基于智能調光的光纖導光照明系統設計

孫友明++黎相成+沈曉明++韋以明

摘 要： 為了更好地利用太陽能資源，提出一種基于智能調光的光纖導光照明系統設計方案。通過對集光器進行優化設計、采用兩級定位跟蹤模式來提高太陽自動跟蹤器的跟蹤精度等措施，系統能最大程度地將太陽光導入到光纖以提高系統的光利用率；同時，通過提高跟蹤器的跟蹤穩定性和增設智能調光功能等措施，使之能克服天氣多變、跟蹤抖動等因素所導致的光強波動問題，系統的光強穩定度得到了提高。實驗測試表明，系統可以獲得較好的照明品質，具有一定的應用推廣價值。

關鍵詞： 太陽能； 光纖導光； 智能調光； 太陽自動跟蹤

中圖分類號： TN818?34； TK519 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0097?04

Abstract： In order to better utilize the solar energy resource， a design scheme of fiber light transmitting illumination system with intelligent dimming function is proposed. The system can import the sunlight into the optical fiber to the maximum extent to improve its light utilization efficiency by means of the optimal design for optical collector， and two?stage positioning and tracking mode for improvement of tracking accuracy of sun auto?tracking device. The improvement of the tracking stability of tracker and addition of the intelligent dimming function can make the system overcome the light intensity fluctuation caused by changeable weather and tracing shake， and improve the stability of light intensity. The experimental results show that the system can obtain high illumination quality， and has a certain application and promotion value.

Keywords： solar energy； fiber light transmitting； intelligent dimming； sun auto?tracking

0 引 言

目前，人類對太陽能的利用主要集中在將其轉化為電能和熱能上，而太陽光導入技術為人類合理利用太陽能資源開辟出新的途徑[1]。太陽能光纖導光照明通過光纖傳輸與分配后，直接將太陽光導入到室內需要光照的地方，得到由自然光帶來的特殊照明效果，是一種綠色健康、節能環保的新型照明產品，它徹底改變在建筑物中僅利用門窗、天窗等被動低效利用自然光的傳統做法，使面北房間、陰暗房間以及地下室也能得到陽光的照耀，尤其是在易燃易爆、需要水電隔離等照明場合，有其特殊應用價值。隨著光纖材料成本的降低，特別是聚合物光纖的出現及其導光性能的提高，太陽能光纖導光照明開始得到了應用推廣[2?4]。

然而，在實際應用中，集光器和跟蹤系統的跟蹤精度往往會影響光線聚焦光斑和光纖端面之間的耦合度，從而降低太陽光導入量，造成光強損失。而天氣多變、跟蹤抖動等因素，容易導致照明燈具處光照強度波動，從而影響系統的照明效果，進而影響其進一步推廣應用，使之僅限于應用在一些對照明品質要求不高的場合。

基于此，本設計通過合理選擇菲涅耳透鏡和圓臺筒的尺寸、采用漏斗型光纖固定器并在其內側進行拋光處理和附上高反射率的涂層等措施來對集光器進行優化設計；在雙軸太陽自動跟蹤器中，定位傳感器采用兩級定位模式以提高其跟蹤精度，從而使系統能最大程度地將太陽光導入光纖以減少光強損失，有利于提高系統的光利用率。同時，系統采用諧波減速器來進一步提高太陽自動跟蹤器的跟蹤穩定性，并增設光強調節器和輔助光源。光強調節器可根據外界光強的變化實時動態地調節輔助光源，使總體光強保持穩定，則系統具有光強自動調節功能，可讓用戶在使用過程中感覺更舒適，從而提升照明品質和應用推廣價值。

1 系統結構及工作原理

基于智能調光的太陽能光纖導光照明系統主要由集光器2、玻璃罩3、雙軸太陽自動跟蹤器、傳光光纖205、智能調光控制器905、帶輔助補償光源的照明燈具9等部件組成，其系統結構示意圖如圖1所示。

