基于錐形光纖傳導的太陽光照明系統

呂雅晶++楊冠魯

摘 要：文章提出了一種基于錐形光纖傳導的太陽光室內照明系統，通過利用錐形光纖的幾何形狀的優勢，將錐形光纖與圓柱形光纖相結合，進一步提高太陽光室內照明系統的追光精度，從而提高對太陽光的利用率。文章針對系統的追光誤差以及光照強度進行測試，測試結果表明：該系統可以對一定的空間進行基本的照明，且采用錐形光纖能夠有效提高系統的追光精度。

關鍵詞：錐形光纖；太陽光；照明；追光精度

中圖分類號：TM923 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0014-02

1 概述

目前，能源的消耗隨著經濟的發展與日俱增。為了實現節能減排、保護環境和社會的可持續發展，世界各國都在尋找新能源來替代傳統的化石燃料，而太陽能作為一種新型的綠色能源，越來越受到各國的關注和重視。

傳統的太陽能利用技術都存在著能量轉換過程中的損耗問題，而太陽光室內照明技術在不進行熱、電和機械等能量轉換的前提下[1]，直接把對人體有益的太陽光傳導進室內并替代傳統的用電照明，從而降低了照明能耗。

近年來，太陽光室內照明技術快速發展，許多國家的研究重點主要集中在降低技術成本與提高太陽光的利用效率上。目前，提高太陽光室內照明系統的追光精度主要有兩種方法：一是提高追光裝置的控制精度，使聚光光斑對準光纖輸入端面。但這種方法需要精確的控制，難度大，成本高。二是擴大光纖的口徑，使聚光光斑始終在光纖輸入端面內。但大口徑光纖存在成本高、占用面積大、彎曲性能差等缺點。

因此，本文提出一種簡易且成本較低的提高太陽光室內照明系統追光精度的方法，目的是對傳統的太陽光室內照明系統進行改進。通過利用錐形光纖的幾何形狀的優勢，將錐形光纖與圓柱形光纖相結合，進一步提高太陽光室內照明系統的追光精度，從而提高了太陽光的利用率。

2 技術方案

2.1 系統結構

圖1為太陽光室內照明系統的結構框圖。太陽光室內照明系統主要由太陽光收集裝置、太陽光自動跟蹤裝置和太陽光傳輸裝置組成。其中，太陽光收集裝置把平行入射到菲涅耳透鏡上的太陽光聚焦成一個很小的光斑；由于太陽的位置隨時都在變化，為了收集到更多的太陽光，太陽光自動跟蹤裝置控制菲涅耳透鏡的位置，使它始終垂直于太陽光；太陽光傳輸裝置的作用是把經濾光片后的可見光導入任何有照明需求的地方。

2.2 追光裝置

國內外的追光方式主要分為三種：（1）視日運動軌跡跟蹤；（2）光電跟蹤；（3）前兩者結合的混合跟蹤。

本系統采用的是文獻[2]中一種追光精度較高、控制簡易且成本低的光電跟蹤方式，以LM324為核心，采用四個光敏電阻，并將它們分為兩組，一組光敏電阻檢測太陽的方位角（即東西方向），另一組光敏電阻檢測太陽的高度角（即南北方向）。該控制電路由兩部分組成：信號采集和信號比較，控制電路如圖2所示。由于四個光敏電阻在光照強度不同的情況下阻值不同，因此利用橋式比較電路，分別在不同的LM324的輸出端輸出不同的信號，進而控制兩臺直流減速電機來驅動追光裝置，實現菲涅耳透鏡平面始終垂直太陽光線，從而有效地提高太陽光的利用效率。

2.3 錐形光纖

近年來，隨著錐形光纖研究的深入，其獨特的光學特性也引起了人們的重視[3]。由于錐形光纖的幾何形狀的特點，本系統引入錐形光纖來進一步減小追光系統的誤差，使太陽光從大口徑端向小口徑端傳播，將錐形光纖與圓柱形光纖相結合，可起到與采用大口徑光纖相同的效果，既減少了成本又無需擴大占用面積。

