基于太陽能電池板的反光百葉窗設(shè)計(jì)

趙益澤

（衡水第一中學(xué)，河北 衡水 053000）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)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(shù)據(jù)顯示，目前我國的照明用電約占全社會(huì)總用電量的20%。由此看來，節(jié)省照明用電是節(jié)約電能消耗的關(guān)鍵因素。這種背景下，節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展儼然成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。綠色照明的概念作為可持續(xù)發(fā)展理念的引申，為建筑照明指明了新方向[1]。節(jié)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(diǎn)。

資料顯示，我國約有36萬間中小學(xué)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(xué)即使沒有陽光直射也會(huì)感覺看書本時(shí)太亮。再加上黑板與多媒體投影設(shè)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(jié)能和環(huán)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(xué)的。

為了解決上述問題，實(shí)現(xiàn)在室外光照充足的情況下充分利用自然光進(jìn)行照明，提出了利用反光材料反射陽光進(jìn)入教室減少人造光的方案。通過對(duì)比太陽能電池板和鋁板兩種材料作為反光材質(zhì)，選擇利用太陽能電池板制作反光百葉窗進(jìn)行教室采光改造。晴天背景下，對(duì)教室及模擬裝置進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)表明，基于太陽能電池板的反光百葉窗對(duì)教室內(nèi)的光照強(qiáng)度與均勻度都有很大程度改善，且具有節(jié)能、環(huán)保、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(zhì)量輕、安裝成本低的特點(diǎn)。剛?cè)サ舾采w的塑料膜時(shí)，反光鋁板非常光亮，反光率要高于太陽能電池板，但維護(hù)困難。一旦落上塵土擦拭，就會(huì)失去光澤。如果長時(shí)間室外使用，經(jīng)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(zhì)，壽命長，容易清理，維護(hù)簡單。反光鋁板只具有反光效果，太陽光不充足時(shí)會(huì)失去作用，因此照明時(shí)間較短，節(jié)約的電能就會(huì)減少；太陽能電池板則同時(shí)具備反光和發(fā)電效果[5]。綜合這兩方面因素，太陽能電池板具有良好的經(jīng)濟(jì)性和易于維護(hù)的實(shí)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(dòng)式百葉兩種類型。固定式百葉在操控、耐久性和價(jià)位上更有優(yōu)勢(shì)，但是靈活性不夠；活動(dòng)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(dòng)式外遮陽百葉作為研究對(duì)象。同時(shí)，為了增加實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，選擇兩個(gè)舵機(jī)遙控控制葉片的旋轉(zhuǎn)角度，制作滑軌并固定一個(gè)LED光源模仿太陽東升西降的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3 3D打印技術(shù)

3D打印是一種增材制造技術(shù)（一層層增加材料），將打印材料一層層疊加起來，最終將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的3D圖紙打印為實(shí)物。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)（車、刨、鉆、磨）相比，它節(jié)省材料成本和材料加工時(shí)間，更易制造精細(xì)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(shù)打印出來的。

表1 3D打印部件一覽表

1.4 驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器核心芯片是ARM公司的32位單片機(jī)，72 MHz運(yùn)行速度，能夠快速完成驅(qū)動(dòng)舵機(jī)動(dòng)作指令；手機(jī)通過藍(lán)牙模塊鏈接到驅(qū)動(dòng)器，直接驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的角度變化，從而帶動(dòng)窗頁的擺動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)備

本文采用亞克力箱模型模擬中小學(xué)教室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)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(cè)開13 cm×7 cm大小的開口做教室門用于舵機(jī)電源線走線；同時(shí)，在箱內(nèi)設(shè)置3個(gè)位置，分別模擬教室的3個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)軸，且一側(cè)的圓形塑料與傳動(dòng)桿相連。傳動(dòng)桿由舵機(jī)控制高度的升降與所用電池板相連，從而實(shí)現(xiàn)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(gè)窗戶使用4塊太陽能電池板。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w圖

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

在室內(nèi)燈光照度合適或無陽光直射的室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)節(jié)導(dǎo)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(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行步驟如下：

