基于智能調(diào)光的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫友明++黎相成+沈曉明++韋以明

摘 要： 為了更好地利用太陽能資源，提出一種基于智能調(diào)光的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過對集光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用兩級定位跟蹤模式來提高太陽自動(dòng)跟蹤器的跟蹤精度等措施，系統(tǒng)能最大程度地將太陽光導(dǎo)入到光纖以提高系統(tǒng)的光利用率；同時(shí)，通過提高跟蹤器的跟蹤穩(wěn)定性和增設(shè)智能調(diào)光功能等措施，使之能克服天氣多變、跟蹤抖動(dòng)等因素所導(dǎo)致的光強(qiáng)波動(dòng)問題，系統(tǒng)的光強(qiáng)穩(wěn)定度得到了提高。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)可以獲得較好的照明品質(zhì)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 太陽能； 光纖導(dǎo)光； 智能調(diào)光； 太陽自動(dòng)跟蹤

中圖分類號(hào)： TN818?34； TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0097?04

Abstract： In order to better utilize the solar energy resource， a design scheme of fiber light transmitting illumination system with intelligent dimming function is proposed. The system can import the sunlight into the optical fiber to the maximum extent to improve its light utilization efficiency by means of the optimal design for optical collector， and two?stage positioning and tracking mode for improvement of tracking accuracy of sun auto?tracking device. The improvement of the tracking stability of tracker and addition of the intelligent dimming function can make the system overcome the light intensity fluctuation caused by changeable weather and tracing shake， and improve the stability of light intensity. The experimental results show that the system can obtain high illumination quality， and has a certain application and promotion value.

Keywords： solar energy； fiber light transmitting； intelligent dimming； sun auto?tracking

0 引 言

目前，人類對太陽能的利用主要集中在將其轉(zhuǎn)化為電能和熱能上，而太陽光導(dǎo)入技術(shù)為人類合理利用太陽能資源開辟出新的途徑[1]。太陽能光纖導(dǎo)光照明通過光纖傳輸與分配后，直接將太陽光導(dǎo)入到室內(nèi)需要光照的地方，得到由自然光帶來的特殊照明效果，是一種綠色健康、節(jié)能環(huán)保的新型照明產(chǎn)品，它徹底改變在建筑物中僅利用門窗、天窗等被動(dòng)低效利用自然光的傳統(tǒng)做法，使面北房間、陰暗房間以及地下室也能得到陽光的照耀，尤其是在易燃易爆、需要水電隔離等照明場合，有其特殊應(yīng)用價(jià)值。隨著光纖材料成本的降低，特別是聚合物光纖的出現(xiàn)及其導(dǎo)光性能的提高，太陽能光纖導(dǎo)光照明開始得到了應(yīng)用推廣[2?4]。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，集光器和跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度往往會(huì)影響光線聚焦光斑和光纖端面之間的耦合度，從而降低太陽光導(dǎo)入量，造成光強(qiáng)損失。而天氣多變、跟蹤抖動(dòng)等因素，容易導(dǎo)致照明燈具處光照強(qiáng)度波動(dòng)，從而影響系統(tǒng)的照明效果，進(jìn)而影響其進(jìn)一步推廣應(yīng)用，使之僅限于應(yīng)用在一些對照明品質(zhì)要求不高的場合。

基于此，本設(shè)計(jì)通過合理選擇菲涅耳透鏡和圓臺(tái)筒的尺寸、采用漏斗型光纖固定器并在其內(nèi)側(cè)進(jìn)行拋光處理和附上高反射率的涂層等措施來對集光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；在雙軸太陽自動(dòng)跟蹤器中，定位傳感器采用兩級定位模式以提高其跟蹤精度，從而使系統(tǒng)能最大程度地將太陽光導(dǎo)入光纖以減少光強(qiáng)損失，有利于提高系統(tǒng)的光利用率。同時(shí)，系統(tǒng)采用諧波減速器來進(jìn)一步提高太陽自動(dòng)跟蹤器的跟蹤穩(wěn)定性，并增設(shè)光強(qiáng)調(diào)節(jié)器和輔助光源。光強(qiáng)調(diào)節(jié)器可根據(jù)外界光強(qiáng)的變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)輔助光源，使總體光強(qiáng)保持穩(wěn)定，則系統(tǒng)具有光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可讓用戶在使用過程中感覺更舒適，從而提升照明品質(zhì)和應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于智能調(diào)光的太陽能光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)主要由集光器2、玻璃罩3、雙軸太陽自動(dòng)跟蹤器、傳光光纖205、智能調(diào)光控制器905、帶輔助補(bǔ)償光源的照明燈具9等部件組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1 集光器

集光器主要由菲涅耳透鏡201、圓臺(tái)筒202、濾光片203和漏斗型光纖固定器204等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，菲涅爾透鏡安裝在圓臺(tái)筒的頂部，漏斗型光纖固定器連接在圓臺(tái)筒的底部中心，濾光片安裝在光纖固定器的進(jìn)光口端面處，導(dǎo)光光纖安裝在漏斗型光纖固定器里面，其入射端面置于聚光透鏡焦點(diǎn)處。太陽光束通過菲涅耳透鏡聚光后，先經(jīng)濾光片過濾，再通過導(dǎo)光光纖傳輸?shù)绞覂?nèi)照明燈具處進(jìn)行照明。

