基于太阳能电池板的反光百叶窗设计

赵益泽

（衡水第一中学，河北 衡水 053000）

0 引 言

随着经济的迅速发展和城镇化进程的不断加快，电力需求量日趋增加。我国能源分布不均，开采难度较大，情况不容乐观。数据显示，目前我国的照明用电约占全社会总用电量的20%。由此看来，节省照明用电是节约电能消耗的关键因素。这种背景下，节约能源实现可持续发展俨然成为人们关注的焦点。绿色照明的概念作为可持续发展理念的引申，为建筑照明指明了新方向[1]。节约照明用电，降低能耗，也将逐渐成为照明方案着重考虑的要点。

资料显示，我国约有36万间中小学教室存在白天挂上窗帘打开电灯的问题，原因是靠近窗户的同学即使没有阳光直射也会感觉看书本时太亮。再加上黑板与多媒体投影设备反光，因此只有拉上窗帘再开灯才能有较好的视觉效果[2-3]。从节能和环保的角度来看，拉上窗帘挡住自然光却消耗电能使用人造光，显然是不科学的。

为了解决上述问题，实现在室外光照充足的情况下充分利用自然光进行照明，提出了利用反光材料反射阳光进入教室减少人造光的方案。通过对比太阳能电池板和铝板两种材料作为反光材质，选择利用太阳能电池板制作反光百叶窗进行教室采光改造。晴天背景下，对教室及模拟装置进行测量实验得到的数据表明，基于太阳能电池板的反光百叶窗对教室内的光照强度与均匀度都有很大程度改善，且具有节能、环保、实用性强的优点。

1 系统设计

1.1 反光板的选择

常用的反光板有太阳能电池板和反光铝板两种[4]。反光铝板具有质量轻、安装成本低的特点。刚去掉覆盖的塑料膜时，反光铝板非常光亮，反光率要高于太阳能电池板，但维护困难。一旦落上尘土擦拭，就会失去光泽。如果长时间室外使用，经过几次擦拭，反光率必然大大降低甚至失去反光效果。太阳能电池板表面为玻璃材质，寿命长，容易清理，维护简单。反光铝板只具有反光效果，太阳光不充足时会失去作用，因此照明时间较短，节约的电能就会减少；太阳能电池板则同时具备反光和发电效果[5]。综合这两方面因素，太阳能电池板具有良好的经济性和易于维护的实用性，因此选择太阳能电池板作为反光板。

1.2 百叶窗类型的选择

外遮阳百叶一般有固定式百叶和活动式百叶两种类型。固定式百叶在操控、耐久性和价位上更有优势，但是灵活性不够；活动式外遮阳百叶可以变换遮阳的角度或方式，比较灵活，遮阳性能良好。因此，本文选取活动式外遮阳百叶作为研究对象。同时，为了增加实验的真实性，选择两个舵机遥控控制叶片的旋转角度，制作滑轨并固定一个LED光源模仿太阳东升西降的运动轨迹。

1.3 3D打印技术

3D打印是一种增材制造技术（一层层增加材料），将打印材料一层层叠加起来，最终将计算机上设计的3D图纸打印为实物。与传统的制造技术（车、刨、钻、磨）相比，它节省材料成本和材料加工时间，更易制造精细的物品。表1列出的图片中，所有白色部件均是通过3D打印技术打印出来的。

表1 3D打印部件一览表

1.4 驱动器

驱动器核心芯片是ARM公司的32位单片机，72 MHz运行速度，能够快速完成驱动舵机动作指令；手机通过蓝牙模块链接到驱动器，直接驱动舵机的角度变化，从而带动窗页的摆动。

2 实验与分析

2.1 实验模型准备

本文采用亚克力箱模型模拟中小学教室进行实验，如图1所示。亚克力箱模型尺寸为700 cm×25 cm×33 cm，朝南方向开2个15 cm×12 cm的开口模拟教室的窗户，并安装太阳能反光百叶窗；另一侧开13 cm×7 cm大小的开口做教室门用于舵机电源线走线；同时，在箱内设置3个位置，分别模拟教室的3个不同方位。单片反光太阳能电池板的两端采用ABS塑料薄片卡紧后再涂胶固定。塑料薄片两端分别插入圆形塑料作为转动轴，且一侧的圆形塑料与传动杆相连。传动杆由舵机控制高度的升降与所用电池板相连，从而实现百叶窗反射角度的控制。太阳能电池板尺寸为13 cm×3 cm，单个窗户使用4块太阳能电池板。

