基于风光组合的管道照明系统设计

文 学，李华强，高陆萍，刘政伟，朱梅玉，朱科军，陈志刚，刘志辉

（1.邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000；2.邵阳学院高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，湖南 邵阳 422000）

0 引言

为了满足人们对室内自然光照的渴望，研究人员模拟不同天气下的自然光，常通过调整建筑设计、窗户位置和形状以及遮阳设施等因素[1]，研究人的视觉舒适性[2]，优化室内光照质量；并通过研究玻璃材料[3]、光伏设备[4]和光学透镜等技术[5]，以提高窗户的隔热和透光性能，辅助智能算法[6]，实现对室内光照的监测和调节[7]。上述方法在面对室内存在光照传输障碍，而管道式日光照明可直接传输自然光，得到了广泛关注。自1986 年第一代导光管采光系统以来，很多学者及公司对其展开了研究，如东风导光管系统、盛旦导光系统及上海升叶导光系统等一系列产品，并应用在体育场馆[8]、烟草行业[9]、水站[10]、厂房[11]、地铁[12]、地下车库[13]等地下空间，但大多侧重于技术应用，且受到光照强度、时间而限制，相应应用领域的稳定性差。如何优化管道照明的稳定性和能源利用的单一性，提高管道传输光的效率成为各企业和用户所关心的问题。

为此，本文提出了风光组合管道照明系统，以采光罩、导光管及漫射器等组成的引导式自然光照明为主，辅助以太阳能与风能的储能、照明组合，智能性适应外界光强变化，确保室内照明的稳定性，最大限度地利用资源，节约能源。

1 总体方案设计

1.1 设计思路

充分利用太阳光及风能资源，运用光照漫反射、风能、太阳能发电原理，以导光为主、风光为辅，将室外自然光、太阳能、风能直接或间接导入室内，实现室内稳定光照状态。照明系统总体思路如图1 所示，通过采光罩采集室外自然光，经高反射导光管传输和强化，由系统底部的漫射装置将光线均匀分散，同时辅助风能、太阳能发电辅助供光；基于高反射导光管和强散射漫射器，采用综合光敏传感器[14]的单片机自适应照明控制系统，通过感应光线强弱从而传递信号给控制系统从而给LED 供电，保证室内光线稳定。

图1 系统框架

1.2 总体机械结构设计

结合总体思路，系统结构如图2 所示。

图2 总体机械结构

装置由高效铝制导光部分、散射漫射器、太阳能板、螺旋式风力发电机、防护装置等组成。导光部分通过顶部采光罩高效采集室外自然光，再经高反射导光管传输和强化，最后由系统底部的漫射装置使光线均匀分散，达到导光目的；防护装置由防雨装置和晶体板组成，保护管道内部装置受到雨雪侵扰。辅助部分由太阳能板、风力发电机、储能设备和LED 补光装置组成。三块太阳能板围成三角状均匀分布在导光管四周且形成楔形结构，更好满足风力发电机需求；储能设备通过接线与内部光敏和LED 补光装置相联，通过光敏控制系统调控引导光与led 灯切换，保证光线稳定。

1.3 导光部分设计

管道照明的实现需要经过采集、传输及漫射三个步骤（图3）。

图3 导光原理

导光管直径为240 mm，厚度为1 mm，采用镜面铝，太阳光线经过采光罩的折射进入导光管，在传输过程中进行光线的反射；为方便与导光管契合，采光罩内圆（与导光管相连处）直径尺寸为250 mm，外圆直径尺寸为270 mm；漫射装置由PC 材料或者PMMA 材料制成，具有良好的透光性、漫射性和隔热效果，漫射后光线均匀，避免人们产生眩光。

1.4 齿轮传动部分设计

通过齿轮的多级传动来带动发电机工作，为蓄电池组充电。导光管外部过盈装配轴承，轴承外部连接套筒，套筒上固定螺旋式扇叶，当风带动螺旋式扇叶转动时，带动与之相连接的大、小齿轮1 实现动力传送；并通过轴转动带动小齿轮2 的转动；小齿轮2 与发电机相连接，旋转产生的机械能通过发电机转换为电能（图4）。

图4 齿轮传动装置

1.5 补光模块设计

导光管中安装圆形led 灯圈，当光线强度小于设定值时，光敏控制系统将信息传递给单片机，LED 灯补光系统工作，蓄电池给导光管中的LED 灯供电，补给光源，持续为装置提供光源，LED 灯光线通过导光管、漫射器后的光照强度与白天基本相同。具体见表1。

