基于太陽能電池板的反光百葉窗設計

趙益澤

（衡水第一中學，河北 衡水 053000）

0 引 言

隨著經濟的迅速發展和城鎮化進程的不斷加快，電力需求量日趨增加。我國能源分布不均，開采難度較大，情況不容樂觀。數據顯示，目前我國的照明用電約占全社會總用電量的20%。由此看來，節省照明用電是節約電能消耗的關鍵因素。這種背景下，節約能源實現可持續發展儼然成為人們關注的焦點。綠色照明的概念作為可持續發展理念的引申，為建筑照明指明了新方向[1]。節約照明用電，降低能耗，也將逐漸成為照明方案著重考慮的要點。

資料顯示，我國約有36萬間中小學教室存在白天掛上窗簾打開電燈的問題，原因是靠近窗戶的同學即使沒有陽光直射也會感覺看書本時太亮。再加上黑板與多媒體投影設備反光，因此只有拉上窗簾再開燈才能有較好的視覺效果[2-3]。從節能和環保的角度來看，拉上窗簾擋住自然光卻消耗電能使用人造光，顯然是不科學的。

為了解決上述問題，實現在室外光照充足的情況下充分利用自然光進行照明，提出了利用反光材料反射陽光進入教室減少人造光的方案。通過對比太陽能電池板和鋁板兩種材料作為反光材質，選擇利用太陽能電池板制作反光百葉窗進行教室采光改造。晴天背景下，對教室及模擬裝置進行測量實驗得到的數據表明，基于太陽能電池板的反光百葉窗對教室內的光照強度與均勻度都有很大程度改善，且具有節能、環保、實用性強的優點。

1 系統設計

1.1 反光板的選擇

常用的反光板有太陽能電池板和反光鋁板兩種[4]。反光鋁板具有質量輕、安裝成本低的特點。剛去掉覆蓋的塑料膜時，反光鋁板非常光亮，反光率要高于太陽能電池板，但維護困難。一旦落上塵土擦拭，就會失去光澤。如果長時間室外使用，經過幾次擦拭，反光率必然大大降低甚至失去反光效果。太陽能電池板表面為玻璃材質，壽命長，容易清理，維護簡單。反光鋁板只具有反光效果，太陽光不充足時會失去作用，因此照明時間較短，節約的電能就會減少；太陽能電池板則同時具備反光和發電效果[5]。綜合這兩方面因素，太陽能電池板具有良好的經濟性和易于維護的實用性，因此選擇太陽能電池板作為反光板。

1.2 百葉窗類型的選擇

外遮陽百葉一般有固定式百葉和活動式百葉兩種類型。固定式百葉在操控、耐久性和價位上更有優勢，但是靈活性不夠；活動式外遮陽百葉可以變換遮陽的角度或方式，比較靈活，遮陽性能良好。因此，本文選取活動式外遮陽百葉作為研究對象。同時，為了增加實驗的真實性，選擇兩個舵機遙控控制葉片的旋轉角度，制作滑軌并固定一個LED光源模仿太陽東升西降的運動軌跡。

1.3 3D打印技術

3D打印是一種增材制造技術（一層層增加材料），將打印材料一層層疊加起來，最終將計算機上設計的3D圖紙打印為實物。與傳統的制造技術（車、刨、鉆、磨）相比，它節省材料成本和材料加工時間，更易制造精細的物品。表1列出的圖片中，所有白色部件均是通過3D打印技術打印出來的。

表1 3D打印部件一覽表

1.4 驅動器

驅動器核心芯片是ARM公司的32位單片機，72 MHz運行速度，能夠快速完成驅動舵機動作指令；手機通過藍牙模塊鏈接到驅動器，直接驅動舵機的角度變化，從而帶動窗頁的擺動。

2 實驗與分析

2.1 實驗模型準備

本文采用亞克力箱模型模擬中小學教室進行實驗，如圖1所示。亞克力箱模型尺寸為700 cm×25 cm×33 cm，朝南方向開2個15 cm×12 cm的開口模擬教室的窗戶，并安裝太陽能反光百葉窗；另一側開13 cm×7 cm大小的開口做教室門用于舵機電源線走線；同時，在箱內設置3個位置，分別模擬教室的3個不同方位。單片反光太陽能電池板的兩端采用ABS塑料薄片卡緊后再涂膠固定。塑料薄片兩端分別插入圓形塑料作為轉動軸，且一側的圓形塑料與傳動桿相連。傳動桿由舵機控制高度的升降與所用電池板相連，從而實現百葉窗反射角度的控制。太陽能電池板尺寸為13 cm×3 cm，單個窗戶使用4塊太陽能電池板。

