主動式導(dǎo)光系統(tǒng)在南市電廠的實(shí)施

李釗明

(上海久能能源科技發(fā)展有限公司,上海 201314)

導(dǎo)光系統(tǒng)通過收集、反射、透射、散射等方式,將天然光導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行照明[2].與用普通天窗玻璃直接引入天然光的方式相比,導(dǎo)光系統(tǒng)不僅提高了照度,延長了室內(nèi)自然光照時間,并且由于光線的散射,避免了眩光的產(chǎn)生,使得照明效果更好.

1 南市電廠導(dǎo)光系統(tǒng)概況

每一套導(dǎo)光系統(tǒng)都主要由定日鏡組件、平面反射鏡組件(固定)和天窗漫射板組件(固定)3部分組成.其中,定日鏡的作用是收集太陽光;平面反射鏡的作用是接收定日鏡收集的太陽光,并將其反射進(jìn)天窗;從天窗射入的太陽光經(jīng)過漫射板的散射作用變成比較均勻的光.導(dǎo)光系統(tǒng)分為主動式和被動式兩種,其區(qū)別在于被動式導(dǎo)光系統(tǒng)的定日鏡組件是固定不動的,只能被動的接受陽光照射;而主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的定日鏡組件能跟隨太陽的移動同步進(jìn)行角度調(diào)整,保證定日鏡獲得太陽光的最佳照射角度.因此,主動式導(dǎo)光系統(tǒng)比被動式導(dǎo)光系統(tǒng)擁有更好的采光能力.

南市電廠的立面開窗面積小,室內(nèi)采光差,如果只采用燈光照明,就必須延長照明時間才能保證室內(nèi)的能見度,加大了用電量.而導(dǎo)光系統(tǒng)通過鏡面反射采光法將陽光送到室內(nèi)生態(tài)中庭,延長了中庭的日照時間,提高了中庭日照強(qiáng)度和采光水平,改善了光環(huán)境,同時為綠墻植物生長提供了景觀環(huán)境,間接減緩了夏季中庭熱負(fù)荷.

對于被動式導(dǎo)光系統(tǒng),因其定日鏡組件是固定的,每天只有一小段時間能完整地反射陽光至平面反射鏡組件上,因而不能完全滿足設(shè)計要求.因此,應(yīng)采用主動式導(dǎo)光系統(tǒng),工程完工后的生態(tài)中庭地面水平照度大于 500 lux,中庭綠墻垂直照度大于 300 lux.

2 主動式導(dǎo)光系統(tǒng)原理

為了確保定日鏡收集并反射出去的光線全部被平面反射鏡接收到,主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的定日鏡需要根據(jù)太陽位置的不斷變化進(jìn)行同步的角度調(diào)整,以保證反射光主光線的方向不變[3],其原理如圖 1所示.

圖1 定日鏡反光原理

根據(jù)上海地區(qū)各時刻太陽方位的變化,對光路和定日鏡姿態(tài)進(jìn)行了精確的計算,確保定日鏡反射的光線準(zhǔn)確到達(dá)平面反射鏡上.對于定日鏡來說,其入射角一年內(nèi)的變化范圍約為 40°,因此需要仔細(xì)選擇定日鏡面型等參數(shù).

定日鏡需要有一定的聚光作用,可以減小平面反射鏡的面積,使得進(jìn)入室內(nèi)的光線呈發(fā)散狀態(tài),有利于照明.同時,使得投射到平面反射鏡上的光會聚為一個較集中的光斑,可允許光路有一定偏差,即使光線沒有打在平面反射鏡的中央,也不會影響光通量,從而減小了定日鏡機(jī)械傳動系統(tǒng)的精度要求,更易于施工.

3 主動式導(dǎo)光系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)成

本導(dǎo)光系統(tǒng)采用了超環(huán)面定日鏡.超環(huán)面是一種非軸對稱曲面,它在兩個相互垂直方向上的曲率半徑有差別,因此能夠通過調(diào)整兩個曲率半徑,恰當(dāng)?shù)乜刂乒獍咝螤?采用超環(huán)面定日鏡后,隨著定日鏡上太陽光入射角的改變,平面反射鏡和入射天窗上的光斑效果如圖 2所示.從圖 2中可以看出,整個光學(xué)系統(tǒng)能很好地適應(yīng)定日鏡上太陽光入射角的改變.

