自動跟蹤太陽的光纖導光照明系統(tǒng)的設計

孟 強，馮德軍，2

1.山東大學 信息科學與工程學院，濟南 250100

2.山東省半導體光電子工程技術研究中心，濟南 250100

自動跟蹤太陽的光纖導光照明系統(tǒng)的設計

孟 強1，馮德軍1，2

1.山東大學 信息科學與工程學院，濟南 250100

2.山東省半導體光電子工程技術研究中心，濟南 250100

1 引言

近年來，隨著城市建筑趨向高層化和密集化，僅依靠傳統(tǒng)的采光方式已經(jīng)不能滿足建筑物內(nèi)部的采光要求[1-2]。尤其是那些較低層建筑、無窗房間和地下室，即使是晴朗天氣，室內(nèi)也昏暗陰沉，這在無形之中增加了人工照明的電能損耗，而且給長期在此環(huán)境中生活與工作的人身心健康帶來不良影響[3-4]。將太陽光直接導入室內(nèi)進行照明的技術不僅充分利用了太陽光資源，減少了白天電能的浪費，實現(xiàn)了無窗房間和地下室的照明需求，而且提高了室內(nèi)生活品質[5-7]。

目前國內(nèi)外許多學者對利用太陽光照明進行了大量的研究，提出不少利用太陽能的采光方法和設想[2]。例如：使用平面鏡的一次反射法、棱鏡組多次反射法、衛(wèi)星反射鏡法、導光管法以及光纖導光法。由于光纖導光入室照明相比上述采光方法在施工和設計上有很大的自由度優(yōu)勢，能方便地把陽光傳送到需要照明的地方，因此一直是西方許多發(fā)達國家研究的熱點。1979年8月日本的La Foret工程公司推出了第一臺采集太陽光的照明系統(tǒng)——“向日葵”；1995年前后，美國能源部橡樹嶺國家實驗室發(fā)明了組合太陽光照明系統(tǒng)，即以太陽光照明為主，不足部分用電照明補充[8]。

國內(nèi)外的一些光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)雖然在不同的方面有各自的優(yōu)點，然而在實際的應用過程中或多或少存在著誤差大、靈活性差、非全天候跟蹤、光污染嚴重等缺點。本文在上述研究的基礎上設計出一套基于GPS自動跟蹤太陽的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)。它具有控制精度高、靈活性強、易操作、耦合率高、成本低、全自動跟蹤等優(yōu)點，可以實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能、健康的室內(nèi)照明，這對于我國政府倡導的大力發(fā)展可持續(xù)再生能源技術和推動綠色照明工程有著積極的意義[9-10]。

2 太陽跟蹤的理論依據(jù)

本文設計的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)是基于太陽高度角-方位角的雙自由度跟蹤系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中的一個關鍵技術就是如何實時跟蹤太陽，定位太陽的位置。太陽在天球中對于地球上某點的相對位置是由該觀測點的地理緯度、季節(jié)（年、月、日）和時間（時、分、秒）三個因素來決定的[11]，通常用地平坐標系和赤道坐標系同時表示太陽的位置。地平坐標系、赤道坐標系如圖1所示。

圖1 太陽在不同坐標系下的表示

赤道坐標系是一種天球坐標系。在赤道坐標系中太陽S的位置由下列兩個坐標確定：赤緯角δ和太陽時角t。赤緯角δ是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角。根據(jù)Cooper方程，δ值的計算公式為[12]：

式中，δ為赤緯角，單位為rad；N為天數(shù)，自1月1日開始計算；例：1月1日，N=1；12月31日，N=365。

時角是從觀測點天球子午圈沿天赤道量至太陽所在時圈的角距離。在圖1（a）中，∠QOB是時角t，時角是從天子午圈上的Q點算起的，即從太陽正午時算起，按順時針方向為正，逆時針方向為負，也就是時角上午為負，下午為正。它的數(shù)值等于離正午的時間（h）乘以15°。

太陽時角計算公式如下[12]：

式中，t為太陽時角，單位為rad；T為當?shù)卣嫣枙r間，單位為h。

地平坐標系是以真地平為基本圈、以南點為原點的天球坐標系。在地平坐標系中，對處于地球上某一位置的采光器來說，太陽S的位置是由高度角h和方位角Α決定的。

太陽高度角h是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角；太陽方位角Α指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看做是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。它們都定義在地平坐標系中，計算公式如下[13]：

