【正文】 I第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景及意義近年來，隨著城市建筑趨向高層化和密集化，僅依靠傳統(tǒng)的釆光方式已經(jīng)不能滿足建筑物內(nèi)部的釆光要求。太陽是一個非常理想的天然光源，它發(fā)出的電磁波含有無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線、γ射線和宇宙射線，1017 W，其光功率強度達(dá)到1367 W/m2，其中紅外光的能量約占太陽總輻射能的一半。太陽能光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)不僅能夠把清潔健康的陽光均勻?qū)胧覂?nèi)，隨意改變室內(nèi)光線的整體和局部布局，代替白天的電力照明，大大節(jié)省電費開支，而且節(jié)能環(huán)保，足不出戶便能充分地沐浴陽光。它可應(yīng)用于體育館、機場、火車站、地下車庫、高濕度、高溫度場所、水下或水池邊、甚至有火險、爆炸性氣體的場所等地，它是一個安全的光源。1979年8月laforet公司制造出第一個采集太陽光的照明系統(tǒng)“Himanwari”，即“向日葵”。中國在我國，八、九十年代，就已經(jīng)有一部分科研院所和企業(yè)著手研究此類自然光導(dǎo)光管(光纖)照明系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要組成部分有，太陽光聚光器、光纖與匯聚光的耦合器、光纖傳輸、傳輸終端漫散射裝置、自動跟蹤驅(qū)動裝置、控制器件、光電傳感器件和系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)等組成。本文中通過設(shè)計一組凹凸透鏡組作為專用耦合器對聚光透鏡進(jìn)行消球差調(diào)整，同時解決了光纖對匯聚光束提出的一些性能要求。光纖的傳輸效果也對整個系統(tǒng)的實際使用意義有很大的影響，當(dāng)會聚光很好的耦合入光纖后，無論裝置安裝在建筑物的頂部或是安裝在地表，都需要幾米到幾十米的光纖將匯聚的太陽光束傳輸?shù)绞覂?nèi)或者地下空間。還有電機直接驅(qū)動小齒輪，而小齒輪又直接帶動大齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動。本章針對菲涅爾透鏡的聚光特性以及匯聚光斑的特點進(jìn)行了詳細(xì)的分析計算，并對入射太陽光束的橫向誤差、縱向誤差以及角度誤差對耦合效率的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。 聚光器的種類用于收集太陽光的聚光器的種類繁多，從工作原理來說，可分為折射式和反射式兩類。菲涅爾透鏡的設(shè)計概念在于拿掉傳統(tǒng)透鏡中的多余材料，方法是把透鏡兩表面的厚度減小或者將中間的部分挖空，在不改變該透鏡的曲率的前提下，在透鏡表面制造出許多同心圓狀的四槽，該光學(xué)器件仍然可以將平行入射到透鏡的光線聚焦在原來的焦點上?？煽闯隼硐氲睦饨堑拇笮∈沁B續(xù)變化的，實際制作過程中，棱角的變化不可能是一個連續(xù)的過程，在一定的長度內(nèi)，棱角的角度是固定的某個值，所以平行主光軸入射的光線不可能形成一個光點，而是一個光斑。通過對上述三種透鏡的介紹可知，不同于常規(guī)凸透鏡與塞格林式聚光器，菲涅爾透鏡具有重量輕、成本低廉、安裝方便、透光度高、聚光比高等優(yōu)，而在實際應(yīng)用中受到更多的青睞，因此用常規(guī)凸透鏡作為太陽追蹤光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明系統(tǒng)的聚光器不是最佳方案，故在本系統(tǒng)設(shè)計中的聚光器選擇菲涅爾透鏡。