本地的纬度，H为此刻的高度角，D为此刻的方向角。H=arcsin(sinLatsinLt+cosLatcosLtcost) （6） （7） 由以上公式（1）（7）知，可以通过当地的经度和纬度值以及当前的时间，精确计算出此刻的太阳高度角和方位角。3.2计算日出日落时间的原理地球是一个不透明的球体，太阳光线在任何一个时刻只能照亮它的一半。由于太阳体积巨大，又加之其距离地球遥远，故太阳照射地球的光线可视为一组平行线。如图4所示，设A点纬度为，此时太阳光线与赤道平面所成夹角，即太阳直射点纬度，也即为太阳赤纬，设为。优弧BCD代表昼长，劣弧DAB代表夜长。BOC即，代表从日出至正午弧长，也就是白昼的一半。因为地球每小时自转15。用除以15，便计算出昼长一半的时间5。图4 计算日出日落时间原理图下面推算昼长一半，即与纬度、太阳直射点纬度间的数学关系。在RtOEB中，=BOE （8） 设地球半径为R， 在RtAOK中，易得 在RtEOK中，OE=OKtan=Rsintan 则， （9） （10）由上述数学原理计算2011年5月1日的日出日落时间:将日期带入上面计算太阳赤纬角的公式中，计算的赤纬角为 =14.585，又德州的经纬度为：东经116.64，北纬39.92。即=39.92cos(180-)=tan39.92tan14.585 （11） 由式（11）经计算，得=102.6，15=6.84(小时)由于德州的精度为116.64, 120-116.64=3.363.364=13.44(分钟) 所以，日出时间为5点23分，正午时间为12点13分，日落时间为19点03分。 以上推算的时间均为真太阳时。太阳两次过上中天的时间间隔为一真太阳日。由于太阳每日赤经变化的不均匀性及地球公转速度不均等多种因素影响，真太阳日并不是全为24小时，它的长度在不断变化之中。人们平时使用的时间为平太阳日时间，平太阳日是真太阳日的平均值换算出来的，其长度为固定的24小时。平太阳时=真太阳时-时差。根据上述计算时差的公式:Et=0.0028-1.9857sin+9.9059sin2-7.0924cos-0.6882cos2 （12） 可以得到2011年5月1日的时差Et=3，及时差为3分钟。所以，最终的日出日落时间如表1所示:表1 2011年5月1日的日出日落时间表日出时间正午时间日落时间5点20分12点10分19点整由上面的原理介绍可知，只要经度、纬度、时间确定了，那么就能通过以上的公式计算出相应的太阳高度角和方位角的值，而这个值是唯一的。因此我们可以根据所得出的数据确定可遥控太阳光照明装置在本地区的仰角大小，获得较佳的照明效果。4.光照强度的计算4.1亮度与照度光亮度（luminance）是指一个表面的明亮程度（以L表示）, 即发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，或者说从一个表面反射出来的光通量6。不同物体对光有不同的反射系数或吸收系数。光的强度可用照在平面上的光的总量来度量，这叫入射光（incident light）或照度（illuminance）。若用从平面反射到眼球中的光量来度量光的强度，这种光称为反射光（reflection light）或亮度（brightne-ss）。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。最常用的照度单位是呎烛光（footcandle）。1呎烛光是在距离标准烛光一英尺远的一平方英尺平面上接受的光通量。如果按公制单位，则以米为标准，照度就用米烛(metre candle)来表示，即一米烛光是距离标准烛光一米远的一平方米面积上的照度。1米烛光等于0.0929呎烛光。亮度和照度之间的关系如公式（13）所示: L=RE （13）式（13）中L为亮度，R为反射系数，E为照度。因此，当我们知道一个物体表面的反射系数及其表面的照度时，便可推算出它的亮度。亮度也有几种度量单位。亮度的单位是用一种理想化了的标准状态来定义的。以一支标准蜡烛当作光源，放在一个半径为1公尺的球体的中心位置。假设这个蜡烛会均匀发散它的全部光线，则落在球体内表面一平方公尺表面积上的所有光量为1个流明（lumen）。实际应用中，亮度单位用流明太小了，所以通常取其十倍的单位毫朗伯（millilambert）来表示。