1.1 集光器

集光器主要由菲涅耳透鏡201、圓臺筒202、濾光片203和漏斗型光纖固定器204等構成，其結構示意圖如圖1所示。其中，菲涅爾透鏡安裝在圓臺筒的頂部，漏斗型光纖固定器連接在圓臺筒的底部中心，濾光片安裝在光纖固定器的進光口端面處，導光光纖安裝在漏斗型光纖固定器里面，其入射端面置于聚光透鏡焦點處。太陽光束通過菲涅耳透鏡聚光后，先經濾光片過濾，再通過導光光纖傳輸到室內照明燈具處進行照明。

經過濾光片過濾后的光線聚焦光斑和光纖端面需要進行高精度對焦，以使兩者之間獲得較好的耦合度，從而使會聚后的太陽光最大程度地導入光纖以減少光強損失。為此，需要合理選擇菲涅耳透鏡和圓臺筒的尺寸，使得投射到光纖端面的入射光光斑不大于光纖的孔徑，以實現聚焦光在光纖內的全反射傳輸。漏斗型光纖固定器的內側進行拋光處理并附有高反射率的涂層，在實際使用中，當跟蹤精度有微小的偏差或波動時，能使會聚后的太陽光最大程度地導入光纖中，從而可以使照明燈具處的光強更加穩定。

1.2 傳光光纖

傳光光纖安裝在漏斗型光纖固定器里面，其入射端面置于聚光透鏡焦點處。傳光光纖可以采用石英光纖，其優點是傳輸距離遠、損失少、使用壽命長，但價格貴。目前市場上已經出現一種聚合物光纖的新材料，它具有易彎曲、芯徑大、易連接、價格便宜等優點[5]。因此，在本設計中采用聚合物光纖。

光線聚焦光斑入射聚合物光纖之前，應先通過濾光片進行處理，將太陽光中的紅外線和紫外線進行過濾，使聚焦光斑的溫度在聚合物光纖可承受的溫度范圍內，從而有利于延長聚合物光纖的使用壽命和得到綠色健康的照明。

1.3 智能調光控制器

在實際使用中，由于天氣多變、跟蹤抖動等因素，經傳光光纖傳輸至照明燈具處的光照強度會產生波動，從而降低了系統的照明效果。為此，在系統中增設智能調光控制器和輔助補償光源，系統具有光強自動調節功能。在本設計中采用LED光源作為輔助補償光源。

當外界光強波動時，調光控制器可根據外界光強的變化實時動態地調節輔助補償光源的光強，使總體光強保持基本穩定，從而獲得好的照明效果；在陰雨天光線很弱等情況下，輔助光源照明和太陽能光纖導光照明還可以自動進行相互切換，實現在陰雨天光線很弱等情況下的照明。

1.4 雙軸太陽自動跟蹤器

雙軸太陽自動跟蹤器主要用于實時跟蹤太陽，實現集光器最大限度地收集陽光。其主要由定位傳感器1、集光器固定支架5、俯仰角/方位角步進電機及諧波減速結構（4，8）、底座固定支架6和跟蹤控制器7等組成。

對于本文所設計的光纖導光照明系統，為了保證光線聚焦光斑和光纖端面之間獲得較好的耦合度以使太陽光聚焦后能最大程度地導入光纖，則要求跟蹤系統具有較高的跟蹤精度[6]。為此，定位傳感器采用粗定位和精定位兩級定位模式，其俯視圖如圖1所示。其中定位傳感器外部四個方向的硅光電池（101，103）分別用于控制水平和垂直方向的旋轉角度，實現對太陽進行粗定位；而定位傳感器內部的陣列式感光傳感器102用于對太陽進行精定位，可將聚焦點盡可能地對準到中心位置上。在跟蹤過程中，聚焦光斑與光纖端面對焦過程中發生微小偏差或波動，會導致室內照明燈具處的光強衰減或波動，從而降低照明品質，因此要求跟蹤系統具有較高的穩定性。為此，系統采用了具有精度高、傳動平穩等優點的諧波減速器[7]作為傳動機構。

