陳海洋 王詩(shī)瑩 滕海坤

摘要：文章以免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法為研究對(duì)象，首先簡(jiǎn)單介紹了免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)研究的必要性，隨后探討了免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，最后結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，分析了該方法的效果，結(jié)果表明，該實(shí)現(xiàn)方法有著良好的效果與可行性。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：免跟蹤;陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)方法

前言：

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重、能源日益緊張的今天，如何加強(qiáng)綠色能源應(yīng)用，提高能源利用率已經(jīng)是人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。而太陽(yáng)能作為一種典型的綠色能源，能夠用于照明，但傳統(tǒng)陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)需要應(yīng)用自動(dòng)跟蹤裝置，不僅成本高，而且故障率也居高不下，難以滿足陽(yáng)光照明需要，因此加強(qiáng)對(duì)免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)研究就顯得尤為重要。

一、免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)研究必要性

在當(dāng)前居民日常生活中，太陽(yáng)能能源應(yīng)用已經(jīng)是一種司空見慣的能源應(yīng)用方式，比如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能電燈。而在照明領(lǐng)域，則是太陽(yáng)能能源重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。在實(shí)際應(yīng)用過程中，太陽(yáng)能能源應(yīng)用包括兩種方式，一是借助太陽(yáng)能電池板發(fā)電，再將電能轉(zhuǎn)化光能[1];還有一種是直接采集太陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)照明需求。比如陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)便是這種直接采集太陽(yáng)光照明的重要典型，相較于第一種照明應(yīng)用方式，這種照明應(yīng)用更加綠色環(huán)保，且能量損失較小，在地下車庫(kù)、展覽館等場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。

二、免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

（一）實(shí)現(xiàn)方法

一個(gè)完整的免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)，主要由以下幾種裝置構(gòu)成：一是集光器，負(fù)責(zé)陽(yáng)光的采集工作，提高光功率的密度;二是濾光片，負(fù)責(zé)進(jìn)行濾光，主要過濾的是陽(yáng)光中有害的紫外線與紅外線;三是陽(yáng)光接收平面及光纜，主要負(fù)責(zé)陽(yáng)光的接收與傳輸;四是漫射器，主要負(fù)責(zé)陽(yáng)光的出射，使陽(yáng)光能夠均勻投射至照明區(qū)域，滿足自然光照明需求。

在整個(gè)免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)中，加強(qiáng)陽(yáng)光的采集非常重要。眾所周知，空中的太陽(yáng)是始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，因此在不同時(shí)段，太陽(yáng)的方位角、光照角度會(huì)各不相同，因此為確保集光器能夠采集更多陽(yáng)光，本系統(tǒng)集光器選擇了分布式布局方式，并分散配置有多個(gè)集光器，每個(gè)集光器主要負(fù)責(zé)1小時(shí)時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)光采集，同時(shí)其他集光器起到一定的輔助作用。在一天之中，早上八點(diǎn)半至下午三點(diǎn)半，是陽(yáng)光最強(qiáng)烈的時(shí)段，以每小時(shí)為1個(gè)時(shí)段，本系統(tǒng)根據(jù)這七個(gè)時(shí)段，設(shè)置了7個(gè)集光器，讓每個(gè)集光器對(duì)正整點(diǎn)時(shí)刻太陽(yáng)位置，從而能夠保障在上述七個(gè)時(shí)段內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)自然陽(yáng)光采集照明。

以太陽(yáng)赤緯角計(jì)算公式為依據(jù)，我們可以順利而推導(dǎo)出在任意時(shí)刻下，太陽(yáng)的高度角與方位角。具體公式如下：

在上述公式中，代表的是太陽(yáng)赤緯角，代表的是年序日，代表的是太陽(yáng)高度角，代表的是觀測(cè)點(diǎn)維度，代表的是時(shí)角，代表的是太陽(yáng)方位角。

集光器在進(jìn)行陽(yáng)光采集時(shí)，針對(duì)其入射面的法線，我們可用表示，用表示太陽(yáng)方位角，那么想要求出在任意時(shí)刻下，太陽(yáng)光對(duì)集射器的入射角，需要采用以下公式：

當(dāng)各個(gè)集光器對(duì)準(zhǔn)各自整點(diǎn)時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)，我們可以根據(jù)（4）式，計(jì)算出集光器的各個(gè)入射角。從計(jì)算結(jié)果來看，入射角在光軸左側(cè)與右側(cè)各呈7.26°變化。在前后半小時(shí)內(nèi)，每個(gè)集光器入射角度對(duì)稱相等。而當(dāng)垂直入射匯聚透鏡時(shí)，受該鏡子折射影響，光先會(huì)在光軸上進(jìn)行聚集，加上光線的入射角為，透鏡焦距為，那么光斑在焦平面之上，所偏離的光軸距離可采用以下公式計(jì)算：

以菲涅爾透鏡為例，該鏡子的透鏡焦距為350mm，通過上文計(jì)算可知入射角為7.26°，那么根據(jù)（5）公式，可計(jì)算出光斑在焦平面之上所偏離的光軸距離等于44.6mm。而太陽(yáng)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)軌跡呈半圓形，那么在1h以內(nèi)，伴隨著入射角的不斷變化，在整個(gè)接收平面之上，光斑幾乎一直在沿著直線移動(dòng)，因此可選擇在該平面內(nèi)的直線移動(dòng)范圍內(nèi)，直接鋪滿光纖，那么就能夠在一天太陽(yáng)光最強(qiáng)的七個(gè)時(shí)段，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光免跟蹤充分導(dǎo)入。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，采用了光學(xué)軟件，構(gòu)建了一個(gè)子模型。該模型具體參數(shù)如下：菲涅爾透鏡半徑，光纜孔徑，透鏡焦距，芯徑為10mm，長(zhǎng)2000mm，芯材采用了材料。伴隨著角度變化，改變光纜位置。在透鏡的后330mm位置處，放置接收平面離焦，在探測(cè)器放置上，則分別選擇在光纜射出端、接收平面以及光纜射出后的500mm位置處進(jìn)行放置。從仿真結(jié)果來看，伴隨著入射角度的不斷變化，會(huì)聚光斑會(huì)逐漸地遠(yuǎn)離光軸，此時(shí)，光斑的尺寸逐漸降低，菲涅爾透鏡的透鏡率也在不斷的降低，但在光纜的出射端，光通量依然能夠維持比較高的水平。

總結(jié)：

綜上所述，傳統(tǒng)的陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)需要采用陽(yáng)光跟蹤裝置，確保隨著太陽(yáng)移動(dòng)，采集到最佳大陽(yáng)光，才能保證室內(nèi)光照，為達(dá)到這一目的，需要耗費(fèi)的成本較高。因此文章設(shè)計(jì)了一種免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，能夠?qū)崿F(xiàn)免跟蹤陽(yáng)光導(dǎo)入，有效解決了上述問題。

參考文獻(xiàn)

[1]王念舉. 光纖式陽(yáng)光導(dǎo)入照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 天津大學(xué)， 2016.

作者簡(jiǎn)介：陳海洋，（1997年01）男，漢族，籍貫：貴州省大方縣，學(xué)歷：大學(xué)本科。

王詩(shī)瑩（1985- ），女，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，博士，為本文通訊作者。

項(xiàng)目名稱：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）