基于太陽能電池板的反光百葉窗設(shè)計

趙益澤

（衡水第一中學(xué)，河北 衡水 053000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，電力需求量日趨增加。我國能源分布不均，開采難度較大，情況不容樂觀。數(shù)據(jù)顯示，目前我國的照明用電約占全社會總用電量的20%。由此看來，節(jié)省照明用電是節(jié)約電能消耗的關(guān)鍵因素。這種背景下，節(jié)約能源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展儼然成為人們關(guān)注的焦點。綠色照明的概念作為可持續(xù)發(fā)展理念的引申，為建筑照明指明了新方向[1]。節(jié)約照明用電，降低能耗，也將逐漸成為照明方案著重考慮的要點。

資料顯示，我國約有36萬間中小學(xué)教室存在白天掛上窗簾打開電燈的問題，原因是靠近窗戶的同學(xué)即使沒有陽光直射也會感覺看書本時太亮。再加上黑板與多媒體投影設(shè)備反光，因此只有拉上窗簾再開燈才能有較好的視覺效果[2-3]。從節(jié)能和環(huán)保的角度來看，拉上窗簾擋住自然光卻消耗電能使用人造光，顯然是不科學(xué)的。

為了解決上述問題，實現(xiàn)在室外光照充足的情況下充分利用自然光進行照明，提出了利用反光材料反射陽光進入教室減少人造光的方案。通過對比太陽能電池板和鋁板兩種材料作為反光材質(zhì)，選擇利用太陽能電池板制作反光百葉窗進行教室采光改造。晴天背景下，對教室及模擬裝置進行測量實驗得到的數(shù)據(jù)表明，基于太陽能電池板的反光百葉窗對教室內(nèi)的光照強度與均勻度都有很大程度改善，且具有節(jié)能、環(huán)保、實用性強的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 反光板的選擇

常用的反光板有太陽能電池板和反光鋁板兩種[4]。反光鋁板具有質(zhì)量輕、安裝成本低的特點。剛?cè)サ舾采w的塑料膜時，反光鋁板非常光亮，反光率要高于太陽能電池板，但維護困難。一旦落上塵土擦拭，就會失去光澤。如果長時間室外使用，經(jīng)過幾次擦拭，反光率必然大大降低甚至失去反光效果。太陽能電池板表面為玻璃材質(zhì)，壽命長，容易清理，維護簡單。反光鋁板只具有反光效果，太陽光不充足時會失去作用，因此照明時間較短，節(jié)約的電能就會減少；太陽能電池板則同時具備反光和發(fā)電效果[5]。綜合這兩方面因素，太陽能電池板具有良好的經(jīng)濟性和易于維護的實用性，因此選擇太陽能電池板作為反光板。

1.2 百葉窗類型的選擇

外遮陽百葉一般有固定式百葉和活動式百葉兩種類型。固定式百葉在操控、耐久性和價位上更有優(yōu)勢，但是靈活性不夠；活動式外遮陽百葉可以變換遮陽的角度或方式，比較靈活，遮陽性能良好。因此，本文選取活動式外遮陽百葉作為研究對象。同時，為了增加實驗的真實性，選擇兩個舵機遙控控制葉片的旋轉(zhuǎn)角度，制作滑軌并固定一個LED光源模仿太陽東升西降的運動軌跡。

1.3 3D打印技術(shù)

3D打印是一種增材制造技術(shù)（一層層增加材料），將打印材料一層層疊加起來，最終將計算機上設(shè)計的3D圖紙打印為實物。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)（車、刨、鉆、磨）相比，它節(jié)省材料成本和材料加工時間，更易制造精細的物品。表1列出的圖片中，所有白色部件均是通過3D打印技術(shù)打印出來的。

表1 3D打印部件一覽表

1.4 驅(qū)動器

驅(qū)動器核心芯片是ARM公司的32位單片機，72 MHz運行速度，能夠快速完成驅(qū)動舵機動作指令；手機通過藍牙模塊鏈接到驅(qū)動器，直接驅(qū)動舵機的角度變化，從而帶動窗頁的擺動。

2 實驗與分析

2.1 實驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)備

本文采用亞克力箱模型模擬中小學(xué)教室進行實驗，如圖1所示。亞克力箱模型尺寸為700 cm×25 cm×33 cm，朝南方向開2個15 cm×12 cm的開口模擬教室的窗戶，并安裝太陽能反光百葉窗；另一側(cè)開13 cm×7 cm大小的開口做教室門用于舵機電源線走線；同時，在箱內(nèi)設(shè)置3個位置，分別模擬教室的3個不同方位。單片反光太陽能電池板的兩端采用ABS塑料薄片卡緊后再涂膠固定。塑料薄片兩端分別插入圓形塑料作為轉(zhuǎn)動軸，且一側(cè)的圓形塑料與傳動桿相連。傳動桿由舵機控制高度的升降與所用電池板相連，從而實現(xiàn)百葉窗反射角度的控制。太陽能電池板尺寸為13 cm×3 cm，單個窗戶使用4塊太陽能電池板。

