太阳追踪光纤导光室内照明系统

摘要

随着太阳光用于室内照明技术的蓬勃发展，如何降低成本与提高太阳能的耦合效率一直是研究人员的重点。在太阳光用于照明的技术中，尤其是光纤导光室内照明技术具有更深远的发展潜力，此照明方式不存在光电转换技术中太阳电池效率低、成本高以及污染等问题，直接把洁净、健康的太阳光线导入室内进行照明，不仅大大减少了照明能耗，且人足不出户就能沐浴在纯净天然的阳光下，对我们的生活具有深远的意义。
　　 本文设计了一个实验性太阳追踪光纤导光室内照明系统，并对追踪器、聚光器、传光系统以及室内光的还原进行了详细的设计与分析。通过高精度的太阳追踪器对太阳实时追踪，使聚光器能够实时接收直射的太阳日照来获得高能量的光强。聚焦后的太阳光在滤除了有害射线后通过传光系统导入远端的室内进行照明。
　　 本文设计的太阳追踪器为基于GPS的视日运动轨迹跟踪和四象限硅光电池光电跟踪校准的闭环跟踪太阳方式。追日方式以单片机芯片中的程序计算太阳轨迹，四象限硅光电池进行位置校准，并利用步进电机来驱动齿轮组以达到高精度控制的目的。
　　 聚光器部分中主要介绍了目前工程中经常使用的凸透镜、菲涅尔透镜、卡塞格林三种聚光器，比较了它们的性能和优缺点，选出了本系统中使用的聚光器为菲涅尔透镜。
　　 目前太阳导光的传光系统主要是光纤和导光管，介绍了光纤和导光管的导光原理，并对它们的性能进行了分析，最后我们选择14芯塑料光缆作为本文的传光系统。
　　 太阳光经过菲涅尔透镜聚焦、光纤导光进入室内后，在光缆出光端的光强很亮且出射角小，达不到室内照明的效果，因此需要对太阳光进行还原。目前对光的还原主要有光纤尾端熔化法和散射器散射法，通过分析这两种方法，本文选择散光器散射法，这样即可扩散出光端的散射范围，同时还美化了环境，给人舒适的视觉效果。此方法可以根据我们的需要把光线引到任何需要照明的地方。
　　 太阳追踪光纤导光照明系统设计完成后，对本文设计的光纤导光室内照明系统进行了追踪太阳精度性能的测试、聚光性能的测量、光缆的耦合效率的测量以及滤热片性能的测试。追踪太阳精度测试前需要水平仪进行水平方向的定位，指南针进行正南方向的定位。实验表明:所研究的太阳追踪光纤导光室内系统，其跟踪器转动精度高、工作稳定性好、太阳能耦合效率高，大致符合设计目标。