图1 实验模型整体图

2.2 实验过程

在室内灯光照度合适或无阳光直射的室内进行试验，调节导轨位置及模拟LED光源的高度，模拟正午11:00与下午15:00两个时间点的数据。

实验进行步骤如下：

步骤1：测量教室模型内4个不同位置（直射位置、南排位置、中排位置、北排位置）的光照强度，作为参考值。

步骤2：将未安装反光板的教师模型水平放置，调节轨道位置及模拟光源高度，分别测量模拟装置由外向内的四个位置的光照强度（其中，最外侧的1位置处为LED光源垂直最高点的照射强度）。

步骤3：将模拟装置安装反光板，并将反光板置于水平，测出相同四个位置的光照强度。

步骤4：将模拟装置的反光板由水平向外旋转约40°，测出相同四个位置的光照强度。

步骤5：将模拟装置的反光板由水平向内旋转约40°，测出相同四个位置的光照强度。

11:00与15 :00两个时间点下，各个位置的测量数据分别见表2和表3，光照强度单位为lx。利用所测空间内阳光能够直射位置的光照强度和所测位置光照强度的比值，反映光照均匀程度，并将其自定义为“强弱比”。

表2 不同位置在11:00时的测量结果记录表

表3 不同位置在15:00时的测量结果记录表

图2和图3分别记录了11:00与15:00两个时间点下，不同位置（不包含直射位置）的光照强度柱状图，单位为lx，可直观看到不同情况下的光强。其中，位置2为南排位置，位置3为中排位置，位置4为北排位置。

图2 不同位置在11:00时的光照强度柱状图

图3 不同位置在15:00时的光照强度柱状图

2.3 实验结果分析

通过对上述实验结果数据进行比较分析，可以得出如下结论：

（1）对比表2、表3中教室内与模拟装置内无反光板时的强弱比，模拟装置基本能够反映实际教室的光照强度。二者的大部分数据接近，变化规律基本一致。空间更小的模拟装置内，光强变化更慢，而教室空间较大，其数据变化更大。

（2）对比表2、表3中模拟装置内有无反光板时的光强数据，未安装反光板时，直射位置和非直射位置的光照强度都远远超出国家标准；安装太阳能反光板（水平）后，南侧光照过强与光照不均匀都得到较大改善。

（3）由表2、表3的数据可知，对比11:00与15:00两个时间位置点的数据，当反光板外转40°时，模拟装置内光照强度都减弱；当反光板内转40°时，模拟装置内光照强度都得到了加强。这与物理知识中“入射角越大，反射越强”的规律相一致。因此，可以通过反光板的角度调节室内的光照强度。

（4）由图2、图3的数据对比可知，当反光板外转或水平时，采光均匀度增加，而反光板内转时，采光均匀度减小，但是整体光照总量增加。因此，利用反光板角度的变化，也可以调节室内的照度均匀度。

3 结 论

资料分析、教室实地测量和模拟装置实验表明，利用太阳能电池板制作反光百叶窗进行教室采光改造，能够使教室内的光照强度与均匀度得到较大改善，具有实用性强、经济性好、环保效果好的特点，值得进一步深入研究。下一步将进行多时段、模拟多种天气状况的实验，以了解各种情况下该装置对教室采光的影响。

参考文献：

[1] 赵 华.教学建筑自然采光研究[D].天津：天津大学建筑学院，2010：84-87.

[2] 李春会.广州市中小学教室采光照明现状分析[J].中国学校卫生，2008，（5）：461-462.

[3] 黄 翀，欧阳艳东.教室采光及照度的测量与分析[J].汕头大学学报，2001，（2）：20-25.

[4] 戴立飞，高 辉.反光板在建筑自然采光中的应用[J].工业建筑，2007，（12）：54-57.

[5] 任国辉，王立雄.反光板与反光玻璃对改善教室天然采光均匀度的作用[D].天津：天津大学建筑学院，2010：113-115.