表1 补光模块选型表

2 控制系统设计

2.1 工作原理与硬件组成

工作原理如图5 所示：太阳光线通过采光罩聚光，再经过导光管传输到底部漫射器，进行室内的光线输送。通过楔形风口增大风速，确保风力发电机运转。光敏传感器，将光信号转变为电信号，并与蓄电池连接。通过光敏的阻值变化转换为电流变化，以此控制蓄电池来通过发电机供电给LED 灯圈。

图5 总体工作原理

2.2 亮度调节模块

利用光敏元件的内部光敏电阻受光照强度变换，达到改变电流大小，实现光信号转换为电信号（图6）。光敏传感器不只局限于对光的探测，还与探测元件组成其他传感器，对非电量进行检测。本装置传感器通过感知管道内部光照强度的强弱，向单片机传输光强数据，以确定是否通过让蓄电池放电的形式实现供光（图7）。

图6 光敏传感部分电路

图7 光敏传感实物

2.3 LED 点亮模块

本模块由太阳能板、风力发电机、底部蓄电池组、电路控制器、逆变器等组成。利用STM32F103 作为主控模块，配合直流稳压电源、蓄电池及切换模块，为LED 供电（图8、9）。

图8 控制部分与蓄电池组

图9 单片机处理原理

2.4 系统切换模块

在单片机的控制下，光敏根据设定的光照阀值，控制蓄电池是否通过发电机供电给LED 灯圈，光敏系统电路如图10 所示。

图10 光敏系统电路

2.5 太阳轨迹跟踪模块

照射进来的太阳光透过通光孔会在光电传感器上产生光斑，光电传感器检测到光斑与中心位置的偏差后，计算太阳具体方位，将收集到的信息传递给控制系统进行调整，从而对太阳进行动态跟踪（图11）。其中：L为光斑与中心轴线的偏差；H为暗室与光电传感器的距离；θ为太阳光线的偏差角。

图11 太阳位置检测

θ的表达式为：

将光电传感器检测数据转变成二维坐标形式，偏差角用θx和θy表示。

其中，Lx、Ly分别为光斑在x、y方向的偏差。此时，光电传感器将得到的信息传递给控制系统，通过转向机构调节，使光斑时刻保持在中心位置，最大化利用太阳光能。

3 实物测试

3.1 点亮测试

白天太阳光强，光敏控制系统将信息传递单片机，其他系统处于待机状态，太阳轨迹跟踪系统使太阳板接收足够强的太阳能，外界的风通过楔形风口后风力加强，驱动风力发电机，源源不断给蓄电池组供电，自然光线直接进入本装置（图12），实现了自然光线通过采光罩、导光管、漫射器到达室内，其光线和原来的光线强度基本一致。

图12 白天测试结果

黑暗状态下，周围环境的光线强度小于设定值，光敏控制系统将信息传递单片机，装置的LED 灯补光系统工作，蓄电池给导光管中的LED 灯供电，补给光源，此时的LED 灯光照相当于充当白天的自然光线，其光线强度与白天一致（图13）。

图13 黑夜测试结果

3.2 系统切换

光敏根据设定的光照阀值，在单片机的控制下，通过判定导光管内部的光照强度与设定阀值关系，以实现系统切换。

“白天”状态下，光照强，发光二极管亮绿灯，显示蓄电池充电，电子屏幕显示“charging”（图14），导光管内光线充足，仅依靠顶部采光罩接收的太阳照明，太阳能和风力发电为蓄电池充电。

图14 白天状态光敏系统

“黑夜”状态下，导光管内光线不足，此时发光二极管不亮，电子屏幕显示“ledopen”（图15），蓄电池为管道内部LED 灯圈供电，LED 灯进行补光，并采用PWM（脉宽调剂法）法调节LED 亮度，达到稳定照明的效果。

图15 黑暗状态光敏系统

4 结论

基于导光管采光原理，组合太阳能、风能、储能与LED 补光装置，利用光敏传感器，通过光强度调控引导式光与辅助切换装置，以适应不同强度的光照，实现了室内光照稳定性。

（1）针对自然光导入的时间与强度问题，提出了以导光为主，风光组合为辅的管道类照明装置。针对自然光导入室内的稳定性问题，采用太阳轨迹跟踪技术及光敏控制技术，获取更多储存能量，三者自适应切换，实现能量互补。

（2）针对多模块的结构受限问题，创新的采用了以导光管为中心的金字塔形结构，充分利用太阳能电池板围城“楔形”空间，以加大风能转变效率。