基于錐形光纖傳導(dǎo)的太陽光照明系統(tǒng)

呂雅晶++楊冠魯

摘 要：文章提出了一種基于錐形光纖傳導(dǎo)的太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)，通過利用錐形光纖的幾何形狀的優(yōu)勢，將錐形光纖與圓柱形光纖相結(jié)合，進(jìn)一步提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的追光精度，從而提高對(duì)太陽光的利用率。文章針對(duì)系統(tǒng)的追光誤差以及光照強(qiáng)度進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以對(duì)一定的空間進(jìn)行基本的照明，且采用錐形光纖能夠有效提高系統(tǒng)的追光精度。

關(guān)鍵詞：錐形光纖；太陽光；照明；追光精度

中圖分類號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0014-02

1 概述

目前，能源的消耗隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與日俱增。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，世界各國都在尋找新能源來替代傳統(tǒng)的化石燃料，而太陽能作為一種新型的綠色能源，越來越受到各國的關(guān)注和重視。

傳統(tǒng)的太陽能利用技術(shù)都存在著能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗問題，而太陽光室內(nèi)照明技術(shù)在不進(jìn)行熱、電和機(jī)械等能量轉(zhuǎn)換的前提下[1]，直接把對(duì)人體有益的太陽光傳導(dǎo)進(jìn)室內(nèi)并替代傳統(tǒng)的用電照明，從而降低了照明能耗。

近年來，太陽光室內(nèi)照明技術(shù)快速發(fā)展，許多國家的研究重點(diǎn)主要集中在降低技術(shù)成本與提高太陽光的利用效率上。目前，提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的追光精度主要有兩種方法：一是提高追光裝置的控制精度，使聚光光斑對(duì)準(zhǔn)光纖輸入端面。但這種方法需要精確的控制，難度大，成本高。二是擴(kuò)大光纖的口徑，使聚光光斑始終在光纖輸入端面內(nèi)。但大口徑光纖存在成本高、占用面積大、彎曲性能差等缺點(diǎn)。

因此，本文提出一種簡易且成本較低的提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)追光精度的方法，目的是對(duì)傳統(tǒng)的太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。通過利用錐形光纖的幾何形狀的優(yōu)勢，將錐形光纖與圓柱形光纖相結(jié)合，進(jìn)一步提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的追光精度，從而提高了太陽光的利用率。

2 技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)主要由太陽光收集裝置、太陽光自動(dòng)跟蹤裝置和太陽光傳輸裝置組成。其中，太陽光收集裝置把平行入射到菲涅耳透鏡上的太陽光聚焦成一個(gè)很小的光斑；由于太陽的位置隨時(shí)都在變化，為了收集到更多的太陽光，太陽光自動(dòng)跟蹤裝置控制菲涅耳透鏡的位置，使它始終垂直于太陽光；太陽光傳輸裝置的作用是把經(jīng)濾光片后的可見光導(dǎo)入任何有照明需求的地方。

2.2 追光裝置

國內(nèi)外的追光方式主要分為三種：（1）視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；（2）光電跟蹤；（3）前兩者結(jié)合的混合跟蹤。

本系統(tǒng)采用的是文獻(xiàn)[2]中一種追光精度較高、控制簡易且成本低的光電跟蹤方式，以LM324為核心，采用四個(gè)光敏電阻，并將它們分為兩組，一組光敏電阻檢測太陽的方位角（即東西方向），另一組光敏電阻檢測太陽的高度角（即南北方向）。該控制電路由兩部分組成：信號(hào)采集和信號(hào)比較，控制電路如圖2所示。由于四個(gè)光敏電阻在光照強(qiáng)度不同的情況下阻值不同，因此利用橋式比較電路，分別在不同的LM324的輸出端輸出不同的信號(hào)，進(jìn)而控制兩臺(tái)直流減速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)追光裝置，實(shí)現(xiàn)菲涅耳透鏡平面始終垂直太陽光線，從而有效地提高太陽光的利用效率。