經(jīng)過濾光片過濾后的光線聚焦光斑和光纖端面需要進(jìn)行高精度對焦，以使兩者之間獲得較好的耦合度，從而使會(huì)聚后的太陽光最大程度地導(dǎo)入光纖以減少光強(qiáng)損失。為此，需要合理選擇菲涅耳透鏡和圓臺(tái)筒的尺寸，使得投射到光纖端面的入射光光斑不大于光纖的孔徑，以實(shí)現(xiàn)聚焦光在光纖內(nèi)的全反射傳輸。漏斗型光纖固定器的內(nèi)側(cè)進(jìn)行拋光處理并附有高反射率的涂層，在實(shí)際使用中，當(dāng)跟蹤精度有微小的偏差或波動(dòng)時(shí)，能使會(huì)聚后的太陽光最大程度地導(dǎo)入光纖中，從而可以使照明燈具處的光強(qiáng)更加穩(wěn)定。

1.2 傳光光纖

傳光光纖安裝在漏斗型光纖固定器里面，其入射端面置于聚光透鏡焦點(diǎn)處。傳光光纖可以采用石英光纖，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、損失少、使用壽命長，但價(jià)格貴。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)一種聚合物光纖的新材料，它具有易彎曲、芯徑大、易連接、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，在本設(shè)計(jì)中采用聚合物光纖。

光線聚焦光斑入射聚合物光纖之前，應(yīng)先通過濾光片進(jìn)行處理，將太陽光中的紅外線和紫外線進(jìn)行過濾，使聚焦光斑的溫度在聚合物光纖可承受的溫度范圍內(nèi)，從而有利于延長聚合物光纖的使用壽命和得到綠色健康的照明。

1.3 智能調(diào)光控制器

在實(shí)際使用中，由于天氣多變、跟蹤抖動(dòng)等因素，經(jīng)傳光光纖傳輸至照明燈具處的光照強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而降低了系統(tǒng)的照明效果。為此，在系統(tǒng)中增設(shè)智能調(diào)光控制器和輔助補(bǔ)償光源，系統(tǒng)具有光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。在本設(shè)計(jì)中采用LED光源作為輔助補(bǔ)償光源。

當(dāng)外界光強(qiáng)波動(dòng)時(shí)，調(diào)光控制器可根據(jù)外界光強(qiáng)的變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)輔助補(bǔ)償光源的光強(qiáng)，使總體光強(qiáng)保持基本穩(wěn)定，從而獲得好的照明效果；在陰雨天光線很弱等情況下，輔助光源照明和太陽能光纖導(dǎo)光照明還可以自動(dòng)進(jìn)行相互切換，實(shí)現(xiàn)在陰雨天光線很弱等情況下的照明。

1.4 雙軸太陽自動(dòng)跟蹤器

雙軸太陽自動(dòng)跟蹤器主要用于實(shí)時(shí)跟蹤太陽，實(shí)現(xiàn)集光器最大限度地收集陽光。其主要由定位傳感器1、集光器固定支架5、俯仰角/方位角步進(jìn)電機(jī)及諧波減速結(jié)構(gòu)（4，8）、底座固定支架6和跟蹤控制器7等組成。

對于本文所設(shè)計(jì)的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)，為了保證光線聚焦光斑和光纖端面之間獲得較好的耦合度以使太陽光聚焦后能最大程度地導(dǎo)入光纖，則要求跟蹤系統(tǒng)具有較高的跟蹤精度[6]。為此，定位傳感器采用粗定位和精定位兩級定位模式，其俯視圖如圖1所示。其中定位傳感器外部四個(gè)方向的硅光電池（101，103）分別用于控制水平和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對太陽進(jìn)行粗定位；而定位傳感器內(nèi)部的陣列式感光傳感器102用于對太陽進(jìn)行精定位，可將聚焦點(diǎn)盡可能地對準(zhǔn)到中心位置上。在跟蹤過程中，聚焦光斑與光纖端面對焦過程中發(fā)生微小偏差或波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)照明燈具處的光強(qiáng)衰減或波動(dòng)，從而降低照明品質(zhì)，因此要求跟蹤系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。為此，系統(tǒng)采用了具有精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)的諧波減速器[7]作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2 智能調(diào)光控制器硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，輔助補(bǔ)償光源和智能調(diào)光控制器設(shè)置在照明燈具處，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在照明燈具的漫射裝置902里側(cè)中心處放置光敏傳感器901，其用于檢測光強(qiáng)；在導(dǎo)光光纖904出光口的周圍環(huán)形布置一定數(shù)量的LED燈903，作為輔助補(bǔ)償光源。同時(shí)，根據(jù)不同的要求選擇不同的漫射裝置來進(jìn)行封裝，用于均勻、柔和地將混合光線漫射至室內(nèi)，以獲得更好的照明效果。智能調(diào)光控制器硬件框圖如圖2所示，主要包括電源電路、LED驅(qū)動(dòng)電路、光強(qiáng)采樣電路、調(diào)光控制電路等模塊電路。其中電源電路由開關(guān)穩(wěn)壓電源、二次濾波電路（20 V輸出）、單片機(jī)電源電路（5 V輸出）組成，分別給LED驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)光

