光導太陽能照明教學演示裝置研制

朱偉華, 田 磊

(吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021)

光導太陽能照明教學演示裝置研制

朱偉華, 田 磊

(吉林電子信息職業技術學院, 吉林 吉林 132021)

為了節約能源,增強學生環保意識,設計了一套新型光導太陽能自動照明系統。該系統由控制系統實現室內照明,日間使用自動追光的光導材料對室內進行照明,夜間使用日間太陽能板給蓄電池的儲能提供LED照明。太陽能電池同時為日間自動追光裝置提供能源。介紹了系統組成和使用效果。

演示裝置； 太陽能照明； 自動照明； 單片機

火力發電、石油和煤炭燃燒會排放大量的污染性氣體[1-3]。隨著人類社會的發展,建筑用地日益緊張,很多商場、車庫修建在了地下,白天也需要照明,耗費大量電能[4]。太陽能作為一種清潔無污染的能源,發展前景非常廣闊,然而它也存在著密度低、間歇性、空間分布不斷變化的問題,這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求[5-7]。太陽能發電目前主要有兩種途徑,一種將太陽輻射轉換為熱能,然后將熱能轉化為電能,另一種是通過光電器件直接將太陽能轉為電能[8-9]。本實驗裝置由第二種思路啟迪,設計了新型光導太陽能自動照明系統,利用光導技術將太陽光引到地下車庫等場所,白天直接應用太陽光,夜間由太陽能發電儲能裝置向LED照明系統提供電能。

該裝置的研制,一方面對節能減排具有重要意義,另一方面在教學中作為教具,對嵌入式、計算機應用等專業學生的實踐創新能力培養扮演著重要角色。

1 裝置設計

1.1 光導照明系統組成

光導照明是一種特殊的照明技術,它可以將日光源或人工光源發出的光從一處傳輸到另一處,并根據照明需要進行光的重新分配。光導照明系統都是由光導入裝置、光傳輸裝置和光輸出裝置3個主要部分組成[10]。

本設計的光導部分由自動追光的集光器、濾光片、光導管、散射器等部分組成。根據其工作原理,集光器可以分為主動和被動式兩種,前者可以更充分地利用太陽直射光提高采光效率,本實驗采用自動追光集光器(見圖1)。自動追光集光器由集光器、光敏傳感器、電動機、單片機、濾光片等部分構成。光敏傳感器感應太陽光,將信號傳輸給單片機,由單片機控制電機進行轉動,從而調節集光器的位置以使太陽光更大程度進入光導管內部。

導光方式：利用光導管內表面的多次反射進行光的傳輸,該系統的總傳光效率與內表面反射率、入射光的光束角、光導管尺寸與形狀等相關。本實驗的光導管是非金屬有縫型,這種光導管在一定照度和均勻度條件下,能夠節約電能、減少安裝和維護費用。

太陽光在進入光導管前先經過濾光片,將波長小于420 nm的紫外光濾去,這樣可以減少紫外光對人體的危害。光線在光導管內部經過多次反射,將光線傳輸到光導管的末端,在末端經過散射器將光線散射成多方向的光,有利于增大照射面積。光導管采用鍍有反射膜的片狀玻璃(見圖2(a))拼合成6棱柱空心結構(見圖2(b)),反射膜的反射效率為95%。

圖1 自動追光集光器示意圖

圖2 光導管結構

1.2 太陽能發電部分

設計時考慮到太陽位置的改變,采用了集光罩-太陽能電池板一體結構,一起通過光敏傳感器檢測太陽位置來調整方向,實現輻射效率最大化。

太陽電池板將所發電能貯存在鋰聚合物電池中(首次使用前已充滿,對控制電路和電機供電),在夜間無光照條件下,光敏傳感器接受光強度減低,將信號傳輸給控制電路,控制電路將自動追光裝置還原到初始位置,同時打開LED照明系統,實現夜間自動照明(有聲控裝置,以節約能源)。

1.3 工作原理

該裝置以ARM單片機[11-12]為核心。工作原理：

(1) 打開電源開關,接通鋰聚合物電池,追光裝置自動復位,還原到初始位置；

(2) 光敏傳感器接收光照,將信號傳輸給控制單元,控制單元給出移動信號,電機運行,調整追光裝置位置；

(3) 光線經集光器傳輸,反射鏡將入射光線反射通過濾光片進入光導管,光線在光導管內經多次反射,到達散射器,提供照明；同時,光線照射太陽能電池板,電池板將光能轉化成太陽能儲存在鋰聚合物電池里；

(4) 夜間無光照時,控制系統將追光裝置復位,打開LED照明系統。

2 原理部分和實物圖

硬件由分布式光強采集模塊,光強數據模糊處理模塊組成,前者包括光強智能傳感器、AD轉換模塊組成。光強智能傳感器把采集的數據傳輸給控制器,控制器對其進行處理,由觸屏的顯示器進行手動控制。硬件設計效果見圖3。