2 智能調光控制器硬件設計

在本設計中，輔助補償光源和智能調光控制器設置在照明燈具處，其結構示意圖如圖1所示。在照明燈具的漫射裝置902里側中心處放置光敏傳感器901，其用于檢測光強；在導光光纖904出光口的周圍環形布置一定數量的LED燈903，作為輔助補償光源。同時，根據不同的要求選擇不同的漫射裝置來進行封裝，用于均勻、柔和地將混合光線漫射至室內，以獲得更好的照明效果。智能調光控制器硬件框圖如圖2所示，主要包括電源電路、LED驅動電路、光強采樣電路、調光控制電路等模塊電路。其中電源電路由開關穩壓電源、二次濾波電路（20 V輸出）、單片機電源電路（5 V輸出）組成，分別給LED驅動電路和調光

控制電路提供電源。

調光控制器基于脈寬調制（PWM）技術，通過控制PWM信號輸入占空比來控制電流，從而實現光強的調節。PWM調光具有調光精確度高、調光范圍廣、不易產生色譜偏移等優點[8?9]。

在本設計中，采用PIC16F877單片機作為控制器，PIC16F877單片機內嵌功能比較多，具有ADC，PWM和看門狗定時器等多種功能，且抗干擾性強，保密性好。基于單片機PIC16F877A的調光控制電路如圖3所示。其中光敏電阻R4和電阻R3構成光強采樣電路，當導入的光線強度變化時，光敏電阻的電阻值變化，變化的電壓值作為一控制信號，指示調光控制器增強LED燈的亮度。在夜間或陰雨天光線很弱的情況下，則通過切換改由LED直接進行照明。通過串聯4只3 W的LED作為輔助補償光源，選用PT4115作為LED的驅動芯片。PT4115芯片內置功率開關，通過DIM引腳可以接收很寬范圍的PWM調光，效率高[10]。基于PT4115的LED驅動電路設計如圖3所示。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS1決定，通過在DIM管腳加入可變的占空比的PWM信號就可以調節輸出電流以實現調光。在本設計中，選取5 V為信號高電平，設置最大平均電流為680 mA，RS1=0.142 8 Ω，選取電感值。

3 智能調光控制器軟件設計

調光控制器的軟件設計部分是以PIC16F877A單片機為控制核心，主要負責光強信息的A/D采樣，并通過PID算法產生PWM增量調節PWM控制寄存器，產生PWM信號送往LED驅動器使得LED光強變化。A/D采樣結果作為PID模塊的入口參數，本設計中采用的是PIC16F877A自帶的ADC模塊，并使用查詢方式采樣取值。其系統設計主流程圖如圖4（a）所示。

PWM程序模塊的設計流程見圖4（b）。其主要用于控制LED驅動電路，以實現亮度調節。在此程序設計中，采用的是PIC16F877A單片機自帶的10位PWM模塊。PIC16F877A單片機內部有2個CCP模塊，當它工作在PWM方式時，可以產生周期和電平寬度均可由編程決定的PWM波形。

4 測試結果

LED驅動電路的調試主要是確定LED驅動電路的恒流效果和電路的效率，在本系統中選用的是3 W LED，其驅動電路設定的最大電流為700 mA。實際測試時，采用純電阻來對LED驅動電路的恒流效果進行測試，具體測試情況如表1所示。從表1中可以看出恒流輸出很接近，效率非常高。

系統光強穩定度的實際效果采用人眼的主觀感受來進行測試。實測表明，本文所設計的具有光強自動調節功能的太陽能光纖導光照明系統可以獲得較好的照明效果，光強調節快速且調節不振蕩、LED無閃爍現象等。

5 結 語

太陽光導入技術為人類合理利用太陽能資源開辟出新的途徑，為了更好地利用太陽能資源，本文提出一種基于智能調光的光纖導光照明系統設計方案。通過提高太陽自動跟蹤器的跟蹤精度、對集光器進行優化設計等措施，可以提高系統的光利用率。同時，為了克服天氣多變、跟蹤抖動等因素所導致的光強波動問題，系統增設了智能調光功能，智能調節器可根據外部光強的變化，基于增量式PID算法實時動態地調節輔助光源，并采用諧波減速器來提高太陽自動跟蹤器的跟蹤穩定性，以此可提高系統總體光強穩定度。實驗測試表明，系統可以獲得較好的照明品質，具有一定的應用推廣價值。

注：本文通訊作者為黎相成。

參考文獻

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