比毫朗伯稍大的单位是呎朗伯（footlambert）。1毫朗伯等于0.929呎朗伯。英国标准的呎朗伯是用光源的烛光数。从光源到表面积的英尺数和表面的反射率来规定的。在有些国家，普遍使用的是米制单位，是以毫朗伯为基础的。4.2照度标准工业企业照明的照度标准值,应按以下系列分级：0.1、1、2、3、5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、500、750、1000、1500、2000和3000Lux。照明设计标准值应为生产场所作业面上的平均照度值。作业面上的照度标准值，根据工作场所和视觉作业的具体要求，应按高、中、低选取适当的标准值，一般情况下采用照度范围的中间值。国家照明标准规定，凡符合下列条件之一时，作业面上的照度标准值，应采用照度范围的高值：（1）V等的视觉作业，当眼睛至识别对象的距离大于500m时； （2）连续长时间紧张的视觉作业，对视觉器官有不良影响时； （3）识别对象在活动面上，识别时间短促而辨认困难时； （4）视觉作业对操作安全有特殊要求时； （5）识别对象反射比小时； （6）当作业精度要求较高，且产生差错会造成很大损失时。相对照度系数在试验光源照明和标准光源照明下，达到颜色识别能力相当时，所需要的照度之比。照度均匀度表示给定平面上照度变化的度量；照度均匀度为最小照度与平均照度之比。合理的照度能够保护人体不受光污染伤害，使人身心愉悦。表2列出日常生活所需标准照度值7：表2 日常生活所需标准照度值状态或场所所需照度（lux）建议配置灯具起居间150300视具体活动而定阅读60025瓦白炽灯离书30-50厘米书写50040瓦白炽灯离书30-50厘米看电视303瓦的小灯放在视线之外4.3照度计算方法平均照度(Eav)=光源总光通量(N)利用系数(CU)维护系数（MF）/区域面积(m2) (适用于室内或体育场的照明计算) （14）利用系数：一般室内取0.4，体育取0.3维护系数：一般取0.70.8例如，室内照明： 45米房间，使用336W隔栅灯9套 将数据带入公式（14），得平均照度 光源总光通量CUMF/面积(250039)0.40.8451080 Lux但此方法由于此方法只是计算平均照度，平均值没有考虑光源到具体位置的距离，在日常测量中有一定意义，但也存在较大的局限性。因此，一般用一种快捷有效的测量方法照度计测量。4.4照度计测量照度计是测量光照强度的，既可以测日光强度也可以测灯光、月光等等。照度计测量的只是光线的强度，与光线的热效应无关。对使用的时间和地点都没有什么限制。测量前应仔细检查照度计工作状态是否良好，电池电量是否充足，估计测量范围是否超出照度计指示范围。测量时传感器应直接接触被测光，不能用遮蔽物，并与光线方向成90直角。显示器度数稳定后直接度就可以了。有时可能会因为自然因素出现指数上不稳定，这时候只要估计平均值就可以了8。在地点选择方面，只要选择无遮蔽处就可以了。所谓典型地点，是指被测区域中比较有代表性的地方。例如在买田中测量，就应该在麦田中心附近，而不是田边或土坡上。如果是比较大面积的可以选取多了测量点然后取平均值就可以了。我们选择一处4米4米房间，安装可遥控太阳光照明装置，进行多次测量，利用现代分析方法剔除无效数据求平均值，得到照度为448.625lux。具体数据记录表如表3所示：表3 照度计测量具体数据记录表实验标号12345678平均值测量数据 （lux）430452423475456389488467448.625通过对表3和表4进行比对，表明可遥控太阳光照明装置的照度已经远远超过看电视和起居间所需的照度，接近于书写、阅读所需要的照度，提供较为合理有效的健康光源。数据表明，本装置性能较为稳定，已接近相关性能要求，可通过提升改进进一步提高装置的性能，相信会有很大的提升空间。5.聚光部分5.1聚光镜的选择因为太阳光本身是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七色及红外、远红外、紫外等多种光线构成的，其中有的是可见光，有的非可见光，且含有强烈的紫外线和其他对人体有害的射线，长时间直接照射阳光对人的健康不利，比如红外线带来的大量热量让人们在夏天感到太阳的炎热；同时，由于各种光线的波长不同，光线经过菲涅尔透镜的焦点不同，可遥控太阳光照明装置就是利用阳光的这个特性，去除了阳光中的有害成份，并将有效的可见光压缩后通过光纤传到室内，向人类提供温柔的、安全的阳光。