圖1 實驗?zāi)Ｐ驼w圖

2.2 實驗過程

在室內(nèi)燈光照度合適或無陽光直射的室內(nèi)進行試驗，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌位置及模擬LED光源的高度，模擬正午11:00與下午15:00兩個時間點的數(shù)據(jù)。

實驗進行步驟如下：

步驟1：測量教室模型內(nèi)4個不同位置（直射位置、南排位置、中排位置、北排位置）的光照強度，作為參考值。

步驟2：將未安裝反光板的教師模型水平放置，調(diào)節(jié)軌道位置及模擬光源高度，分別測量模擬裝置由外向內(nèi)的四個位置的光照強度（其中，最外側(cè)的1位置處為LED光源垂直最高點的照射強度）。

步驟3：將模擬裝置安裝反光板，并將反光板置于水平，測出相同四個位置的光照強度。

步驟4：將模擬裝置的反光板由水平向外旋轉(zhuǎn)約40°，測出相同四個位置的光照強度。

步驟5：將模擬裝置的反光板由水平向內(nèi)旋轉(zhuǎn)約40°，測出相同四個位置的光照強度。

11:00與15 :00兩個時間點下，各個位置的測量數(shù)據(jù)分別見表2和表3，光照強度單位為lx。利用所測空間內(nèi)陽光能夠直射位置的光照強度和所測位置光照強度的比值，反映光照均勻程度，并將其自定義為“強弱比”。

表2 不同位置在11:00時的測量結(jié)果記錄表

表3 不同位置在15:00時的測量結(jié)果記錄表

圖2和圖3分別記錄了11:00與15:00兩個時間點下，不同位置（不包含直射位置）的光照強度柱狀圖，單位為lx，可直觀看到不同情況下的光強。其中，位置2為南排位置，位置3為中排位置，位置4為北排位置。

圖2 不同位置在11:00時的光照強度柱狀圖

圖3 不同位置在15:00時的光照強度柱狀圖

2.3 實驗結(jié)果分析

通過對上述實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行比較分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對比表2、表3中教室內(nèi)與模擬裝置內(nèi)無反光板時的強弱比，模擬裝置基本能夠反映實際教室的光照強度。二者的大部分數(shù)據(jù)接近，變化規(guī)律基本一致?？臻g更小的模擬裝置內(nèi)，光強變化更慢，而教室空間較大，其數(shù)據(jù)變化更大。

（2）對比表2、表3中模擬裝置內(nèi)有無反光板時的光強數(shù)據(jù)，未安裝反光板時，直射位置和非直射位置的光照強度都遠遠超出國家標(biāo)準(zhǔn)；安裝太陽能反光板（水平）后，南側(cè)光照過強與光照不均勻都得到較大改善。

（3）由表2、表3的數(shù)據(jù)可知，對比11:00與15:00兩個時間位置點的數(shù)據(jù)，當(dāng)反光板外轉(zhuǎn)40°時，模擬裝置內(nèi)光照強度都減弱；當(dāng)反光板內(nèi)轉(zhuǎn)40°時，模擬裝置內(nèi)光照強度都得到了加強。這與物理知識中“入射角越大，反射越強”的規(guī)律相一致。因此，可以通過反光板的角度調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照強度。

（4）由圖2、圖3的數(shù)據(jù)對比可知，當(dāng)反光板外轉(zhuǎn)或水平時，采光均勻度增加，而反光板內(nèi)轉(zhuǎn)時，采光均勻度減小，但是整體光照總量增加。因此，利用反光板角度的變化，也可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的照度均勻度。

3 結(jié) 論

資料分析、教室實地測量和模擬裝置實驗表明，利用太陽能電池板制作反光百葉窗進行教室采光改造，能夠使教室內(nèi)的光照強度與均勻度得到較大改善，具有實用性強、經(jīng)濟性好、環(huán)保效果好的特點，值得進一步深入研究。下一步將進行多時段、模擬多種天氣狀況的實驗，以了解各種情況下該裝置對教室采光的影響。

參考文獻：

[1] 趙 華.教學(xué)建筑自然采光研究[D].天津：天津大學(xué)建筑學(xué)院，2010：84-87.

[2] 李春會.廣州市中小學(xué)教室采光照明現(xiàn)狀分析[J].中國學(xué)校衛(wèi)生，2008，（5）：461-462.

[3] 黃 翀，歐陽艷東.教室采光及照度的測量與分析[J].汕頭大學(xué)學(xué)報，2001，（2）：20-25.

[4] 戴立飛，高 輝.反光板在建筑自然采光中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2007，（12）：54-57.

[5] 任國輝，王立雄.反光板與反光玻璃對改善教室天然采光均勻度的作用[D].天津：天津大學(xué)建筑學(xué)院，2010：113-115.