同理可得整個匯聚區(qū)域中 個點的縱坐標(biāo)值，且推出匯聚區(qū)域各處的直徑后，其中的最小 值所對應(yīng)的橫坐標(biāo)便是整個匯聚區(qū)域中心半徑最小位置，且稱為束腰半徑，由此可得當(dāng)某波長平行光束以角度i入射菲涅爾透鏡后，其匯聚區(qū)域的最佳焦斑位置為束腰半徑處。 導(dǎo)光管的基本結(jié)構(gòu)導(dǎo)光管一般被設(shè)計成為圓形的管子，其內(nèi)壁通常被渡上一層對光發(fā)射能力強的物質(zhì)或者填充上某種介質(zhì)。光纖是一種高度透明的纖維，通常是由聚合物制棒之后再拉制成絲而制作成的。圖36 兩種不同光纖在橫截面的折射率分布對于標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖來說的話，其折射率會突然變大或突然變小，即呈階躍型分布。 光纖導(dǎo)光原理當(dāng)光從折射率比較大的傳輸介質(zhì)中入射到折射率較小的傳輸介質(zhì)中時，通常情況下會在這兩種不同介質(zhì)的交界面處對傳輸?shù)墓饩€分別產(chǎn)生反射以及折射現(xiàn)象。所謂子午面是指任何平面，只要穿過光纖的中心軸線，就是子午面。該數(shù)值孔徑角的大小與傳光光纖的數(shù)值孔徑以及發(fā)射介質(zhì)的折射率n0的大小相關(guān)。其中是Q點在下橫截面上的投影點，是光纖的芯軸外沿母線與斜光線之間的夾角，其大小用字母θ表示。因此與子午光線對傳光光纖的數(shù)值孔徑NA的要求相比較的話，斜射光線對傳光光纖的數(shù)值孔徑NA的要求將會更加地嚴(yán)格。然而在實驗室之外的實際應(yīng)用的過程中，有關(guān)光纖在傳光的過程中所產(chǎn)生的光損失的重要參數(shù)是光纖在其單位長度上的衰減，它在數(shù)值上等于散射和吸收之和。 θNA表示光纖的最大接收角 橫向誤差對耦合效率的影響太陽光束經(jīng)聚光裝置匯聚后的光斑與光纖的主光軸的偏移誤差為d ，R 為光纖芯軸的半徑，r 為光斑的束腰半徑。 圖310 縱向偏移誤差和耦合效率的關(guān)系曲線 角度誤差對耦合效率的影響當(dāng)匯聚的太陽光束與光纖的主軸未處在同一直線，且兩者間存在夾角，將這個夾角稱之為角度誤差。為了將匯聚光盡可能多的耦合入光纖中，需要相應(yīng)的耦合裝置且符合光與光纖耦合的條件，即匯聚光束的光斑直徑小于纖芯的直徑ds ＜dcore ；發(fā)散全角小于光纖的數(shù)值孔徑角θs ＜2arcsin(NA)。以便觀察實驗結(jié)果圖315 對光調(diào)試 裝置照明效果如圖316所示，通過對裝置的調(diào)試，并將光纖輸出端口引入到一個暗室內(nèi)，便可得照明效果?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分的性能優(yōu)劣將直接影響著太陽光自動跟蹤裝置的跟蹤的精度、跟蹤的實時性等，也進(jìn)一步的影響著整個系統(tǒng)的功能優(yōu)劣。對于步進(jìn)電機三種工作模式的劃分來說，不僅有效地提高了太陽光自動跟蹤裝置對太陽方位追蹤的精確性、實時性，而且還能有效地節(jié)約步進(jìn)電機對電能的損耗，更加綠色、環(huán)保、可持續(xù)。在空閑模式中，CPU停止工作，而RAM、定時/計時器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作；在掉電模式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。這樣就可以無論陰天到晴天還是晴天到陰天下的追蹤模式的切換。由運算放大器的工作原理知，這時4組運放的輸出端同時輸出高電位。當(dāng)光電二極管受到光照時，通過光電檢測電路之后，實現(xiàn)了光信號到電信號的轉(zhuǎn)變，這時系統(tǒng)需要軟件將光電檢測部分與控制部分聯(lián)系起來。