太陽高度角的計算公式為：

太陽方位角的計算公式為：

式中，h為高度角，單位為rad；φ為觀測點緯度，單位為rad；δ為赤緯角，單位為rad；t為時角，單位為rad；Α為方位角。示意圖如圖2所示。

圖2 太陽位置示意圖

圖3 每個月的1日早上太陽的初始位置變化

利用公式（3）、（4），根據(jù)地球緯度、太陽赤緯角及太陽時角，即可求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時刻的太陽高度角和方位角。

結合上面的天文學公式（1）～（4），以濟南為例（117°2'E，36°39'N），2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，早上六點太陽方位角的變化曲線如圖3（a）所示；2010年1月1日、2月1日、3月1日、…、12月1日，當太陽高度角為15°時的時間變化曲線如圖3（b）所示。

從圖3（a）可以得出，每天太陽的起始位置不同，所以每天太陽落山后跟蹤器復位也就不同，這就要求設計更為精確的跟蹤程序；從圖3（b）可以得出當太陽高度角為15°時，從1月1日開始到7月1日每天早上太陽升起的時間越來越早，符合冬天白晝時間短，夏天白晝長的規(guī)律。

3 自動跟蹤太陽的光纖導光系統(tǒng)的設計和分析

本文提出的光纖導光系統(tǒng)將實時跟蹤太陽從而保證聚光器最大限度地收集陽光，將聚焦后的陽光濾除有害射線后耦合到光纖中通過多芯光纜傳輸?shù)竭h端室內(nèi)通過散射器進行照明。這是一個直接利用太陽光照明的裝置，在環(huán)保、節(jié)能、健康等方面都有著重要的意義。光路圖如圖4所示。

圖4 導光光路示意圖

3.1 太陽跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設計

本文中的太陽跟蹤控制系統(tǒng)是基于GPS的雙自由度太陽跟蹤，它利用GPS接收器每間隔10 min輸出一次觀測點的經(jīng)緯度和時間信息，通過串口將信息傳輸?shù)紸tmegal16單片機并計算出太陽的高度角和方位角，然后與10 min之前測得的結果相減并將這次測量結果儲存，根據(jù)兩次差值計算的太陽高度角和方位角偏差確定脈沖的個數(shù)，然后通過步進電機控制云臺轉動聚光器始終對準太陽，從而保證聚光器最大限度地接收陽光，實現(xiàn)實時跟蹤。為了實現(xiàn)這個目的，設計了太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)模塊，太陽跟蹤控制系統(tǒng)模塊由Atmega16單片機、電源模塊、GPS模塊、步進電機驅動器、步進電機、聚光器、MAX232等模塊組成，系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖5所示。

圖5 硬件結構框圖

3.2 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件程序設計

跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設計方案如下：系統(tǒng)啟動后，首先進行各個模塊初始化，讀取GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)信息，其次系統(tǒng)自動判斷當前時間是白天還是黑夜，如果是白天，系統(tǒng)啟動，每隔10 min驅動電機轉動一次，使聚光器對準太陽，實現(xiàn)實時跟蹤；如果是黑夜，系統(tǒng)不啟動，進入休眠狀態(tài)。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 實驗和結果分析

自動跟蹤太陽的光纖導光系統(tǒng)設計完成后，在濟南（117°2'E，36°39'N）對本文設計的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)進行了跟蹤太陽的測試、聚光性能的測量以及光纜的耦合效率的測量。

4.1 跟蹤太陽的測試

2011年7月20日，21日，25日濟南天氣晴朗，進行了三次跟蹤太陽的測試。首先將測量時間段分為：11：00—12：00；12：00—1：00，1：00—2：00然后在每個時間段的初始時刻將系統(tǒng)調節(jié)為正對太陽，太陽聚焦后的光斑照射在光纖輸入端，用LM-200光功率計測試光纖輸出端的可見光功率，將此值作為比較參考值，然后啟動光纖導光系統(tǒng)跟蹤器開始跟蹤太陽，每間隔10 min，記錄光纖輸出端的可見光功率，連續(xù)測量數(shù)小時，光纖輸出端光功率與參考值沒有明顯差異同時觀察發(fā)現(xiàn)太陽聚焦后的光斑始終位于光纖輸入端，表明此系統(tǒng)可以實時正對太陽，實現(xiàn)精確跟蹤。