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3.1 定日鏡組件

定日鏡組件的作用是跟蹤太陽運(yùn)動收集太陽光.在工作過程中,定日鏡的方向需要不斷調(diào)整,以便實(shí)時跟蹤太陽.定日鏡組件主要包括定日鏡、支架和傳動裝置 3部分.

定日鏡尺寸為 2.2 m×2.2 m,表面形狀為超環(huán)面,前排定日鏡曲率半徑為 Rx=16 m,Ry=36 m;后排定日鏡曲率半徑為 Rx=21m,Ry=50 m.定日鏡鏡片由 484片 10 cm×10 cm的小鏡片拼接而成,每個小鏡片以浮法玻璃作為基片,利用物理氣相沉積方法,在其表面蒸鍍鋁反射膜層,鏡片粘貼于鋁板表面,鋁板背面用鍍鋅角鐵框架對定日鏡進(jìn)行加固支撐.

傳動裝置的作用是在電控系統(tǒng)的控制下,將運(yùn)動傳給定日鏡,實(shí)現(xiàn)定日鏡跟蹤太陽的功能,傳動裝置如圖 3所示.

減速器選用雙極渦輪蝸桿結(jié)構(gòu),每級的傳動比為 100∶1,總傳動比為 10 000∶1.傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理是由步進(jìn)電機(jī)帶動減速器驅(qū)動主動軸自轉(zhuǎn),主動軸帶動鏡架使定日鏡旋轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)定日鏡的方位角調(diào)整;步進(jìn)電機(jī)帶動減速器驅(qū)動定日鏡擺桿軸運(yùn)動,進(jìn)而使拉桿帶動定日鏡擺動,實(shí)現(xiàn)定日鏡俯仰角的調(diào)整.

3.2 平面反射鏡

平面反射鏡組件的作用是接受定日鏡收集的太陽光并反射入天窗.平面反射鏡尺寸為 1.5m×1.5m,由 25片 300 mm×300mm×2mm的正方形鏡片拼接而成.鏡片采用浮法玻璃作為基片,利用物理氣相沉積方法,在其表面蒸鍍鋁反射膜層,使其表面對可見光的平均反射率達(dá)到 85%以上,以提高光利用率,并用螺釘固定在鋁板表面.鋁板采用 3mm厚的鋁材料,鋁板背面用方管框架支撐.

圖2 超環(huán)面定日鏡光斑模擬

圖3 傳動原理示意

3.3 天窗和漫射板組件

為使室內(nèi)生態(tài)中庭獲得照度均勻的照明,在天窗下部采用漫射板方式,如圖 4所示.太陽光經(jīng)過天窗照射到漫射板上,從漫射板射出的光即為照度比較均勻的自然光.

圖4 天窗和漫射板原理示意

天窗和漫射板采用3m×5m的長方形玻璃.考慮到玻璃的強(qiáng)度,用 3塊玻璃拼接而成,兩塊 2 m×3m的玻璃,一塊 1m×3 m的玻璃,中間加兩根橫梁進(jìn)行加固支撐.拼接時注意天窗玻璃上的光斑位置和大小,不可擋光.玻璃材料采用 3層中空夾膠鍍膜玻璃,將天窗玻璃下層的下表面處理成漫透射表面作為漫射板使用,并進(jìn)行鍍膜處理(鍍減反射膜),用以提高陽光透過率.

4 定日鏡控制系統(tǒng)

每個定日鏡控制系統(tǒng)都是一個獨(dú)立的兩軸聯(lián)動驅(qū)動系統(tǒng),在安裝好定日鏡機(jī)械系統(tǒng)后,控制系統(tǒng)即可根據(jù)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)來精確控制定日鏡的俯仰轉(zhuǎn)動,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)調(diào)整定日鏡的角度,以保證定日鏡的反射光線能準(zhǔn)確匯聚到平面反射鏡上.