步驟1：測(cè)量教室模型內(nèi)4個(gè)不同位置（直射位置、南排位置、中排位置、北排位置）的光照強(qiáng)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(diào)節(jié)軌道位置及模擬光源高度，分別測(cè)量模擬裝置由外向內(nèi)的四個(gè)位置的光照強(qiáng)度（其中，最外側(cè)的1位置處為LED光源垂直最高點(diǎn)的照射強(qiáng)度）。

步驟3：將模擬裝置安裝反光板，并將反光板置于水平，測(cè)出相同四個(gè)位置的光照強(qiáng)度。

步驟4：將模擬裝置的反光板由水平向外旋轉(zhuǎn)約40°，測(cè)出相同四個(gè)位置的光照強(qiáng)度。

步驟5：將模擬裝置的反光板由水平向內(nèi)旋轉(zhuǎn)約40°，測(cè)出相同四個(gè)位置的光照強(qiáng)度。

11:00與15 :00兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)下，各個(gè)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)分別見表2和表3，光照強(qiáng)度單位為lx。利用所測(cè)空間內(nèi)陽光能夠直射位置的光照強(qiáng)度和所測(cè)位置光照強(qiáng)度的比值，反映光照均勻程度，并將其自定義為“強(qiáng)弱比”。

表2 不同位置在11:00時(shí)的測(cè)量結(jié)果記錄表

表3 不同位置在15:00時(shí)的測(cè)量結(jié)果記錄表

圖2和圖3分別記錄了11:00與15:00兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)下，不同位置（不包含直射位置）的光照強(qiáng)度柱狀圖，單位為lx，可直觀看到不同情況下的光強(qiáng)。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(shí)的光照強(qiáng)度柱狀圖

圖3 不同位置在15:00時(shí)的光照強(qiáng)度柱狀圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)比表2、表3中教室內(nèi)與模擬裝置內(nèi)無反光板時(shí)的強(qiáng)弱比，模擬裝置基本能夠反映實(shí)際教室的光照強(qiáng)度。二者的大部分?jǐn)?shù)據(jù)接近，變化規(guī)律基本一致。空間更小的模擬裝置內(nèi)，光強(qiáng)變化更慢，而教室空間較大，其數(shù)據(jù)變化更大。

（2）對(duì)比表2、表3中模擬裝置內(nèi)有無反光板時(shí)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，未安裝反光板時(shí)，直射位置和非直射位置的光照強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)；安裝太陽能反光板（水平）后，南側(cè)光照過強(qiáng)與光照不均勻都得到較大改善。

（3）由表2、表3的數(shù)據(jù)可知，對(duì)比11:00與15:00兩個(gè)時(shí)間位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)反光板外轉(zhuǎn)40°時(shí)，模擬裝置內(nèi)光照強(qiáng)度都減弱；當(dāng)反光板內(nèi)轉(zhuǎn)40°時(shí)，模擬裝置內(nèi)光照強(qiáng)度都得到了加強(qiáng)。這與物理知識(shí)中“入射角越大，反射越強(qiáng)”的規(guī)律相一致。因此，可以通過反光板的角度調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照強(qiáng)度。

（4）由圖2、圖3的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，當(dāng)反光板外轉(zhuǎn)或水平時(shí)，采光均勻度增加，而反光板內(nèi)轉(zhuǎn)時(shí)，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(diào)節(jié)室內(nèi)的照度均勻度。

3 結(jié) 論

資料分析、教室實(shí)地測(cè)量和模擬裝置實(shí)驗(yàn)表明，利用太陽能電池板制作反光百葉窗進(jìn)行教室采光改造，能夠使教室內(nèi)的光照強(qiáng)度與均勻度得到較大改善，具有實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)保效果好的特點(diǎn)，值得進(jìn)一步深入研究。下一步將進(jìn)行多時(shí)段、模擬多種天氣狀況的實(shí)驗(yàn)，以了解各種情況下該裝置對(duì)教室采光的影響。

參考文獻(xiàn)：

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