基于風光組合的管道照明系統(tǒng)設(shè)計

文 學，李華強，高陸萍，劉政偉，朱梅玉，朱科軍，陳志剛，劉志輝

（1.邵陽學院機械與能源工程學院，湖南 邵陽 422000；2.邵陽學院高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點實驗室，湖南 邵陽 422000）

0 引言

為了滿足人們對室內(nèi)自然光照的渴望，研究人員模擬不同天氣下的自然光，常通過調(diào)整建筑設(shè)計、窗戶位置和形狀以及遮陽設(shè)施等因素[1]，研究人的視覺舒適性[2]，優(yōu)化室內(nèi)光照質(zhì)量；并通過研究玻璃材料[3]、光伏設(shè)備[4]和光學透鏡等技術(shù)[5]，以提高窗戶的隔熱和透光性能，輔助智能算法[6]，實現(xiàn)對室內(nèi)光照的監(jiān)測和調(diào)節(jié)[7]。上述方法在面對室內(nèi)存在光照傳輸障礙，而管道式日光照明可直接傳輸自然光，得到了廣泛關(guān)注。自1986 年第一代導光管采光系統(tǒng)以來，很多學者及公司對其展開了研究，如東風導光管系統(tǒng)、盛旦導光系統(tǒng)及上海升葉導光系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，并應(yīng)用在體育場館[8]、煙草行業(yè)[9]、水站[10]、廠房[11]、地鐵[12]、地下車庫[13]等地下空間，但大多側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用，且受到光照強度、時間而限制，相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的穩(wěn)定性差。如何優(yōu)化管道照明的穩(wěn)定性和能源利用的單一性，提高管道傳輸光的效率成為各企業(yè)和用戶所關(guān)心的問題。

為此，本文提出了風光組合管道照明系統(tǒng)，以采光罩、導光管及漫射器等組成的引導式自然光照明為主，輔助以太陽能與風能的儲能、照明組合，智能性適應(yīng)外界光強變化，確保室內(nèi)照明的穩(wěn)定性，最大限度地利用資源，節(jié)約能源。

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

充分利用太陽光及風能資源，運用光照漫反射、風能、太陽能發(fā)電原理，以導光為主、風光為輔，將室外自然光、太陽能、風能直接或間接導入室內(nèi)，實現(xiàn)室內(nèi)穩(wěn)定光照狀態(tài)。照明系統(tǒng)總體思路如圖1 所示，通過采光罩采集室外自然光，經(jīng)高反射導光管傳輸和強化，由系統(tǒng)底部的漫射裝置將光線均勻分散，同時輔助風能、太陽能發(fā)電輔助供光；基于高反射導光管和強散射漫射器，采用綜合光敏傳感器[14]的單片機自適應(yīng)照明控制系統(tǒng)，通過感應(yīng)光線強弱從而傳遞信號給控制系統(tǒng)從而給LED 供電，保證室內(nèi)光線穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 總體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合總體思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 總體機械結(jié)構(gòu)

裝置由高效鋁制導光部分、散射漫射器、太陽能板、螺旋式風力發(fā)電機、防護裝置等組成。導光部分通過頂部采光罩高效采集室外自然光，再經(jīng)高反射導光管傳輸和強化，最后由系統(tǒng)底部的漫射裝置使光線均勻分散，達到導光目的；防護裝置由防雨裝置和晶體板組成，保護管道內(nèi)部裝置受到雨雪侵擾。輔助部分由太陽能板、風力發(fā)電機、儲能設(shè)備和LED 補光裝置組成。三塊太陽能板圍成三角狀均勻分布在導光管四周且形成楔形結(jié)構(gòu)，更好滿足風力發(fā)電機需求；儲能設(shè)備通過接線與內(nèi)部光敏和LED 補光裝置相聯(lián)，通過光敏控制系統(tǒng)調(diào)控引導光與led 燈切換，保證光線穩(wěn)定。

1.3 導光部分設(shè)計

管道照明的實現(xiàn)需要經(jīng)過采集、傳輸及漫射三個步驟（圖3）。

圖3 導光原理

導光管直徑為240 mm，厚度為1 mm，采用鏡面鋁，太陽光線經(jīng)過采光罩的折射進入導光管，在傳輸過程中進行光線的反射；為方便與導光管契合，采光罩內(nèi)圓（與導光管相連處）直徑尺寸為250 mm，外圓直徑尺寸為270 mm；漫射裝置由PC 材料或者PMMA 材料制成，具有良好的透光性、漫射性和隔熱效果，漫射后光線均勻，避免人們產(chǎn)生眩光。

1.4 齒輪傳動部分設(shè)計

通過齒輪的多級傳動來帶動發(fā)電機工作，為蓄電池組充電。導光管外部過盈裝配軸承，軸承外部連接套筒，套筒上固定螺旋式扇葉，當風帶動螺旋式扇葉轉(zhuǎn)動時，帶動與之相連接的大、小齒輪1 實現(xiàn)動力傳送；并通過軸轉(zhuǎn)動帶動小齒輪2 的轉(zhuǎn)動；小齒輪2 與發(fā)電機相連接，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能（圖4）。

圖4 齒輪傳動裝置

1.5 補光模塊設(shè)計

導光管中安裝圓形led 燈圈，當光線強度小于設(shè)定值時，光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞給單片機，LED 燈補光系統(tǒng)工作，蓄電池給導光管中的LED 燈供電，補給光源，持續(xù)為裝置提供光源，LED 燈光線通過導光管、漫射器后的光照強度與白天基本相同。具體見表1。

