探析免跟蹤陽光導入照明系統實現方法

陳海洋 王詩瑩 滕海坤

摘要：文章以免跟蹤陽光導入照明系統實現方法為研究對象，首先簡單介紹了免跟蹤陽光導入照明系統研究的必要性，隨后探討了免跟蹤陽光導入照明系統實現方法，最后結合仿真實驗，分析了該方法的效果，結果表明，該實現方法有著良好的效果與可行性。希望能夠為相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：免跟蹤;陽光導入照明系統;實現方法

前言：

在環境污染日益嚴重、能源日益緊張的今天，如何加強綠色能源應用，提高能源利用率已經是人們重點關注的問題。而太陽能作為一種典型的綠色能源，能夠用于照明，但傳統陽光導入照明系統需要應用自動跟蹤裝置，不僅成本高，而且故障率也居高不下，難以滿足陽光照明需要，因此加強對免跟蹤陽光導入照明系統的實現研究就顯得尤為重要。

一、免跟蹤陽光導入照明系統研究必要性

在當前居民日常生活中，太陽能能源應用已經是一種司空見慣的能源應用方式，比如太陽能熱水器、太陽能電池板、太陽能電燈。而在照明領域，則是太陽能能源重要應用領域之一。在實際應用過程中，太陽能能源應用包括兩種方式，一是借助太陽能電池板發電，再將電能轉化光能[1];還有一種是直接采集太陽光，實現照明需求。比如陽光導入照明系統便是這種直接采集太陽光照明的重要典型，相較于第一種照明應用方式，這種照明應用更加綠色環保，且能量損失較小，在地下車庫、展覽館等場景中得到了廣泛應用。

二、免跟蹤陽光導入照明系統實現方法

（一）實現方法

一個完整的免跟蹤陽光導入照明系統，主要由以下幾種裝置構成：一是集光器，負責陽光的采集工作，提高光功率的密度;二是濾光片，負責進行濾光，主要過濾的是陽光中有害的紫外線與紅外線;三是陽光接收平面及光纜，主要負責陽光的接收與傳輸;四是漫射器，主要負責陽光的出射，使陽光能夠均勻投射至照明區域，滿足自然光照明需求。

在整個免跟蹤陽光導入照明系統中，加強陽光的采集非常重要。眾所周知，空中的太陽是始終處于運動狀態的，因此在不同時段，太陽的方位角、光照角度會各不相同，因此為確保集光器能夠采集更多陽光，本系統集光器選擇了分布式布局方式，并分散配置有多個集光器，每個集光器主要負責1小時時段內太陽光采集，同時其他集光器起到一定的輔助作用。在一天之中，早上八點半至下午三點半，是陽光最強烈的時段，以每小時為1個時段，本系統根據這七個時段，設置了7個集光器，讓每個集光器對正整點時刻太陽位置，從而能夠保障在上述七個時段內，能夠實現自然陽光采集照明。

以太陽赤緯角計算公式為依據，我們可以順利而推導出在任意時刻下，太陽的高度角與方位角。具體公式如下：

在上述公式中，代表的是太陽赤緯角，代表的是年序日，代表的是太陽高度角，代表的是觀測點維度，代表的是時角，代表的是太陽方位角。

集光器在進行陽光采集時，針對其入射面的法線，我們可用表示，用表示太陽方位角，那么想要求出在任意時刻下，太陽光對集射器的入射角，需要采用以下公式：

當各個集光器對準各自整點時刻的太陽時，我們可以根據（4）式，計算出集光器的各個入射角。從計算結果來看，入射角在光軸左側與右側各呈7.26°變化。在前后半小時內，每個集光器入射角度對稱相等。而當垂直入射匯聚透鏡時，受該鏡子折射影響，光先會在光軸上進行聚集，加上光線的入射角為，透鏡焦距為，那么光斑在焦平面之上，所偏離的光軸距離可采用以下公式計算：

以菲涅爾透鏡為例，該鏡子的透鏡焦距為350mm，通過上文計算可知入射角為7.26°，那么根據（5）公式，可計算出光斑在焦平面之上所偏離的光軸距離等于44.6mm。而太陽在實際運動時，整個軌跡呈半圓形，那么在1h以內，伴隨著入射角的不斷變化，在整個接收平面之上，光斑幾乎一直在沿著直線移動，因此可選擇在該平面內的直線移動范圍內，直接鋪滿光纖，那么就能夠在一天太陽光最強的七個時段，實現陽光免跟蹤充分導入。

三、仿真實驗

在本次仿真實驗中，采用了光學軟件，構建了一個子模型。該模型具體參數如下：菲涅爾透鏡半徑，光纜孔徑，透鏡焦距，芯徑為10mm，長2000mm，芯材采用了材料。伴隨著角度變化，改變光纜位置。在透鏡的后330mm位置處，放置接收平面離焦，在探測器放置上，則分別選擇在光纜射出端、接收平面以及光纜射出后的500mm位置處進行放置。從仿真結果來看，伴隨著入射角度的不斷變化，會聚光斑會逐漸地遠離光軸，此時，光斑的尺寸逐漸降低，菲涅爾透鏡的透鏡率也在不斷的降低，但在光纜的出射端，光通量依然能夠維持比較高的水平。

總結：

綜上所述，傳統的陽光導入照明系統需要采用陽光跟蹤裝置，確保隨著太陽移動，采集到最佳大陽光，才能保證室內光照，為達到這一目的，需要耗費的成本較高。因此文章設計了一種免跟蹤陽光導入照明系統，進行了仿真實驗，實驗結果表明，能夠實現免跟蹤陽光導入，有效解決了上述問題。

參考文獻

[1]王念舉. 光纖式陽光導入照明系統設計[D]. 天津大學， 2016.

作者簡介：陳海洋，（1997年01）男，漢族，籍貫：貴州省大方縣，學歷：大學本科。

王詩瑩（1985- ），女，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，博士，為本文通訊作者。

項目名稱：黑龍江省2019年大學生創新創業訓練計劃項目（201913744006）