2.3 錐形光纖

近年來，隨著錐形光纖研究的深入，其獨(dú)特的光學(xué)特性也引起了人們的重視[3]。由于錐形光纖的幾何形狀的特點(diǎn)，本系統(tǒng)引入錐形光纖來進(jìn)一步減小追光系統(tǒng)的誤差，使太陽光從大口徑端向小口徑端傳播，將錐形光纖與圓柱形光纖相結(jié)合，可起到與采用大口徑光纖相同的效果，既減少了成本又無需擴(kuò)大占用面積。

錐形光纖是一種應(yīng)用廣泛的不規(guī)則光纖，但不規(guī)則光纖的光波傳輸特性的理論研究還不成熟[4]。因此，本文僅對(duì)基于幾何方法的錐形光纖傳輸特性進(jìn)行簡單介紹。當(dāng)太陽光從錐形光纖的大口徑端面入射時(shí)，傳播路徑如圖3所示[5]。

假設(shè)光線以？茲角度從大口徑端面入射，其在纖芯中第n次反射角？琢n為[6]：

由于在錐形光纖中錐角？啄≠0，因此，由式（1-1）可知，隨著反射次數(shù)的增加，反射角？琢n不斷減小，光線的傳播模式也由低次模向高次模轉(zhuǎn)變，全反射條件略微受到損壞，部分高次模將滲透到包層及光纖外，造成能量的損失[7]。

錐形光纖的數(shù)值孔徑NA為[8]：

由式（1-2）可知，錐形光纖大口徑端半徑a和小口徑端半徑b的比值越小，其數(shù)值孔徑越小，則光纖中傳輸?shù)墓饩€越少。同時(shí)，由于錐形光纖和普通光纖的數(shù)值孔徑不同，當(dāng)這兩種光纖連接時(shí)，將產(chǎn)生一定的損耗[7]。

由于采用錐形光纖傳輸太陽光存在光線損耗問題，因此，需要通過合理設(shè)計(jì)錐形光纖的尺寸來降低光線的損耗。本文僅考慮系統(tǒng)的追光誤差，不細(xì)究錐形光纖的損耗問題。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 追光誤差測試

本文針對(duì)是否加入錐形光纖進(jìn)行系統(tǒng)誤差對(duì)比測試，每隔20分鐘采樣一次，如表1所示。

經(jīng)過多次誤差測試，本系統(tǒng)確定了錐形光纖的尺寸：大口徑端半徑a=10mm，小口徑端半徑b=2.5mm，長度L=40mm。由上述數(shù)據(jù)可以看出，加入錐形光纖后，本系統(tǒng)的誤差有明顯的降低，且追光誤差在0.9°以內(nèi)。由于采用了錐形光纖，理論上無論何時(shí)，光斑都不會(huì)偏離出錐形光纖的入口端面，但由于存在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制精度和人為測量的誤差，導(dǎo)致測試結(jié)果不夠理想。

3.2 光照強(qiáng)度測試

由圖4所示，在陽光下照度值為97000LUX時(shí)，本系統(tǒng)輸出端半米處的照度值為61700LUX，一米處的照度值為35900LUX，光照情況如圖5所示。測試結(jié)果表明本系統(tǒng)的照明性能良好，能對(duì)一定的空間進(jìn)行基本的照明。

4 結(jié)束語

目前，提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的追光精度主要有兩種方法：一是提高追光裝置的控制精度，二是擴(kuò)大光纖的口徑。但前者需要精確的控制、難度大、成本高，后者成本高、占用面積大、彎曲性能差。因此，本文提出一種簡易且成本較低的提高太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)追光精度的方法，利用錐形光纖的優(yōu)勢進(jìn)一步降低太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的追光誤差。

雖然采用錐形光纖傳輸太陽光存在光線損耗問題，但通過合理設(shè)計(jì)錐形光纖尺寸能夠有效降低能量的損耗。本文僅針對(duì)系統(tǒng)的追光誤差以及光照強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果表明本文提出的方案可行、有效，既簡易又無需擴(kuò)大占用面積，具有較高的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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