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光纤导光自然光照明技术

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光纤导光自然光照明系统的研究

摘要：提出一种通过采光面积大、结构简单、制作容易、维修方便的凹面镜采集太阳光，将太阳光聚集于一点，在聚集点处采用光的耦合技术，将自然光耦合于自准直光纤中，通过自准直光纤传光，磨砂塑料盘散光的新型太阳光照明系统。考虑到太阳的位置移动，我们采用GPS解算法定位跟踪太阳，以保证太阳光将始终聚集于一点，并有最优采光效率。光纤的耦合效率及光纤的透光率随光线的入射角、光纤的长度、光纤的口径、光纤的材料都有关系。我们通过建立相应的近似模型，得出了它们之间的大体关系，研究了透射光光强随光纤长度的变化规律。由于光在传输过程中的损耗是因为发生全反射过程中的损耗，计算过程很复杂，我们通过采用光纤单位长度的损耗表示，通过实验，计算出平均单位长度的损耗，从而计算出总长度的损耗。在室内的散光过程中，我们采用磨砂塑料盘，这可以产生均匀、柔和的漫射光，同时在前面加一个光照度调节器，可以调节室内光照亮度。考虑到自然光中紫外线对人体的伤害，在漫射装置上加一个滤波片滤去紫外线。采用本系统汇集阳光，经光纤传导能够产生亮度很高的滤去紫外线的自然光，便于安装和普及，适用于普通家庭、地下勘测照明及大型建筑照明等。希望能够更好利用能源，以改善当今能源状况。

关键词：太阳光采集，凹面镜，GPS解算法，光的耦合技术，自准直光纤

0前言

在人类各种能源消耗中，电力照明是所有能耗中最多的一项能耗。发达国家照明能耗约占总能耗的，我国占。因此开发自然光照明技术有很大的意义，不只是体现在节能上面，还体现在提高环境质量上面。光导技术现在较为成熟的是利用光导管传输自然光，最著名的是英国蒙那家特公司出产的一种光导系统如图所示：

图1蒙那家特公司光导系统图示

此系统利用PC塑料透镜作为采光装置，用光导管传输自然光，最后加漫射装置进行照明。此类设计的产品在2008年北京奥运会上大显身手。但是这种装置，体积大，对建筑物影响较大，只能应用于城市大型建筑上，难以适应于野外勘探、矿井等地下场合，也难以在普通居民家庭安装使用。

本作品从适应国内发展角度出发，拟设计出适应国内易于推广使用的自然光照明装置。所以采用了不产生色差的反射镜；利用自准直光纤提高耦合效率，光纤相对于光导管体积要小得多适合普通居民家庭安装；利用我国逐渐成熟的导航系统提出GPS解算法定位跟踪太阳更适应发展趋势。

1光纤导光自然光照明系统结构及原理

系统的大体结构如下图所示：

图4太阳跟踪系统软件流程图

每次太阳初升时皆进行初始化，然后读取GPS的数据是否是白天。不是白天的话继续延迟时间，系统休眠；是白天的话计算太阳高度角及方位角控制电机驱动器工作，驱动步进电机转动相应角度，完成一次后延迟时间t继续下一次循环。

对于电机的驱动，在误差允许范围内应该尽量延长每两次驱动的时间间隔，时间间隔的确立和太阳高度角和方位角变化的速率有关，此时间间隔的确立需要在软件完成前对GPS的数据进行大量的数学计算，来获得最优的。

光的传导装置由自准直透镜与传导光纤组成

1.3光的耦合及传输

光的耦合是现在光纤研究中很难的问题，耦合技术的发展直接推动者光纤导光技术。本作品采用的是自准直光纤，光纤准直器在国内的发展已经具备了批量生产的能力。

耦合的基本理论：

自然光经过会聚再经过准直光纤以平行光入射进光纤，如图：

对经过光纤中心轴的光线称为子午光线，为满足全反射条件应有

而对于入射角应满足：

设单位面积上的光功率，光纤端面半径，纤芯半径，则有入射光功率

对于梯度型光纤，其折射率随增大而减小。如果对于某一确定的使得入射角

则以光纤轴为中心，半径为a的圆内入射光线将成为束缚光线，因而束缚光线的光功率为

其中a是方程的解，假设

则有

从中可知，耦合效率在时，耦合效率为。

以上分析可知，塑料光纤的耦合效率是和入射角有关的，又因为最大入射角由孔径决定，则耦合效率还与数值孔径有关。

光线以不同入射角度进入导光光纤,取0°～90°的入射角为横坐标,分别以

经1m长导光光纤后的透光率和在1m长导光管内的反射次数为纵坐标,得到图2和图3。

图5不同入射角光线经1m长导光管的透光率

图6入射角和反射次数的关系

从图中可以看出入射角大于60°时透光率已经很低,并且反射次数明显上升。采用的凹面镜镜聚光系统,可以通过耦合装置控制进入导光管的光线的入射角,不管方位角如何变化,通过调节焦直线的高度,可控制凹面镜反射光相对于耦合装置的入射角小于某一角度,既可以控制进入导光光纤的角度,使光线在导光管内的反射次数大幅度减小,提高通过导光光纤光线的平均透光率。

1.4光的漫射

漫射