聚光镜工作原理如图5所示：图5 聚光镜工作原理图5.2聚光部分的设计原理聚光部分主要由聚光镜、防水膜、集光器、支撑架、方向轮组成。聚光镜固定在集光器的前端，成弧状排列。聚光镜的横排、竖排的数目可以根据具体需求进行调整，以达到室内的采光要求。集光器固定在支撑架的前方，可以根据不同地区所处的纬度情况对集光器进行角度调节，使聚光镜与阳光达到垂直状态，使采光过程达到最佳效果。支撑架由轻质合金材料制成，轻便耐用，在其下方安装有两个方向轮，以便减小聚光部分与接触面之间的摩擦，实现用最少的能量实现聚光部分的转动，既提高了聚光部分的转动效率，节约电能，又达到了节能环保的目的。防水膜紧贴聚光镜，位于集光器的前方，防止雨雪、灰尘、噪音等进入装置内部影响装置的正常使用9。 我们采用80mm的菲涅尔透镜聚焦到55mm导光管的方式，将24枚凸透镜对应1根导光管，将阳光压缩一万倍，因而通过集光器接收、传给导光管的阳光强度极强。又因强光会伴随着强热，由于温度的叠加作用，焦点的温度可以达到近2000（普通玻璃的软化点为600左右），很难有反光材料可以经受住这样的高温。因此，我们在设计时聚光镜与导光管之间的距离的选定显得尤为关键。在设计中，令聚光镜与导光管之间的距离小于所选聚光镜的焦距，使累计在导光管后壁上的温度低于600，以达到保护导光管的目的，延长装置的使用寿命。集光器的主要参数：每个聚光镜尺寸：80mm，材料：菲涅尔透镜；防水膜尺寸：60X45mm，材料：透明硬质塑料膜；方向轮尺寸：80mm，材料：普通脚轮；集光器尺寸：300mm，材料：表面涂有反光物质的五合板；支撑架尺寸：4400mm，2550mm，2700mm，2200mm，2450mm，2500mm，2150mm，2120mm，材料：轻质合金材料。内部结构如图6所示： 图6 聚光部分内部结构图聚光部分整体效果图如图7所示： 图7聚光部分整体效果图6.光路传输部分 光路传输部分主要由集光管、导光管、平面镜组组成。太阳光由集光部分汇聚、压缩，送入集光管，再由集光管将每一片聚光镜采集到的光线路径逐渐汇聚为一束，倒入导光管。光线由导光管传输进入终端发光部分。在装置设计过程中，导光管用硬质PVC管，内壁经镀银处理，光滑明净，导光性能优越。光线在通过导光管直线传输过程中可达到30米不衰竭，能够满足底层照明需要。针对光路的拐弯问题，本装置专门进行了光路拐弯设计，设计了30、60、90拐角10。以90拐角为例，在拐弯处利用两个互相平行的平面镜实现光路由水平转换为竖直方向的传输。由于在拐弯处存在着光线的漫反射，因此会有部分光线的损失，在拐弯处的光线损失率约为5%。90拐角结构图如图8所示：图8 光路传输部分90拐角结构图由于本装置为可控装置，配备有完整的电路控制系统，通过控制聚光部分的朝向，达到调节室内光线明暗的目的。在这个过程中，聚光部分是可动的，而导光管一般是固定不动的，为了解决这个问题，本装置设计了一个卡具装置，可以将两段导光管牢牢连接在一起，又可以实现两管之间的转动。卡具结构图如图9所示： 图9 卡具结构图7.终端发光部分终端发光部分相当于光源的灯具，一般导入的太阳光从导光管到达室内，需要装置将光线散发。采用固定灯罩散光，可以使光线散发柔和，将强光变成适合人接受的光线。当然，还可以根据其他需求采用不同种类、形状和性能的灯罩，可散发出平行光束、发散光线等。散光装置图如图10所示：图10 散光装置图8.机械传动部分8.1机械传动部分工作原理机械传动部分位于聚光部分的底部，由齿轮组、减速电机、底座组成。首先，减速电机输出轴套上小齿轮，小齿轮再与大齿轮啮合，把大齿轮与整个构架相连，实现大齿轮带动整个构架转动。其中减速器固定在底座上，大齿轮通过轴承固定在中心的主轴（整个构架绕中心的主轴转动）上，主轴又固定在底座上，这样电动机、减速器、小齿轮、大齿轮固定在一起，组成了机械传动部分11。机械传动部分图如图11所示：图11 机械传动部分图整个聚光部分的转动需要以大齿轮的轴线为圆心，以大齿轮的轴为转动轴，因此在实际安装中还需将底座与建筑物用连接，增强工作时的稳定性。在设计机械传动部分时，遇到最大的问题就是减速，我们首先利用减速电机，再利用齿轮啮合进行二次减速，达到了构架转动所需的速度，从而解决了这一问题。