主动式导光系统在南市电厂的实施

李钊明

(上海久能能源科技发展有限公司,上海 201314)

导光系统通过收集、反射、透射、散射等方式,将天然光导入室内进行照明[2].与用普通天窗玻璃直接引入天然光的方式相比,导光系统不仅提高了照度,延长了室内自然光照时间,并且由于光线的散射,避免了眩光的产生,使得照明效果更好.

1 南市电厂导光系统概况

每一套导光系统都主要由定日镜组件、平面反射镜组件(固定)和天窗漫射板组件(固定)3部分组成.其中,定日镜的作用是收集太阳光;平面反射镜的作用是接收定日镜收集的太阳光,并将其反射进天窗;从天窗射入的太阳光经过漫射板的散射作用变成比较均匀的光.导光系统分为主动式和被动式两种,其区别在于被动式导光系统的定日镜组件是固定不动的,只能被动的接受阳光照射;而主动式导光系统的定日镜组件能跟随太阳的移动同步进行角度调整,保证定日镜获得太阳光的最佳照射角度.因此,主动式导光系统比被动式导光系统拥有更好的采光能力.

南市电厂的立面开窗面积小,室内采光差,如果只采用灯光照明,就必须延长照明时间才能保证室内的能见度,加大了用电量.而导光系统通过镜面反射采光法将阳光送到室内生态中庭,延长了中庭的日照时间,提高了中庭日照强度和采光水平,改善了光环境,同时为绿墙植物生长提供了景观环境,间接减缓了夏季中庭热负荷.

对于被动式导光系统,因其定日镜组件是固定的,每天只有一小段时间能完整地反射阳光至平面反射镜组件上,因而不能完全满足设计要求.因此,应采用主动式导光系统,工程完工后的生态中庭地面水平照度大于 500 lux,中庭绿墙垂直照度大于 300 lux.

2 主动式导光系统原理

为了确保定日镜收集并反射出去的光线全部被平面反射镜接收到,主动式导光系统的定日镜需要根据太阳位置的不断变化进行同步的角度调整,以保证反射光主光线的方向不变[3],其原理如图 1所示.

图1 定日镜反光原理

根据上海地区各时刻太阳方位的变化,对光路和定日镜姿态进行了精确的计算,确保定日镜反射的光线准确到达平面反射镜上.对于定日镜来说,其入射角一年内的变化范围约为 40°,因此需要仔细选择定日镜面型等参数.

定日镜需要有一定的聚光作用,可以减小平面反射镜的面积,使得进入室内的光线呈发散状态,有利于照明.同时,使得投射到平面反射镜上的光会聚为一个较集中的光斑,可允许光路有一定偏差,即使光线没有打在平面反射镜的中央,也不会影响光通量,从而减小了定日镜机械传动系统的精度要求,更易于施工.

3 主动式导光系统机械构成

本导光系统采用了超环面定日镜.超环面是一种非轴对称曲面,它在两个相互垂直方向上的曲率半径有差别,因此能够通过调整两个曲率半径,恰当地控制光斑形状.采用超环面定日镜后,随着定日镜上太阳光入射角的改变,平面反射镜和入射天窗上的光斑效果如图 2所示.从图 2中可以看出,整个光学系统能很好地适应定日镜上太阳光入射角的改变.

比如，每周你可以有半小时看你爱看的动画片，另外的时间，爷爷可以看新闻，奶奶可以看电视剧，你就去自己的房间玩玩具。遥控器本身就象征着家庭权利，不应该被任何一个人垄断。

3.1 定日镜组件

定日镜组件的作用是跟踪太阳运动收集太阳光.在工作过程中,定日镜的方向需要不断调整,以便实时跟踪太阳.定日镜组件主要包括定日镜、支架和传动装置 3部分.

定日镜尺寸为 2.2 m×2.2 m,表面形状为超环面,前排定日镜曲率半径为 Rx=16 m,Ry=36 m;后排定日镜曲率半径为 Rx=21m,Ry=50 m.定日镜镜片由 484片 10 cm×10 cm的小镜片拼接而成,每个小镜片以浮法玻璃作为基片,利用物理气相沉积方法,在其表面蒸镀铝反射膜层,镜片粘贴于铝板表面,铝板背面用镀锌角铁框架对定日镜进行加固支撑.

传动装置的作用是在电控系统的控制下,将运动传给定日镜,实现定日镜跟踪太阳的功能,传动装置如图 3所示.

减速器选用双极涡轮蜗杆结构,每级的传动比为 100∶1,总传动比为 10 000∶1.传动机构的运动原理是由步进电机带动减速器驱动主动轴自转,主动轴带动镜架使定日镜旋转,以实现定日镜的方位角调整;步进电机带动减速器驱动定日镜摆杆轴运动,进而使拉杆带动定日镜摆动,实现定日镜俯仰角的调整.