控制電路提供電源。

調(diào)光控制器基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過控制PWM信號(hào)輸入占空比來控制電流，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光具有調(diào)光精確度高、調(diào)光范圍廣、不易產(chǎn)生色譜偏移等優(yōu)點(diǎn)[8?9]。

在本設(shè)計(jì)中，采用PIC16F877單片機(jī)作為控制器，PIC16F877單片機(jī)內(nèi)嵌功能比較多，具有ADC，PWM和看門狗定時(shí)器等多種功能，且抗干擾性強(qiáng)，保密性好?；趩纹瑱C(jī)PIC16F877A的調(diào)光控制電路如圖3所示。其中光敏電阻R4和電阻R3構(gòu)成光強(qiáng)采樣電路，當(dāng)導(dǎo)入的光線強(qiáng)度變化時(shí)，光敏電阻的電阻值變化，變化的電壓值作為一控制信號(hào)，指示調(diào)光控制器增強(qiáng)LED燈的亮度。在夜間或陰雨天光線很弱的情況下，則通過切換改由LED直接進(jìn)行照明。通過串聯(lián)4只3 W的LED作為輔助補(bǔ)償光源，選用PT4115作為LED的驅(qū)動(dòng)芯片。PT4115芯片內(nèi)置功率開關(guān)，通過DIM引腳可以接收很寬范圍的PWM調(diào)光，效率高[10]?；赑T4115的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS1決定，通過在DIM管腳加入可變的占空比的PWM信號(hào)就可以調(diào)節(jié)輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。在本設(shè)計(jì)中，選取5 V為信號(hào)高電平，設(shè)置最大平均電流為680 mA，RS1=0.142 8 Ω，選取電感值。

3 智能調(diào)光控制器軟件設(shè)計(jì)

調(diào)光控制器的軟件設(shè)計(jì)部分是以PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，主要負(fù)責(zé)光強(qiáng)信息的A/D采樣，并通過PID算法產(chǎn)生PWM增量調(diào)節(jié)PWM控制寄存器，產(chǎn)生PWM信號(hào)送往LED驅(qū)動(dòng)器使得LED光強(qiáng)變化。A/D采樣結(jié)果作為PID模塊的入口參數(shù)，本設(shè)計(jì)中采用的是PIC16F877A自帶的ADC模塊，并使用查詢方式采樣取值。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)主流程圖如圖4（a）所示。

PWM程序模塊的設(shè)計(jì)流程見圖4（b）。其主要用于控制LED驅(qū)動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。在此程序設(shè)計(jì)中，采用的是PIC16F877A單片機(jī)自帶的10位PWM模塊。PIC16F877A單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)CCP模塊，當(dāng)它工作在PWM方式時(shí)，可以產(chǎn)生周期和電平寬度均可由編程決定的PWM波形。

4 測試結(jié)果

LED驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試主要是確定LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流效果和電路的效率，在本系統(tǒng)中選用的是3 W LED，其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定的最大電流為700 mA。實(shí)際測試時(shí)，采用純電阻來對LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流效果進(jìn)行測試，具體測試情況如表1所示。從表1中可以看出恒流輸出很接近，效率非常高。

系統(tǒng)光強(qiáng)穩(wěn)定度的實(shí)際效果采用人眼的主觀感受來進(jìn)行測試。實(shí)測表明，本文所設(shè)計(jì)的具有光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的太陽能光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)可以獲得較好的照明效果，光強(qiáng)調(diào)節(jié)快速且調(diào)節(jié)不振蕩、LED無閃爍現(xiàn)象等。

5 結(jié) 語

太陽光導(dǎo)入技術(shù)為人類合理利用太陽能資源開辟出新的途徑，為了更好地利用太陽能資源，本文提出一種基于智能調(diào)光的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過提高太陽自動(dòng)跟蹤器的跟蹤精度、對集光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施，可以提高系統(tǒng)的光利用率。同時(shí)，為了克服天氣多變、跟蹤抖動(dòng)等因素所導(dǎo)致的光強(qiáng)波動(dòng)問題，系統(tǒng)增設(shè)了智能調(diào)光功能，智能調(diào)節(jié)器可根據(jù)外部光強(qiáng)的變化，基于增量式PID算法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)輔助光源，并采用諧波減速器來提高太陽自動(dòng)跟蹤器的跟蹤穩(wěn)定性，以此可提高系統(tǒng)總體光強(qiáng)穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)可以獲得較好的照明品質(zhì)，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

注：本文通訊作者為黎相成。

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