表1 補光模塊選型表

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工作原理與硬件組成

工作原理如圖5 所示：太陽光線通過采光罩聚光，再經(jīng)過導光管傳輸?shù)降撞柯淦鳎M行室內(nèi)的光線輸送。通過楔形風口增大風速，確保風力發(fā)電機運轉(zhuǎn)。光敏傳感器，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑴c蓄電池連接。通過光敏的阻值變化轉(zhuǎn)換為電流變化，以此控制蓄電池來通過發(fā)電機供電給LED 燈圈。

圖5 總體工作原理

2.2 亮度調(diào)節(jié)模塊

利用光敏元件的內(nèi)部光敏電阻受光照強度變換，達到改變電流大小，實現(xiàn)光信號轉(zhuǎn)換為電信號（圖6）。光敏傳感器不只局限于對光的探測，還與探測元件組成其他傳感器，對非電量進行檢測。本裝置傳感器通過感知管道內(nèi)部光照強度的強弱，向單片機傳輸光強數(shù)據(jù)，以確定是否通過讓蓄電池放電的形式實現(xiàn)供光（圖7）。

圖6 光敏傳感部分電路

圖7 光敏傳感實物

2.3 LED 點亮模塊

本模塊由太陽能板、風力發(fā)電機、底部蓄電池組、電路控制器、逆變器等組成。利用STM32F103 作為主控模塊，配合直流穩(wěn)壓電源、蓄電池及切換模塊，為LED 供電（圖8、9）。

圖8 控制部分與蓄電池組

圖9 單片機處理原理

2.4 系統(tǒng)切換模塊

在單片機的控制下，光敏根據(jù)設(shè)定的光照閥值，控制蓄電池是否通過發(fā)電機供電給LED 燈圈，光敏系統(tǒng)電路如圖10 所示。

圖10 光敏系統(tǒng)電路

2.5 太陽軌跡跟蹤模塊

照射進來的太陽光透過通光孔會在光電傳感器上產(chǎn)生光斑，光電傳感器檢測到光斑與中心位置的偏差后，計算太陽具體方位，將收集到的信息傳遞給控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而對太陽進行動態(tài)跟蹤（圖11）。其中：L為光斑與中心軸線的偏差；H為暗室與光電傳感器的距離；θ為太陽光線的偏差角。

圖11 太陽位置檢測

θ的表達式為：

將光電傳感器檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成二維坐標形式，偏差角用θx和θy表示。

其中，Lx、Ly分別為光斑在x、y方向的偏差。此時，光電傳感器將得到的信息傳遞給控制系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)向機構(gòu)調(diào)節(jié)，使光斑時刻保持在中心位置，最大化利用太陽光能。

3 實物測試

3.1 點亮測試

白天太陽光強，光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞單片機，其他系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，太陽軌跡跟蹤系統(tǒng)使太陽板接收足夠強的太陽能，外界的風通過楔形風口后風力加強，驅(qū)動風力發(fā)電機，源源不斷給蓄電池組供電，自然光線直接進入本裝置（圖12），實現(xiàn)了自然光線通過采光罩、導光管、漫射器到達室內(nèi)，其光線和原來的光線強度基本一致。

圖12 白天測試結(jié)果

黑暗狀態(tài)下，周圍環(huán)境的光線強度小于設(shè)定值，光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞單片機，裝置的LED 燈補光系統(tǒng)工作，蓄電池給導光管中的LED 燈供電，補給光源，此時的LED 燈光照相當于充當白天的自然光線，其光線強度與白天一致（圖13）。

圖13 黑夜測試結(jié)果

3.2 系統(tǒng)切換

光敏根據(jù)設(shè)定的光照閥值，在單片機的控制下，通過判定導光管內(nèi)部的光照強度與設(shè)定閥值關(guān)系，以實現(xiàn)系統(tǒng)切換。

“白天”狀態(tài)下，光照強，發(fā)光二極管亮綠燈，顯示蓄電池充電，電子屏幕顯示“charging”（圖14），導光管內(nèi)光線充足，僅依靠頂部采光罩接收的太陽照明，太陽能和風力發(fā)電為蓄電池充電。

圖14 白天狀態(tài)光敏系統(tǒng)

“黑夜”狀態(tài)下，導光管內(nèi)光線不足，此時發(fā)光二極管不亮，電子屏幕顯示“l(fā)edopen”（圖15），蓄電池為管道內(nèi)部LED 燈圈供電，LED 燈進行補光，并采用PWM（脈寬調(diào)劑法）法調(diào)節(jié)LED 亮度，達到穩(wěn)定照明的效果。

圖15 黑暗狀態(tài)光敏系統(tǒng)

4 結(jié)論

基于導光管采光原理，組合太陽能、風能、儲能與LED 補光裝置，利用光敏傳感器，通過光強度調(diào)控引導式光與輔助切換裝置，以適應(yīng)不同強度的光照，實現(xiàn)了室內(nèi)光照穩(wěn)定性。

（1）針對自然光導入的時間與強度問題，提出了以導光為主，風光組合為輔的管道類照明裝置。針對自然光導入室內(nèi)的穩(wěn)定性問題，采用太陽軌跡跟蹤技術(shù)及光敏控制技術(shù)，獲取更多儲存能量，三者自適應(yīng)切換，實現(xiàn)能量互補。

（2）針對多模塊的結(jié)構(gòu)受限問題，創(chuàng)新的采用了以導光管為中心的金字塔形結(jié)構(gòu)，充分利用太陽能電池板圍城“楔形”空間，以加大風能轉(zhuǎn)變效率。