3.2 平面反射镜

平面反射镜组件的作用是接受定日镜收集的太阳光并反射入天窗.平面反射镜尺寸为 1.5m×1.5m,由 25片 300 mm×300mm×2mm的正方形镜片拼接而成.镜片采用浮法玻璃作为基片,利用物理气相沉积方法,在其表面蒸镀铝反射膜层,使其表面对可见光的平均反射率达到 85%以上,以提高光利用率,并用螺钉固定在铝板表面.铝板采用 3mm厚的铝材料,铝板背面用方管框架支撑.

图2 超环面定日镜光斑模拟

图3 传动原理示意

3.3 天窗和漫射板组件

为使室内生态中庭获得照度均匀的照明,在天窗下部采用漫射板方式,如图 4所示.太阳光经过天窗照射到漫射板上,从漫射板射出的光即为照度比较均匀的自然光.

图4 天窗和漫射板原理示意

天窗和漫射板采用3m×5m的长方形玻璃.考虑到玻璃的强度,用 3块玻璃拼接而成,两块 2 m×3m的玻璃,一块 1m×3 m的玻璃,中间加两根横梁进行加固支撑.拼接时注意天窗玻璃上的光斑位置和大小,不可挡光.玻璃材料采用 3层中空夹胶镀膜玻璃,将天窗玻璃下层的下表面处理成漫透射表面作为漫射板使用,并进行镀膜处理(镀减反射膜),用以提高阳光透过率.

4 定日镜控制系统

每个定日镜控制系统都是一个独立的两轴联动驱动系统,在安装好定日镜机械系统后,控制系统即可根据目标位置数据来精确控制定日镜的俯仰转动,驱动步进电机调整定日镜的角度,以保证定日镜的反射光线能准确汇聚到平面反射镜上.

4.1 控制系统原理

选取以定日镜顶点反射光线的方向为 z轴的球面坐标系来描述定日镜的转动,即用定日镜顶点法线的天顶角 θ和方位角 φ来描述定日镜的位置,如图 5所示.定日镜按照方位角要求绕 z轴按相应的方向旋转到一定位置,再按照天顶角的要求绕 y′轴按相应方向旋转到一定位置,即经过两次转动到达目标位置.如此可同时确保超环面反射镜的一个曲率面在入射面内,另一曲率面与它垂直,从而达到聚焦的作用.

4.2 技术方案

每一套定日镜组件都配备一套独立的电控系统,任何一套系统出现故障都不会对其他部分产生影响.

定日镜控制系统主要由单片计算机系统、两轴测量绝对式编码器、步进电机控制及驱动电路、通讯接口、实时时钟及数据存储单元组成.采用步进电机驱动定日镜,可以保证在电控系统意外损坏或其他意外情况下,电机不会失控,以免损坏减速器或其他机械结构.

由于该主动式导光系统是一个建筑工程项目,其安装定位精度不可能太高,因此为了降低对建筑工程和机械加工的精度要求,定日镜安装好以后,需要精确地测量出安装位置的地理坐标、地理坐标与机械坐标的误差、跟踪过程中的不确定误差等数据.通过定日镜控制系统内部的计算机通讯接口,将误差数据简单存入系统中,从而使定日镜控制系统可自动进行位置修正.

定日镜控制系统有 RS-422通讯接口,一方面用于主控制室远程监视定日镜的工作状况,另一方面也用于各定日镜控制系统之间的互相联络,同时主控制计算机也可以根据需要(如对定日镜的工作状态进行修正或调整)进行远程遥控,以满足特殊情况(如临时调整入射光线的强度、位置等)下的工作需要.10台定日镜传动装置通过通讯接口同步工作,也就是其中 1台控制系统处于主控模式,其余 9台处于从属模式,所有调整全部同步进行.

我们对定日镜控制系统设计的重点在于使其能够适应各种可能的情况和因素,不会因为一些意外情况导致定日镜系统无法正常工作.

图5 定日镜运动原理示意

4.3 系统软件

定日镜控制系统由单片计算机为核心组成,可独立工作.对定日镜系统的监视或遥控都通过串行通讯接口进行,系统的基本软件工作流程如图 6所示.

图6 定日镜系统的软件工作流程

5 结 语

主动式导光系统在南市电厂的成功应用,证明该系统具备很强的可操作性.在能源日益紧张的今天,充分利用天然光,把太阳光直接传输到室内需要照明的地方,特别是一些地下或无窗的建筑,将是未来太阳能综合利用的重要方式,更有利于实现可持续发展战略.

[1]葛曹燕,韩继红.上海地区可持续能源利用——2010世博园区永久场馆建设[J].上海节能,2010(4):22-28.

[2]葛曹燕,杨建荣.上海世博南市电厂可持续改建实践[J].绿色建筑,2010,(2):54-59.

[3]缪同群,张贵彦.南市电厂改建为太阳能热发电厂的设想[J].上海节能,2009,(7):20-24.