光敏電阻是利用半導體的光導效應制成的一種電阻器,它的阻值隨著入射光的強弱變化而改變,其對光的敏感性與人眼對可見光的響應很接近,只要人眼可感受的光,都會引起它的阻值變化。本實驗選用3個光敏電阻,相關實驗表明光敏電阻越多,精度就越高,效果也明顯。

本設計使用鋰聚合物電池作為儲能元件,實驗的采集量較小,完全符合實驗要求。儲能元件對LED燈有直接供電方式,其電壓必須符合燈的額定電壓。儲能元件的特點是能量高、壽命長、自放電少、工作電壓高、無記憶效應、對環境無污染。

本裝置的控制部分見圖4。本系統可以使用自動控制模式,也可以用觸摸式顯示器手動控制,處理時間短,占地面積小。本系統對白天和夜間運行狀態有明顯的顯示。白天使用自動追光的光導材料對室內進行照明,夜間使用日間太陽能板給蓄電池的儲能提供LED照明。

圖3 實驗硬件設計效果

圖4 控制裝置及顯示界面

照明裝置,實驗選用4個發黃光的LED燈(見圖5)對模擬地下車庫進行照明,LED燈的特點是質優、耐用、節能,可以為本系統提供長時間照明。

本裝置總體控制框圖見圖6。

3 實踐效果

本裝置的研制過程得到吉林市科技發展計劃項目和吉林省教育廳項目的支持,研制過程中充分發揮了

圖5 照明系統

圖6 總體控制框圖

指導教師、科研團隊、學生的合作創新能力。在研制過程中，教師、學生的設計和實踐動手能力都有很大的提高。本裝置已經申請了發明專利和軟件著作權。

該裝置研制完成后,在嵌入式專業、計算機應用專業、軟件專業等班級的教學中試用,以項目化教學的方式提升了學生的動手實踐能力和科研創新意識,讓學生更好地理解、接受知識點。

4 創新點及應用

(1) 適用于需要日間照明的場所以及普通家庭照明體系的節能改造。

(2) 操作和控制簡便。

(3) 整個系統在日照充足的條件下不需外接電能就能滿足日常照明的需求,最大限度節約了電能。

(4) 光導照明減少了燈光對人體帶來的負面影響,有利于身體健康。

在全國大中城市、地下商場和地下車庫等場所日間照明耗電量大,使用本系統可大量節約能源,家庭用戶使用也可以節約大量照明用電,系統建設簡單快捷,因此應用前景很廣。

References)

[1] 馬利君.火電廠脫硫技術探討及脫硫脫硝一體化發展趨勢[J].中國新技術新產品,2016(1):162.

[2] 尹坤, 姜蕤.煤炭燃燒的大氣污染及相關解決途徑分析[J].科技展望,2016(3):257.

[3] 周國江, 呂玉庭, 高振森,等.顆粒配煤及添加劑對燃煤煙氣的影響[J].潔凈煤技術,2001,11(1):41-42.

[4] 李建樹.光導照明系統在高速公路短隧道中的應用[J].公路機電工程,2016(3):126-128.

[5] 寇鳳海.太陽能發電技術的研究進展[J].水利與電力,2015(28):83.

[6] 郎豐饒.鋰電池發展現狀及應用研究[J].統計與管理,2015(8):92-93.

[7] 陶占良,陳軍.智能電網儲能用二次電池體系[J].科學通報,2012,57(27):2545-2560.

[8] 吳延鵬,馬重芳.采集太陽光的光導管照明技術在建筑室內的應用[J].裝修裝飾,2011,10(1):82-83.

[9] 關根志,雷娟,吳紅霞,等.太陽能發電技術[J].水電與新能源,2013(1):6-9.

[10] 王凡,龍惟定.太陽能光導管采光技術應用現狀和發展前景[J].建筑科學,2008,24(8):109-111.

[11] 朱偉華,周文殊. 基于4G技術的智能農業小氣候監測系統[J].實驗技術與管理,2016，33(4)：82-85.

[12] 李文進, 韓曉萍. ARM平臺在嵌入式遠程數據采集系統中的設計與實現[J].繼電器,2006,34(5):64-67.

Research and development on teaching demonstration device of light-guided solar lighting

Zhu Weihua, Tian Lei

(Jilin Technology College of Electronic Information, Jilin 132021, China)

In order to save energy, and enhance the students' awareness of environmental protection , a new automatic light-guided solar lighting system is designed. The indoor lighting during the daytime is realized by the control system, the optical materials of the automatic light tracking are used during the daytime for indoor lighting, and the stored energy during the daytime in the storage battery from the solar panel is used to provide LED lighting at night. At the same time, the solar energy battery provides energy to the automatic light tracking device during the day. The system composition and application effect are introduced.

demonstration device; solar energy lighting; automatic lighting; microcontroller unit(MCU)

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.019

2016-06-13

吉林省教育廳十三五科技項目(吉教科合字【2016】第108號)；吉林市科技發展計劃資助項目(2015334004)

朱偉華(1976—)，男，吉林省吉林市，碩士，副教授，主要從事通信技術、嵌入式開發技術應用.

G484；TK513

: A

: 1002-4956(2016)12-0072-03