太阳能智能照明系统设计

严海荣+柳东云+宇阳丽+龙期勇+吴玲玲

【摘 要】太阳能是重要的新能源。论文设计了一套将太阳光传导到屋内，实现节能减排、有效利用太阳能的智能照明系统。系统利用收集组件收集太阳光，通过随动装置和光传导组件将太阳光传导到屋内，达到节能的目的。

【Abstract】Solar energy is an important new energy.The paper designs a set of intelligent lighting system which can transmit solar energy to the house and realize energy saving and emission reduction and effectively utilize solar energy.The system collects solar light by collecting components， and transfers the sunlight to the house through the servo device and the light transmitting component， so as to achieve the purpose of energy saving.

【关键词】太阳能；光学仿真；随动

【Keywords】solar energy； optical simulation； follow-up

【中图分类号】TM923.34 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0182-02

1 引言

作为新能源之一的太阳能，其与传统能源相比较具有四大优势：储量巨大、应用便利、供应持久、清洁无害。中国地区的太阳能资源丰富，且开发利用前景也较为广阔[1]。

本文设计了一套基于太阳能光传导屋内的系统，利用收集组件收集太阳光，通过随动装置和光传导组件将太阳光传导到屋内，达到节能的目的。

2 智能照明系统

2.1 智能照明系统组成及工作原理

如图1所示，太阳光通过汇聚组件将光汇聚于中心小区域处，进入小区域的光经过导光光路进入屋内，这样实现了节能的目的。为了保证较强的光进入屋内，通过随动系统带动光汇聚组件跟随太阳转动，最大可能的利用太阳光。

系统由光路系统和控制电路组成。光学系统包括太阳光汇聚组件和太阳光导光组件。太阳随动系统控制电路通过判断太阳的位置，驱动电机进行转动相应的角度[2]。

2.2 控制电路组成及工作原理

电路设计总体设框图如图2所示，由主控制器（MCU）、光强探测模块、电机驱动模块构成。

本系统主要包括硬件设计和软件处理两个部分：

硬件部分：首先整体应用了双轴结构，使系统可以在水平角方向和高度角方向自由移动，达到全方位追踪的目的。系统总体由信号采集部分、信号计算处理部分和调整角度转动的执行机构组成。传感器把检测到的信号经AD转换电路处理发送到MCU部分，再由MCU处理后将得到的信号传给电机的驱动电路，从而控制步进电机转动相应的角度，以达到跟踪太阳光的目的。

软件部分：将传感器送到MCU的四个不同的电压值，分成两组并且做差得到两个差值，用这两个差值分别控制两个步进电机的转动，当差值等于零或者差值在某一范围内时，控制电机停止转动。

综上所述，本系统具体可实施方案是：当光照到传感器上，使光信号转化成电信号再经过转换电路转换后得到电压信号，电压信号经过AD转换电路后得到数字信号，然后将数字信号输入MCU中经计算处理后得到驱动芯片所需的脉冲信号，最终由驱动芯片驱动电机转动从而使系统的感光面与太阳光保持垂直状态。

2.3 结构设计

2.3.1 反射式结构的设计

反射式结构是指利用反射装置将太阳光汇聚，然后运用光纤将其导入室内进行照明。在该结构的聚光环节我们采用了聚光效果好的抛物面结构，导入光线环节我们采用传输损耗低的亚克力光纤。为了更加真实的反映导光效果，我们引入了接受面。同时，加入了点光源（点光源出射光平行且可根据导光结构来设置大小）来仿真太阳光源。

2.3.2 透射式结构的设计

透射式结构是指利用透射装置将太阳光汇聚，然后运用光纤将其导入室内进行照明。

在该结构的聚光环节我们采用了聚光效果好的菲涅尔透镜，导入光线环节我们采用传输损耗低的亚克力光纤。和反射式结构类似，为了更加真实的反映导光效果，我们引入了接受面。同时，加入了点光源（点光源出射光平行且可根据导光结构来设置大小）来仿真太阳光源。

菲涅尔透镜作为透射式系统的核心部分，其功能和特性比起同样有聚光效果的凸透镜更加优良。

2.4 智能照明系统光学性能仿真

太阳光收集组件选用透射式与反射式光学系统，太阳光导入系统采用菲涅尔透镜、反光杯、亚克力光纤作为聚光和导光材料，系统的结构参数如表1和表2所示。利用TracePro软件仿真太阳光光路，接收面的照度分布如图3所示。

利用TracePro软件仿真太阳光光路，接收面的照度分布如图4所示。

由反射式照度图分析可知，总的光通量为5.2599W，光通量与发射通量的比值为0.86522，即在所照射的太阳光中，有86.522%的光被匯聚到了接收面[3]。

由透射式照度图分析可知，总的光通量为2276.8W，光通量与发射通量的比值为0.86522，即在所照射的太阳光中，有84.014%的光被汇聚到了接收面。

我们通过运用软件TracePro对所设计结构进行了模拟，并且加入光源对其进行光学仿真。根据仿真的最终结果可知，相比于反射式结构，透射式效果更好，使用更加方便。经分析，在投射式结构中7.29W的光经过系统聚集到了接收面，而选用的光源功率为10W，因此本系统收集到了72.9%的太阳光，能量利用率较高。

3 结论

本课题设计的太阳能智能照明系统导入太阳光进行照明，绿色环保，做到了节能减排。其中的太阳光导入系统采用的这些材料，经济成本低，结构简单，性价比高

【参考文献】

【1】岑幻霞.太阳能利用[M].北京：北学工业版社，2005.

【2】魏光谱.太阳能与阳光经济[J].上海电力，2008（4）：337-342.

【3】袁志国.一种太阳能自动跟踪装置的设计[J].自动化仪表，2007（02）：34-37.endprint