太陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王詩(shī)瑩 陳海洋 張文瀚

摘要：基于“TRIZ”創(chuàng)新思維理論，本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)一個(gè)集光、電、機(jī)于一體的全自動(dòng)裝置。白天，采集子系統(tǒng)光盤中的光學(xué)透鏡將大陽(yáng)光聚集提升光強(qiáng)，導(dǎo)入至傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)降叵率遥ㄟ^(guò)輸出照明器件將光釋放發(fā)散，從而達(dá)到照明的效果;另一方面，儲(chǔ)存子系統(tǒng)中的太陽(yáng)能電池吸收光能，并將其轉(zhuǎn)化成電能，通過(guò)控制電路，從而儲(chǔ)存在蓄電池中。晚上，蓄電池中的電能由導(dǎo)線傳遞至高亮度LED節(jié)能燈。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，硬件技術(shù)，軟件技術(shù)，現(xiàn)狀探析

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活得到了很大的改善，同時(shí)隨著地下室和地下商場(chǎng)的增多，這就使得人們渴望有一種東西，能夠?qū)⑹彝獾年?yáng)光導(dǎo)入地下室和室內(nèi)等地方，從而改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鳝h(huán)境，在不走出室內(nèi)的情況下就能感受陽(yáng)光的照射，并且還能將陽(yáng)光中有害的成分給去除掉，在室內(nèi)就能感受到溫暖而無(wú)害的陽(yáng)光，使生活質(zhì)量得以提高。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑵潢?yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)，并且設(shè)計(jì)得有陽(yáng)光追蹤和有害光隔離系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)不會(huì)由于太陽(yáng)轉(zhuǎn)移而減弱強(qiáng)度，同時(shí)還能隔離陽(yáng)光中對(duì)人體有害的成分。

2現(xiàn)狀與分析

太陽(yáng)光導(dǎo)入器采用透鏡集光+光導(dǎo)纖維的傳送方式，去除太陽(yáng)光光譜中的有害成分后導(dǎo)入到室內(nèi)。太陽(yáng)光導(dǎo)入器的核心技術(shù)有：陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，GPS（全球定位系統(tǒng)）定位，凸透鏡聚焦（可提升陽(yáng)光照度1.5萬(wàn)倍），光纖導(dǎo)入陽(yáng)光（將陽(yáng)光轉(zhuǎn)彎傳輸，可送達(dá)任何位置），頻譜分離對(duì)人體有害陽(yáng)光。它不受房子與窗戶的方位以及太陽(yáng)的照射角度等條件影響，整日都可以穩(wěn)定的收集太陽(yáng)光，并且能耗低。美、日、英、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已研制出了太陽(yáng)光導(dǎo)入器成品，并已推向民用消費(fèi)市場(chǎng)。我國(guó)雖然在這個(gè)領(lǐng)域剛剛起步，但生產(chǎn)制造、市場(chǎng)銷售前景廣闊，期待我國(guó)企業(yè)可以早日跟上國(guó)際發(fā)展的步伐。

太陽(yáng)光導(dǎo)入技術(shù)現(xiàn)狀：

（1）光導(dǎo)纖維技術(shù)得到突破性發(fā)展，現(xiàn)已研制出高純大直徑石英光導(dǎo)纖維，陽(yáng)光傳輸3km以上僅有0.001%的衰減。

（2）GPS和陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展，使得在不同經(jīng)緯度都能收集到太陽(yáng)光。并能確保在一年時(shí)間內(nèi)讓室內(nèi)獲得太陽(yáng)光照射的平均時(shí)長(zhǎng)達(dá)到10小時(shí)及以上。

（3）太陽(yáng)光光譜分離技術(shù)可將有害射線去除，實(shí)現(xiàn)了引入清潔、安全、健康、舒適陽(yáng)光功能。

（4）太陽(yáng)光聚焦技術(shù)發(fā)展，可將陽(yáng)光照射度提高1.5萬(wàn)倍。

（5）太陽(yáng)光室內(nèi)照射技術(shù)獲得突破，現(xiàn)已有幾十種各用途的照射器具，實(shí)現(xiàn)了多方位、多功能、多用途照明，滿足用戶的不同需求。

3設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)能：該系統(tǒng)所利用的能源屬于可再生能源，從而減少了對(duì)煤和石油等不可再生能源的使用。并且太陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)可取代白天的電力照明，無(wú)能量損耗，節(jié)約能源，創(chuàng)造效益。

