探析免跟踪阳光导入照明系统实现方法

陈海洋 王诗莹 滕海坤

摘要：文章以免跟踪阳光导入照明系统实现方法为研究对象，首先简单介绍了免跟踪阳光导入照明系统研究的必要性，随后探讨了免跟踪阳光导入照明系统实现方法，最后结合仿真实验，分析了该方法的效果，结果表明，该实现方法有着良好的效果与可行性。希望能够为相关研究提供一定的参考。

关键词：免跟踪;阳光导入照明系统;实现方法

前言：

在环境污染日益严重、能源日益紧张的今天，如何加强绿色能源应用，提高能源利用率已经是人们重点关注的问题。而太阳能作为一种典型的绿色能源，能够用于照明，但传统阳光导入照明系统需要应用自动跟踪装置，不仅成本高，而且故障率也居高不下，难以满足阳光照明需要，因此加强对免跟踪阳光导入照明系统的实现研究就显得尤为重要。

一、免跟踪阳光导入照明系统研究必要性

在当前居民日常生活中，太阳能能源应用已经是一种司空见惯的能源应用方式，比如太阳能热水器、太阳能电池板、太阳能电灯。而在照明领域，则是太阳能能源重要应用领域之一。在实际应用过程中，太阳能能源应用包括两种方式，一是借助太阳能电池板发电，再将电能转化光能[1];还有一种是直接采集太阳光，实现照明需求。比如阳光导入照明系统便是这种直接采集太阳光照明的重要典型，相较于第一种照明应用方式，这种照明应用更加绿色环保，且能量损失较小，在地下车库、展览馆等场景中得到了广泛应用。

二、免跟踪阳光导入照明系统实现方法

（一）实现方法

一个完整的免跟踪阳光导入照明系统，主要由以下几种装置构成：一是集光器，负责阳光的采集工作，提高光功率的密度;二是滤光片，负责进行滤光，主要过滤的是阳光中有害的紫外线与红外线;三是阳光接收平面及光缆，主要负责阳光的接收与传输;四是漫射器，主要负责阳光的出射，使阳光能够均匀投射至照明区域，满足自然光照明需求。

在整个免跟踪阳光导入照明系统中，加强阳光的采集非常重要。众所周知，空中的太阳是始终处于运动状态的，因此在不同时段，太阳的方位角、光照角度会各不相同，因此为确保集光器能够采集更多阳光，本系统集光器选择了分布式布局方式，并分散配置有多个集光器，每个集光器主要负责1小时时段内太阳光采集，同时其他集光器起到一定的辅助作用。在一天之中，早上八点半至下午三点半，是阳光最强烈的时段，以每小时为1个时段，本系统根据这七个时段，设置了7个集光器，让每个集光器对正整点时刻太阳位置，从而能够保障在上述七个时段内，能够实现自然阳光采集照明。

以太阳赤纬角计算公式为依据，我们可以顺利而推导出在任意时刻下，太阳的高度角与方位角。具体公式如下：

在上述公式中，代表的是太阳赤纬角，代表的是年序日，代表的是太阳高度角，代表的是观测点维度，代表的是时角，代表的是太阳方位角。

集光器在进行阳光采集时，针对其入射面的法线，我们可用表示，用表示太阳方位角，那么想要求出在任意时刻下，太阳光对集射器的入射角，需要采用以下公式：

当各个集光器对准各自整点时刻的太阳时，我们可以根据（4）式，计算出集光器的各个入射角。从计算结果来看，入射角在光轴左侧与右侧各呈7.26°变化。在前后半小时内，每个集光器入射角度对称相等。而当垂直入射汇聚透镜时，受该镜子折射影响，光先会在光轴上进行聚集，加上光线的入射角为，透镜焦距为，那么光斑在焦平面之上，所偏离的光轴距离可采用以下公式计算：

以菲涅尔透镜为例，该镜子的透镜焦距为350mm，通过上文计算可知入射角为7.26°，那么根据（5）公式，可计算出光斑在焦平面之上所偏离的光轴距离等于44.6mm。而太阳在实际运动时，整个轨迹呈半圆形，那么在1h以内，伴随着入射角的不断变化，在整个接收平面之上，光斑几乎一直在沿着直线移动，因此可选择在该平面内的直线移动范围内，直接铺满光纤，那么就能够在一天太阳光最强的七个时段，实现阳光免跟踪充分导入。

三、仿真实验

在本次仿真实验中，采用了光学软件，构建了一个子模型。该模型具体参数如下：菲涅尔透镜半径，光缆孔径，透镜焦距，芯径为10mm，长2000mm，芯材采用了材料。伴随着角度变化，改变光缆位置。在透镜的后330mm位置处，放置接收平面离焦，在探测器放置上，则分别选择在光缆射出端、接收平面以及光缆射出后的500mm位置处进行放置。从仿真结果来看，伴随着入射角度的不断变化，会聚光斑会逐渐地远离光轴，此时，光斑的尺寸逐渐降低，菲涅尔透镜的透镜率也在不断的降低，但在光缆的出射端，光通量依然能够维持比较高的水平。

总结：

综上所述，传统的阳光导入照明系统需要采用阳光跟踪装置，确保随着太阳移动，采集到最佳大阳光，才能保证室内光照，为达到这一目的，需要耗费的成本较高。因此文章设计了一种免跟踪阳光导入照明系统，进行了仿真实验，实验结果表明，能够实现免跟踪阳光导入，有效解决了上述问题。

参考文献

[1]王念举. 光纤式阳光导入照明系统设计[D]. 天津大学， 2016.

作者简介：陈海洋，（1997年01）男，汉族，籍贯：贵州省大方县，学历：大学本科。

王诗莹（1985- ），女，黑龙江省齐齐哈尔人，副教授，博士，为本文通訊作者。

项目名称：黑龙江省2019年大学生创新创业训练计划项目（201913744006）