錐形光纖是一種應用廣泛的不規則光纖，但不規則光纖的光波傳輸特性的理論研究還不成熟[4]。因此，本文僅對基于幾何方法的錐形光纖傳輸特性進行簡單介紹。當太陽光從錐形光纖的大口徑端面入射時，傳播路徑如圖3所示[5]。

假設光線以？茲角度從大口徑端面入射，其在纖芯中第n次反射角？琢n為[6]：

由于在錐形光纖中錐角？啄≠0，因此，由式（1-1）可知，隨著反射次數的增加，反射角？琢n不斷減小，光線的傳播模式也由低次模向高次模轉變，全反射條件略微受到損壞，部分高次模將滲透到包層及光纖外，造成能量的損失[7]。

錐形光纖的數值孔徑NA為[8]：

由式（1-2）可知，錐形光纖大口徑端半徑a和小口徑端半徑b的比值越小，其數值孔徑越小，則光纖中傳輸的光線越少。同時，由于錐形光纖和普通光纖的數值孔徑不同，當這兩種光纖連接時，將產生一定的損耗[7]。

由于采用錐形光纖傳輸太陽光存在光線損耗問題，因此，需要通過合理設計錐形光纖的尺寸來降低光線的損耗。本文僅考慮系統的追光誤差，不細究錐形光纖的損耗問題。

3 實驗結果

3.1 追光誤差測試

本文針對是否加入錐形光纖進行系統誤差對比測試，每隔20分鐘采樣一次，如表1所示。

經過多次誤差測試，本系統確定了錐形光纖的尺寸：大口徑端半徑a=10mm，小口徑端半徑b=2.5mm，長度L=40mm。由上述數據可以看出，加入錐形光纖后，本系統的誤差有明顯的降低，且追光誤差在0.9°以內。由于采用了錐形光纖，理論上無論何時，光斑都不會偏離出錐形光纖的入口端面，但由于存在機械結構、控制精度和人為測量的誤差，導致測試結果不夠理想。

3.2 光照強度測試

由圖4所示，在陽光下照度值為97000LUX時，本系統輸出端半米處的照度值為61700LUX，一米處的照度值為35900LUX，光照情況如圖5所示。測試結果表明本系統的照明性能良好，能對一定的空間進行基本的照明。

4 結束語

目前，提高太陽光室內照明系統的追光精度主要有兩種方法：一是提高追光裝置的控制精度，二是擴大光纖的口徑。但前者需要精確的控制、難度大、成本高，后者成本高、占用面積大、彎曲性能差。因此，本文提出一種簡易且成本較低的提高太陽光室內照明系統追光精度的方法，利用錐形光纖的優勢進一步降低太陽光室內照明系統的追光誤差。

雖然采用錐形光纖傳輸太陽光存在光線損耗問題，但通過合理設計錐形光纖尺寸能夠有效降低能量的損耗。本文僅針對系統的追光誤差以及光照強度進行測試，結果表明本文提出的方案可行、有效，既簡易又無需擴大占用面積，具有較高的實用性。

參考文獻：

[1]李敏.太陽光照明的關鍵技術研究[D].重慶大學，2008.

[2]許龍，張永宏，王琦.一種光電式太陽跟蹤控制系統設計[J].電子技術應用，2014，40（2）：88-90.

[3]苗建民，李龍，童路，等.光纖通信中錐形光纖光波傳輸特性分析[J].江蘇科技信息，2013（16）：42-44.

[4]孫愛娟.錐形光纖中光波導理論研究[D].中國科學院西安光學精密機械研究所，2005.

[5]Chang C T， Auth D C. Radiation characteristics of a tapered cylindrical optical fiber[J]. Journal of the Optical Society of America， 1978， 68（9）：1191-1196.

[6]孫愛娟.錐形光纖中光波導理論研究[D].中國科學院西安光學精密機械研究所，2005.

[7]張從國.錐形光纖的理論研究[D].北京交通大學，2010.

[8]曹根瑞.錐形光纖兩端直徑比與數值孔徑的關系[J].光學技術，1991（1）：8-11.