太阳光照明的关键技术研究

论文摘要

人与自然的和谐共存是人类永恒追求的信念,自然界的太阳光是最健康、最明亮、最舒适的自然光源,取之不尽,用之不竭。但到目前为止,人们对阳光照明的利用绝大多数都停留在使用很少一部分阳光通过玻璃窗、天窗射人室内,达到照明和景观的作用,这种方式对阳光的利用率很低。太阳光采集照明装置是将自然的太阳光在不进行热、电和机械等能量转换的前提下,经收集后由传光纤传输至建筑物进行照明,它保留了太阳光的大部分自然特性。这项研究拓宽了传统太阳能利用研究领域,开辟出日光照明新技术,采集太阳光用于照明近年来成为许多国家研究重点,欧盟已将近十年太阳能供暖研究和发展预算的85%转向了日光照明技术方面的研究。但是我国在这方面的研究还处于起步阶段。本文开发了一套太阳光采集照明系统,该系统由太阳光采集装置、太阳光采集器自动跟踪装置、光谱分离装置以及太阳光传输与照明装置构成。该系统结构较简单,对太阳光的跟踪精度较高,成本相对较低,有一定的实用价值。在分析了典型聚光器的聚光原理的基础上,设计了收集太阳光的一次和二次抛物面聚光镜,进行了材料的选择和尺寸的计算,同时,为了最大范围的收集太阳光,设计了太阳光自动跟踪装置,该跟踪系统由跟踪传感器、控制电路以及方位角与高度角调整机构组成,采用了传感器跟踪与定时器跟踪相结合的跟踪方法,跟踪精度和稳定性都较高。提出了可行的光谱分离方案,并选定了用反射膜进行可见光与红外光的分离。对太阳光传输用的光纤进行了设计。对不同建筑物的照明标准进行了分析,设计了太阳光照明与人工照明相结合的混合照明系统。通过实验测试,所设计的传感器性能较稳定,在夏天阳光较强的时刻光电池的输出也不会达到饱和,所涉及的控制电路和调整机构性能也很稳定,在软件程序的控制下,能够平稳的运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 太阳能的特点
• 1.1.2 太阳能利用基本方式
• 1.1.3 我国太阳能资源及利用情况
• 1.2 课题意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内现状
• 1.3.2 国外现状
• 1.4 目前主要存在的问题
• 1.5 课题的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 太阳光室内照明系统总体设计
• 2.1 太阳辐射特点及其对太阳光照明系统的影响
• 2.1.1 太阳辐照度及特点
• 2.1.2 太阳的直接辐射和散射辐射
• 2.1.3 光通量、太阳光的效率
• 2.2 太阳光采光照明技术的比较
• 2.3 系统的组成和基本工作原理
• 2.4 本章小结
• 3 太阳光收集装置的研究
• 3.1 太阳张角
• 3.2 聚光度
• 3.3 典型聚光器聚光性能分析
• 3.3.1 抛物面反射镜的聚光性能
• 3.3.2 折射式菲涅尔聚光器
• 3.3.3 复合抛物面（CPC）聚光器
• 3.4 聚光器的选择
• 3.5 一次旋转抛物面反射镜的设计
• 3.5.1 旋转抛物面参数的确定
• 3.5.2 旋转抛物面材料的选择
• 3.6 二次抛物面反射镜的设计
• 3.7 本章小结
• 4 太阳光自动跟踪装置的研究设计
• 4.1 太阳运动规律
• 4.1.1 太阳与地球的位置关系
• 4.1.2 相关角度的计算
• 4.2 跟踪方案选择及核心元件选型
• 4.2.1 视日运动运动轨迹跟踪
• 4.2.2 光电跟踪
• 4.2.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合
• 4.2.4 系统跟踪方案选择
• 4.2.5 光电池选型
• 4.2.6 控制器选择
• 4.2.7 电机选型
• 4.3 太阳能自动跟踪系统方案组成和工作原理
• 4.4 传感器的结构及工作原理
• 4.4.1 传感器的结构设计
• 4.4.2 传感器的工作原理
• 4.4.3 传感器跟踪范围的确定
• 4.5 太阳光自动跟踪装置的控制电路的设计
• 4.5.1 控制电路的功能
• 4.5.2 控制电路的总体设计方案
• 4.5.3 TMS320LF2407 DSP 的介绍
• 4.5.4 DSP 外围辅助电路的设计
• 4.5.5 模拟量输入电路
• 4.5.6 电机驱动器及介绍
• 4.5.7 电源模块
• 4.5.8 接口模块
• 4.5.9 存储器扩展电路
• 4.6 调整机构的设计
• 4.7 本章小结
• 5 光谱分离装置的研究
• 5.1 光谱分离方案分析比较
• 5.1.1 棱镜分光
• 5.1.2 光栅分光
• 5.1.3 透镜分光
• 5.1.4 滤光片分光
• 5.2 方案的确定
• 5.3 本章小结
• 6 太阳光传输及照明装置的研究
• 6.1 空芯光纤的传输原理
• 6.1.1 电介质金属型空心光纤的导光机理
• 6.2 空芯光纤的模型设计
• 6.2.1 空心光纤的金属膜层材料的选择
• 6.2.2 制备空心光纤的电介质层材料的选择
• 6.3 空心光纤的参数的确定
• 6.3.1 基管材料的选择
• 6.3.2 基管材料内径的确定
• 6.3.3 金属银膜厚度的确定
• 6.3.4 PMMA电介质膜厚度的确定
• 6.3.5 传光束的设计
• 6.4 光纤照明灯具设计
• 6.4.1 建筑物照明标准
• 6.4.2 光纤出射端太阳光的特点
• 6.5 太阳光照明与人工照明的混合照明系统设计
• 6.6 系统照明能力的计算
• 6.7 本章小结
• 7 太阳能自动跟踪装置的调试实验
• 7.1 跟踪传感器实验
• 7.1.1 光电池实验
• 7.2 控制电路调试实验
• 7.2.1 单个模块实验调试
• 7.2.2 系统的联合调试
• 7.3 本章小结
• 8 全文总结
• 8.1 总结
• 8.2 论文中存在的不足之处与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录