4.1 控制系統(tǒng)原理

選取以定日鏡頂點(diǎn)反射光線的方向?yàn)?z軸的球面坐標(biāo)系來描述定日鏡的轉(zhuǎn)動,即用定日鏡頂點(diǎn)法線的天頂角 θ和方位角 φ來描述定日鏡的位置,如圖 5所示.定日鏡按照方位角要求繞 z軸按相應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)到一定位置,再按照天頂角的要求繞 y′軸按相應(yīng)方向旋轉(zhuǎn)到一定位置,即經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)動到達(dá)目標(biāo)位置.如此可同時確保超環(huán)面反射鏡的一個曲率面在入射面內(nèi),另一曲率面與它垂直,從而達(dá)到聚焦的作用.

4.2 技術(shù)方案

每一套定日鏡組件都配備一套獨(dú)立的電控系統(tǒng),任何一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障都不會對其他部分產(chǎn)生影響.

定日鏡控制系統(tǒng)主要由單片計算機(jī)系統(tǒng)、兩軸測量絕對式編碼器、步進(jìn)電機(jī)控制及驅(qū)動電路、通訊接口、實(shí)時時鐘及數(shù)據(jù)存儲單元組成.采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動定日鏡,可以保證在電控系統(tǒng)意外損壞或其他意外情況下,電機(jī)不會失控,以免損壞減速器或其他機(jī)械結(jié)構(gòu).

由于該主動式導(dǎo)光系統(tǒng)是一個建筑工程項(xiàng)目,其安裝定位精度不可能太高,因此為了降低對建筑工程和機(jī)械加工的精度要求,定日鏡安裝好以后,需要精確地測量出安裝位置的地理坐標(biāo)、地理坐標(biāo)與機(jī)械坐標(biāo)的誤差、跟蹤過程中的不確定誤差等數(shù)據(jù).通過定日鏡控制系統(tǒng)內(nèi)部的計算機(jī)通訊接口,將誤差數(shù)據(jù)簡單存入系統(tǒng)中,從而使定日鏡控制系統(tǒng)可自動進(jìn)行位置修正.

定日鏡控制系統(tǒng)有 RS-422通訊接口,一方面用于主控制室遠(yuǎn)程監(jiān)視定日鏡的工作狀況,另一方面也用于各定日鏡控制系統(tǒng)之間的互相聯(lián)絡(luò),同時主控制計算機(jī)也可以根據(jù)需要(如對定日鏡的工作狀態(tài)進(jìn)行修正或調(diào)整)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控,以滿足特殊情況(如臨時調(diào)整入射光線的強(qiáng)度、位置等)下的工作需要.10臺定日鏡傳動裝置通過通訊接口同步工作,也就是其中 1臺控制系統(tǒng)處于主控模式,其余 9臺處于從屬模式,所有調(diào)整全部同步進(jìn)行.

我們對定日鏡控制系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)在于使其能夠適應(yīng)各種可能的情況和因素,不會因?yàn)橐恍┮馔馇闆r導(dǎo)致定日鏡系統(tǒng)無法正常工作.

圖5 定日鏡運(yùn)動原理示意

4.3 系統(tǒng)軟件

定日鏡控制系統(tǒng)由單片計算機(jī)為核心組成,可獨(dú)立工作.對定日鏡系統(tǒng)的監(jiān)視或遙控都通過串行通訊接口進(jìn)行,系統(tǒng)的基本軟件工作流程如圖 6所示.

圖6 定日鏡系統(tǒng)的軟件工作流程

5 結(jié) 語

主動式導(dǎo)光系統(tǒng)在南市電廠的成功應(yīng)用,證明該系統(tǒng)具備很強(qiáng)的可操作性.在能源日益緊張的今天,充分利用天然光,把太陽光直接傳輸?shù)绞覂?nèi)需要照明的地方,特別是一些地下或無窗的建筑,將是未來太陽能綜合利用的重要方式,更有利于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.

[1]葛曹燕,韓繼紅.上海地區(qū)可持續(xù)能源利用——2010世博園區(qū)永久場館建設(shè)[J].上海節(jié)能,2010(4):22-28.

[2]葛曹燕,楊建榮.上海世博南市電廠可持續(xù)改建實(shí)踐[J].綠色建筑,2010,(2):54-59.

[3]繆同群,張貴彥.南市電廠改建為太陽能熱發(fā)電廠的設(shè)想[J].上海節(jié)能,2009,(7):20-24.