圖1 實驗模型整體圖

2.2 實驗過程

在室內燈光照度合適或無陽光直射的室內進行試驗，調節導軌位置及模擬LED光源的高度，模擬正午11:00與下午15:00兩個時間點的數據。

實驗進行步驟如下：

步驟1：測量教室模型內4個不同位置（直射位置、南排位置、中排位置、北排位置）的光照強度，作為參考值。

步驟2：將未安裝反光板的教師模型水平放置，調節軌道位置及模擬光源高度，分別測量模擬裝置由外向內的四個位置的光照強度（其中，最外側的1位置處為LED光源垂直最高點的照射強度）。

步驟3：將模擬裝置安裝反光板，并將反光板置于水平，測出相同四個位置的光照強度。

步驟4：將模擬裝置的反光板由水平向外旋轉約40°，測出相同四個位置的光照強度。

步驟5：將模擬裝置的反光板由水平向內旋轉約40°，測出相同四個位置的光照強度。

11:00與15 :00兩個時間點下，各個位置的測量數據分別見表2和表3，光照強度單位為lx。利用所測空間內陽光能夠直射位置的光照強度和所測位置光照強度的比值，反映光照均勻程度，并將其自定義為“強弱比”。

表2 不同位置在11:00時的測量結果記錄表

表3 不同位置在15:00時的測量結果記錄表

圖2和圖3分別記錄了11:00與15:00兩個時間點下，不同位置（不包含直射位置）的光照強度柱狀圖，單位為lx，可直觀看到不同情況下的光強。其中，位置2為南排位置，位置3為中排位置，位置4為北排位置。

圖2 不同位置在11:00時的光照強度柱狀圖

圖3 不同位置在15:00時的光照強度柱狀圖

2.3 實驗結果分析

通過對上述實驗結果數據進行比較分析，可以得出如下結論：

（1）對比表2、表3中教室內與模擬裝置內無反光板時的強弱比，模擬裝置基本能夠反映實際教室的光照強度。二者的大部分數據接近，變化規律基本一致?？臻g更小的模擬裝置內，光強變化更慢，而教室空間較大，其數據變化更大。

（2）對比表2、表3中模擬裝置內有無反光板時的光強數據，未安裝反光板時，直射位置和非直射位置的光照強度都遠遠超出國家標準；安裝太陽能反光板（水平）后，南側光照過強與光照不均勻都得到較大改善。

（3）由表2、表3的數據可知，對比11:00與15:00兩個時間位置點的數據，當反光板外轉40°時，模擬裝置內光照強度都減弱；當反光板內轉40°時，模擬裝置內光照強度都得到了加強。這與物理知識中“入射角越大，反射越強”的規律相一致。因此，可以通過反光板的角度調節室內的光照強度。

（4）由圖2、圖3的數據對比可知，當反光板外轉或水平時，采光均勻度增加，而反光板內轉時，采光均勻度減小，但是整體光照總量增加。因此，利用反光板角度的變化，也可以調節室內的照度均勻度。

3 結 論

資料分析、教室實地測量和模擬裝置實驗表明，利用太陽能電池板制作反光百葉窗進行教室采光改造，能夠使教室內的光照強度與均勻度得到較大改善，具有實用性強、經濟性好、環保效果好的特點，值得進一步深入研究。下一步將進行多時段、模擬多種天氣狀況的實驗，以了解各種情況下該裝置對教室采光的影響。

參考文獻：

[1] 趙 華.教學建筑自然采光研究[D].天津：天津大學建筑學院，2010：84-87.

[2] 李春會.廣州市中小學教室采光照明現狀分析[J].中國學校衛生，2008，（5）：461-462.

[3] 黃 翀，歐陽艷東.教室采光及照度的測量與分析[J].汕頭大學學報，2001，（2）：20-25.

[4] 戴立飛，高 輝.反光板在建筑自然采光中的應用[J].工業建筑，2007，（12）：54-57.

[5] 任國輝，王立雄.反光板與反光玻璃對改善教室天然采光均勻度的作用[D].天津：天津大學建筑學院，2010：113-115.