定日镜采光机的结构及实现原理

宋记锋，罗 臻，王昕鑫

(华北电力大学，北京 102206)

引言

照明耗电占建筑总耗电的20%[1]，充分利用太阳光开发更加节能环保的采光照明产品是降低建筑照明耗电的重要途径。建筑背阴房间缺少采光，会使得居住、工作受到影响。定日镜采光机是一种智能太阳光照明设备，可实现建筑背阴房间的主动照明，提升背阴房间居住环境。定日镜采光机反射的太阳光与天然光频谱一致，这有利于工作人员的身心健康[2]，同时可进一步实现节能[3]。

近20年来，利用天然光进行照明一直是研究热点，天然采光照明技术得到了快速发展[4-7]，天然采光照明产品相继问世，如日本某公司推出的采集太阳光的照明系统“Himawari”,中文即为“向日葵”。1995年，美国能源部橡树国家实验室发明了组合太阳光照明系统，以太阳光照明为主，以电照明作为补充。虽然国内外一些天然光照明系统在各种方面有自己的优势，但总体来说，在实际应用中都或多或少存在误差大、反应慢、不灵活等问题。基于上述已有研究的基础上，本文提出了一套定日镜采光机的室内照明项目[8]。

1 组成结构

1)控制系统。本定日镜采光机的电气组成部分主要包括以下部件：PLC，GPS模块，显示屏，步进电机(两个)，接近开关(六个)，增量编码器(两个)。本设备使用的PLC可进行浮点计算，功率低，效率高，配合内置的儒略日天文算法，算法理论精度可以达到25年内误差小于0.1°。为了减轻步进电机工作时的负载以及支架部分的体积与重量，方便实际安装时的搬运，将整套系统的控制部分(PLC等)外置在电气箱中，将执行部分(步进电机等)放置在基座之上的保护箱中，从而避免灰尘雨水电磁场等外界因素的干扰，保证了本设备长期稳定精确运行。设备选用增量编码器测量定日镜两个旋转轴的角度。编码器直接安装在旋转轴上，而非常见的安装在电机端，这样做的目的是消除减速器、皮带等带来的间隙误差，实现高精度的镜面指向。每个旋转轴安装三个高灵敏度接近开关，对编码器的初始位置进行校零，和行程形成保护。编码器一圈脉冲3 600个，分辨率为0.1°。

2)机械部分。如图1所示，系统采用双轴驱动，以步进电机为动力，采用行星减速器和皮带轮两级减速，以实现微小角度调整。皮带为带齿同步带，以确保太阳跟踪过程的动作同步性。编码器采用空心方式直接安装在旋转轴上。

图1 机械部分 Fig.1 Mechanical part

为了布线方便，能将导线汇总从机器下部引出，并防止在旋转过程中拉断线缆，方位角转轴设计为较粗的中空轴。由于在跟踪太阳的过程中机器旋转不会超过180°，所以在每个转轴都设置了三个接近开关，其中的两个为旋转的行程极限限位，另一个作为编码器识别零点，如图2所示。

图2 开发的定日镜照明系统Fig.2 Sun-mirror lighting system

基座设计采用三点支架，设有高度调节螺栓。由于采用的天文算法采用地平坐标系，系统坐标需要与地平面保持一致，通过调节螺栓可以使得系统坐标系和地平面重合。

2 工作原理

1)系统开机后，步进电机带动主轴以低速在两个维度(高度角、方位角)转动直到触发两个维度各自对应的零点接近开关，完成初始化。

2)初始化完成后从GPS模块获取高精度的经纬度、时间，内置的高精度天文算法即可根据时间不断地计算出实时的太阳方位，如图3所示。

3)第一次使用时，需要手动调整光路方向(通过遥控器控制设备转动)，使得镜面反射光对准窗户，控制系统根据相应几何公式程序和太阳当前方位计算出窗户相对定日镜的空间角度关系，作为常量记录。之后随着太阳高度角的改变，本设备即可自动计算出合适的镜面角度，从而实现定向反射光线的目的。

本设备步进电机转动速度以及检测周期可以在显示屏中调整，同时也可以在显示屏实时查看设备运行参数，为了节约电量，显示屏电源可以关闭，此时整个设备即进入长时间自动工作状态。

3 理论计算

1)太阳位置。在地球上，可以观测到太阳每天有规律的东升西落。定日镜采光机的太阳追踪系统就是利用天文算法，根据GPS系统获得经纬度、日期和时刻，根据相应的公式和参数，计算出太阳的实时位置。

当涉及地方时角，对于日常生活及天文计算必须用到世界时。然而，地球自转一直在变缓，而且变缓规律难以预测，这使得世界时成了一种不均匀的时间系统。然而，科学计算需要一个均匀的时间标尺来进行精确计算，于是引入力学时，在之后的计算中涉及到的时间都是用力学时表示的。同样的，为了统一计算不同年的日期间隔，引入儒略日来简化算法中的日期表达式，提高计算精度。同时也需要考虑到月亮或其他行星引起的地球轨道摄动、日月岁差、行星岁差、由大气折射引起的蒙气差和视差等因素对计算的影响[9]。虽然这些因素对太阳位置的计算结果影响并不大，为了保证计算精度，仍需要对参数进行一定的订正。将计算结果与天文历法相比，最大误差在25年内小于0.01°[10]。

计算出的结果以太阳高度角h和太阳方位角A表示，由此确定太阳位置，见式(1)、式(2)。

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

(2)

其中φ为纬度，δ为太阳赤纬，t为时角。

2)耗电量。定日镜的总功率由步进电机、控制箱和PLC处理器组成，共约5 W。由于太阳追踪系统并不是连续工作，而是每过一段时间矫正一次定日镜位置，折合总工作时间相当于0.5 h，即工作一个白天，定日镜采光机消耗电量约在0.012 5 kW·h，远小于人工照明的耗电量。

4 实验结果

为综合评价阴面房间利用天然光的实际效果和检验整个定日镜设备的实用性，我们在一间阴面房间中进行了综合实验与评价。

房间平面尺寸为2.2 m×6.4 m，室内高度为3 m。定日镜距离房间窗户距离40 m。室内墙面及天花板颜色均为白色。实验时测量点的分布如图4所示，取房间地面及桌子平面内均匀分布的6×4个测量点，在一天内定日镜可正常反射太阳光的时间段内，用照度计分别测量了各个点在有无定日镜补光时的光照度。

图4 实验测量点Fig.4 Experimental measuring point

图5 有无定日镜对比Fig.5 Contrast with or without a fixed helioscope

图5展示了室内的照明效果。较无定日镜，有定日镜补光时室内亮度有了明显提升，照明均匀性好，且具有较理想的显色效果。

在未安装定日镜时，随着时间推移，虽然室外光照在不断加强，但室内光照度基本保持在一个低值，约200 lx；而在加装定日镜时，室内光照度有了大幅度的提升，达到了同时刻无定日镜光照度的3～4倍，如图6所示。由此可知定日镜的补光效果非常明显，这与文献[11]的结果是一致的。

每点数据均为地面测量点光照度平均值图6 室内光照度对比Fig.6 Indoor illumination contrast

5 结束语

我们开发了一套用于日光照明的定日镜采光机。该系统利用GPS信息和天文算法，可实现太阳的智能定位，可高精度地将太阳光照射到目标窗户。实验数据证明，定日镜可以有效反射太阳光到室内，大幅度提高室内照度。实验结果表明，基于GPS信息和高精度天文算法的定日镜系统可用于远距离的太阳光主动照明运行。本项研究的结果可供定日镜采光照明研究参考。