環(huán)保：照明光源為自然光線，和常規(guī)使用的電力照明相比，太陽(yáng)光照明時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二氧化硫和一氧化氮等有害氣體，不會(huì)影響空氣質(zhì)量，并且不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，能一定程度的減緩溫室效應(yīng)現(xiàn)象。還可分離太陽(yáng)光中有害光線，濾除輻射。采光柔和、均勻，光照強(qiáng)度可以根據(jù)個(gè)人需要而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，全頻譜、無(wú)閃爍、無(wú)眩光、無(wú)污染，最大限度地保護(hù)使用者的身心健康。

健康：科學(xué)研究證明，自然光線照明具有更好的視覺(jué)效果和心理作用，并且有益于改善室內(nèi)環(huán)境，增強(qiáng)人體健康。

時(shí)尚：是目前國(guó)內(nèi)外普遍推崇的一種綠色健康、節(jié)能環(huán)保的新型照明系統(tǒng)。

4工作原理

采用了透鏡集光+光導(dǎo)纖維的傳送方式，將太陽(yáng)光去除光譜中的有害成分后導(dǎo)入到室內(nèi)。太陽(yáng)光導(dǎo)入器的核心技術(shù)有：GPS（全球定位系統(tǒng)）定位、陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤、凸鏡聚焦（可提升陽(yáng)光照度1.5萬(wàn)倍）、有害陽(yáng)光頻譜分離、光纖導(dǎo)入陽(yáng)光（將陽(yáng)光轉(zhuǎn)彎傳輸，可送達(dá)任何位置）。

4.1集光器

系統(tǒng)最主要的部分收集太陽(yáng)光的裝置--集光器。集光器是由日本來(lái)福瑞公司生產(chǎn)的太陽(yáng)集光器，外觀形似向日葵，故也稱向日葵系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)追蹤一天中太陽(yáng)光最好的時(shí)刻，并對(duì)紫外線及有害射線進(jìn)行過(guò)濾，太陽(yáng)光的聚焦耦合等功能。

4.2亞克力球罩：

能夠?qū)?nèi)部聚光組件進(jìn)行良好的保護(hù)，同時(shí)特殊的球形結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自凈功能，尤其在黑河這個(gè)冬夏分明的地方，冬-不落積雪，夏-不聚雨水。高透光性能夠更大限度的實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)光的采集，同時(shí)特殊的外層材質(zhì)也能對(duì)陽(yáng)光的紫外線進(jìn)行一級(jí)過(guò)濾。

4.3傳感器：

聚焦鏡中部安裝有光感元件，再配合GPS定位系統(tǒng)的初步定位后，使得對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行精確的定位追蹤，使集光器能夠?qū)崟r(shí)采集最強(qiáng)烈的眼光，提高采集效率和最終的光照強(qiáng)度。

4.4聚光組件

是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的部分，也是最精密的部分。通過(guò)控制耦合端面與透鏡焦點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外線的過(guò)濾。

4.5傳導(dǎo)裝置：

所用的傳導(dǎo)裝置就是導(dǎo)光光纖。光纖本身的導(dǎo)體是由玻璃材料（）抽絲制成，他的傳輸是利用光經(jīng)由高折射率的介質(zhì)，以高于臨界角的角度進(jìn)入低折射率介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生全反射原理，讓光在介質(zhì)中能夠維持光波形的特性進(jìn)行傳輸。

導(dǎo)光光纖主要應(yīng)用于傳導(dǎo)太陽(yáng)光進(jìn)行照明，因此為了獲得足夠多的陽(yáng)光傳輸，芯徑的尺寸要大，同時(shí)考慮光纖的彎曲性，耐高溫性、抗沖擊、抗拉伸并且還要考慮到成本。

5總結(jié)

太陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)有助于合理利用自然資源，讓廉價(jià)的太陽(yáng)能資源充分發(fā)揮出它的效能，并減少有害氣體和溫室氣體的排放，營(yíng)造出一個(gè)綠化的社會(huì)，其具有廣闊的應(yīng)用前景，具有一定的理論意義和實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1]高知林，潘志安，秦華旺，謝鑫.智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020（33）：28-29+31

收稿日期：2021-07-28

基金項(xiàng)目

黑龍江省2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201913744006）

作者簡(jiǎn)介

王詩(shī)瑩（1985-），女，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，博士。