8.2电动机的选择在此系统中，由于聚光部分底座采用轮式结构，极大地减小了摩擦力。因此，所选择负载的转矩并不太大，实践证明选择12W的直流电动机即可满足要求。所选减速电动机的型号和技术数据如下表4所示： 表4 减速电动机的型号及技术参数型号额定功率/W额定电压/V额定电流/A额定转速/(r/min)JGB37-3448121212.5所选减速电动机的结构图如图12所示：图12 减速电动机的结构图8.3齿轮传动比的计算一对齿轮的传动比是指该两齿轮的角速度之比，二轮系的传动比，则是指轮系中首末两构件的角速度之比。本设计中小齿轮的轴线与减速电机的轴线重合并且相连接，小齿轮转速与减速电机输出轴的转速同步，即1=2.5 r/min。所选定齿轮的齿数分别为：大齿轮z2=51，小齿轮z1=17，由转速的计算公式（15） 可以计算出 因此计算出出大齿轮的转速为2=0.83r/min因为大齿轮中心线与聚光部分旋转轴线同轴，且大齿轮与聚光部分焊接在一起，因此聚光部分的转速就等于大齿轮的转速，即聚=0.83r/min。也就是说，聚光部分每转动一周所用的时间是72s。而平时我们需要转动的角度范围一般一次性不会超过30，即用时不会超过6s。从心理学角度讲，既不至于使人因时间短而太过紧张，又不至于因时间太长而产生焦虑情绪。9.控制部分为实现本装置的可控功能，本装置设计了控制部分。控制部分包括12V电源（两块）、开关、减速电机。本装置通过两块电源控制两套电路，来控制减速电机的正反转，以达到控制齿轮旋转，最终实现聚光部分的旋转，达到调节室内光线明暗的目的。控制部分电路图如图13所示：图13 控制部分电路图控制部分有两套电路，通过分别控制开关的开合来控制电机转速。两块12V电源为蓄电池，可以较好的保存电量，一次充电可使用三个月以上，避免了频繁充电的麻烦。一般情况下，两电源处于断开状态，两电源不可同时开启。我们将控制部分装入控制盒中，加以合理布线，使得结构更加紧凑，体积更加小巧，外观更加美观12。控制部分外观图如图14所示： 图14 控制部分外观图10.设计特色（1）节能：此装置可以取代白天的电力照明，节约能源，一次性投资，使用周期长，节约成本，降低能耗。（2）环保：系统照明光源取自自然光线，采光柔和、均匀，光强可以根据需要进行实时调节，全频谱、无闪烁、无眩光、无污染，并通过采光罩表面的防紫外线涂层，滤除有害辐射，能最大限度的保护您的身心健康。（3）安全：采光装置无需配带大功率电器设备，避免了因线路问题引起的火灾隐患，且整个系统设计先进、工艺考究，具有防水、防火、防盗、防尘、隔热、隔音以及防紫外线等性能好的特点。（4）健康：可遥控太阳光照明装置秉承自然理念，全力打造健康和谐的娱乐、办公、居住环境。科学研究证明，自然光线照明具有更好的视觉效果和心理作用，并且可以清除室内霉气，抑制微生物生长，促进体内营养物质的合成和吸收，提高室内舒适感，改善居住环境等。（5）经济：装置采用导光管内壁镀银设计，比用光纤的室内照明装置节约成本80%以上。采用手动追光控制，比安装自动追光系统的室内照明装置节约成本50%以上，适用于普通消费者13。（6）时尚：可遥控太阳光照明装置外观时尚、大方，是自然光与人工建筑的完美结合，创造了低耗能、高舒适度的健康娱乐、办公、居住环境，有利于建筑装饰艺术创作；多变的自然光，加上阳光丰富的色彩，材质感更加明显，显示出自然光的无穷魅力。总结经过以上的设计与计算，可遥控太阳光照明装置已经设计完成。这款可遥控太阳光照明装置凭借节能、环保、健康、时尚等特点已获得2010年山东省大学生机电产品创新设计竞赛一等奖，并申请国家专利。专利类型：新型 ，专利号：201120084985 ，专利申请日2011.03.19 ，公开（公告）日：2012.02.01 ，分类号：F21S 11/00 ，申请（专利权）人：德州学院 。整体效果图如图15所示：图15 整体效果图通过对第四章中表3和表4的研究，表明可遥控太阳光照明装置的照度已经远远超过看电视和起居间所需的照度，接近于书写、阅读所需要的照度。相信可以通过进一步的改进提高装置的性能，使其完全融入到人们的日常生活中，为节能环保贡献一份力量。经过这一段时间的毕业设计，使我对以前学过的知识有了更好的巩固，对机械设计的步骤有了更进一步的了解，了解到在工程设计中先调研收集材料，再将方案论证比较，然后确定整体方案。对怎么样进行机械设计有了初步意识，对各种零件在实