4.2 耦合效率的測量

為了節(jié)省測量時間和提高測量精度，在實驗室以功率為3 W的LED燈模擬太陽光源，架設的實驗系統(tǒng)示意圖如圖7所示。利用架設的系統(tǒng)對14芯塑料光纜（光纖芯徑是0.75 mm；NA是0.5；光纜內(nèi)徑是3.1 mm；長度是15 m）進行聚光效果和耦合效率的研究，利用LM-200功率計測量光纜入光端及出光端功率。

光的耦合效率定義為：

通過表1可知：本文設計的自動跟蹤太陽的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)的光耦合效率在可見光波段達到36%以上，而太陽能電池板的光電轉換效率約為18%[14]，且該照明系統(tǒng)綠色環(huán)保、成本較低，是未來太陽光利用的主要方向，具有更高的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖7 實驗系統(tǒng)示意圖

表1 光束的耦合效率1）

圖8是3 W的模擬光源經(jīng)過菲涅爾平面透鏡直接聚焦進入內(nèi)徑為3.1 mm光纜，并傳輸15 m的光輸出效果。

5 結束語

圖8 光輸出效果圖

自動跟蹤太陽的光纖導光照明系統(tǒng)已是各國競相研究的熱點，設計廉價、高精度的聚光與跟蹤系統(tǒng)是推廣應用的關鍵。

為了實現(xiàn)健康、舒適、高效的室內(nèi)白天照明設計了自動跟蹤太陽的光纖導光照明系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要通過菲涅爾透鏡、多芯光纜、GPS模塊和跟蹤控制模塊實現(xiàn)太陽光的采集、傳輸、跟蹤等步驟。本系統(tǒng)通過菲涅爾透鏡聚焦提高焦點處的光強，通過多芯塑料光纜可以實現(xiàn)長達幾十米的傳輸，通過GPS定位實現(xiàn)對太陽的跟蹤。

利用光纖導光進行室內(nèi)照明是一種天然光照明方式。本文設計的自動跟蹤太陽的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)具有跟蹤精度高、穩(wěn)定性能好、光耦合效率高、造價低廉、使用壽命長以及沒有光污染等優(yōu)點，在以后的工業(yè)和生活中具有廣闊的應用前景。

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MENG Qiang1,FENG Dejun1，2

1.School of Information Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China
2.Semiconductor Optoelectronics Engineering Τechnology Center of Shandong Province,Jinan 250100,China

Τaking the optical fiber lighting system of automatic solar tracking which guides light into indoor rooms as the research objective,the hardware composition,software flowchart and light-guiding of the system are well designed.Τhe tracking capability and light guiding performance have been verified by a 15-meter-long optical cable light-guiding experiment and related simulations.Τhe experimental results show that the optical fiber lighting system of automatic solar tracking has high accuracy,good stability,high coupling efficiency.Under the general solar lighting condition,the optical fiber interior lighting system designed in this paper can provide healthy,efficient interior illumination in libraries,basements,and other sunless rooms.

solar power;Single Chip Microcomputer（SCM）;tracking;condensation;optical fiber;lighting

以將太陽光通過光纖導入室內(nèi)進行照明的自動跟蹤太陽的光纖導光系統(tǒng)為研究對象，對導光系統(tǒng)進行了硬件、軟件及導光部分的設計，對該光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)的跟蹤性能和導光性能進行了實驗驗證與模擬分析。實驗表明：所研究的自動跟蹤太陽的光纖導光系統(tǒng)轉動精度高、工作穩(wěn)定性好、太陽能耦合效率高。在一般日照條件下，所設計的光纖導光室內(nèi)照明系統(tǒng)可以在圖書館、地下室、陰暗的房間實現(xiàn)健康、舒適、高效的室內(nèi)照明。

太陽能；單片機；跟蹤；聚光；光纖；照明

A

ΤK519

10.3778/j.issn.1002-8331.1111-0361

MENG Qiang,FENG Dejun.Design of optical fiber lighting system based on tracking solar automatically.Computer Engineering and Applications,2013,49（15）：249-252.

山東省自然科學基金（No.ZR2011FM013）；山東大學自主創(chuàng)新基金（No.2010ΤS014）。

孟強（1986—），男，碩士研究生，主要從事光纖光柵的理論與應用研究；馮德軍（1973—），男，博士，副教授，主要從事光學全息與光信息處理、光纖傳感技術、光纖光柵研制和光纖激光器等方面的研究。E-mail：ytmq1986@163.com

2011-11-21

2012-02-17

1002-8331（2013）15-0249-04

CNKI出版日期：2012-04-25 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.ΤP.20120425.1719.040.html