RST提供有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供了單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段。I/O：數(shù)據(jù)輸入、輸出引腳。步進(jìn)電機的這些特性非常適合用單片機來控制，步進(jìn)電機根據(jù)單片機輸出的控制信號來運轉(zhuǎn)。因此，要想熟練地用好步進(jìn)電機也不是一件簡單的事情，因為它與很多專業(yè)領(lǐng)域的知識密切相關(guān)。176。電機在制造時都會在其銘牌上標(biāo)出步距角的參數(shù)值，而該步距角未必與電機工作時的步距角相等。反應(yīng)步進(jìn)電機在轉(zhuǎn)動的過程中的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有步距角精度、失步、失調(diào)角以及電機的共振點。但由于動態(tài)力矩與電機運行時的平均電流大小有關(guān)系，而且是隨著平均電流的增大而增大。總之，步進(jìn)電機收到一個勵磁脈沖信號后，步進(jìn)電機就會相應(yīng)地轉(zhuǎn)動一個步距角的角度，因此，不停地給步進(jìn)電機發(fā)來脈沖信號后，步進(jìn)電機便可連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果要想使步進(jìn)電機按反方向轉(zhuǎn)動的話，那么只需要將勵磁信號反向傳送即可實現(xiàn)。步進(jìn)電機接收到任意一個勵磁脈沖信號以后。4current電流5resistance電阻6inductance電感7Holding torque保持轉(zhuǎn)矩設(shè)計采用SJ220MA驅(qū)動器。系統(tǒng)運行流程圖如下圖所示。時鐘部分：系統(tǒng)選用的是串行時鐘芯片DS1302，在太陽固定軌跡追蹤模式下，系統(tǒng)需要讀取DS1302內(nèi)的時間來計算太陽高度角和方位角。步進(jìn)電機每收到一個脈沖信號，則轉(zhuǎn)過一個步距角，因為具有這種線性關(guān)系，且步進(jìn)電機只有周期誤差，沒有累積誤差， 步進(jìn)電機在速度位置等控制領(lǐng)域應(yīng)用變得簡單，具有瞬間啟動和急停等優(yōu)點。在介紹每部分電路的同時，對在此部分電路中所選取的芯片也作了介紹，重點介紹對象是每部分電路的連接方法、電路原理以及電路在系統(tǒng)中要實現(xiàn)的功能。在硬件的基礎(chǔ)上，對軟件進(jìn)行了設(shè)計，硬件與軟件的結(jié)合實現(xiàn)了太陽光自動跟蹤裝置對太陽方位的二維、精確追蹤。目前國內(nèi)外太陽能與傳統(tǒng)市電照明結(jié)合的性能更優(yōu)的系統(tǒng)和新裝置不斷被研制出來，各國科研人員對太陽能光纖照明實用系統(tǒng)的開發(fā)研究正在進(jìn)一步深入，各種新方案、新器件不斷被運用到太陽能光纖照明系統(tǒng)的設(shè)計、制作當(dāng)中。原理：首先進(jìn)入太陽固定軌跡追蹤模式，從時鐘芯片那里獲取當(dāng)前時間，再結(jié)合預(yù)設(shè)的模型里的公式，計算出太陽能板當(dāng)時在太陽高度角及方位角方向分別偏移水平方向的高度，延時15分鐘后，利用相同方法計算延時后所對應(yīng)的兩個方向上的偏移高度，計算兩次調(diào)整之間的角度差，就可以利用這個高度差計算出需要電機轉(zhuǎn)動的角度了。這部分的程序設(shè)計只需要根據(jù)單片機檢測4個光敏二極管所對應(yīng)的單片機的4個引腳的點位的高低，來判斷當(dāng)時太陽的朝向，并對電動機發(fā)出相應(yīng)的命令，程序流程圖如下圖所示。如果系統(tǒng)檢測到D0受到了光照，這時軟件控制系統(tǒng)延時15分鐘。 圖412 步進(jìn)電機驅(qū)動器電路SJ220MA步進(jìn)電機驅(qū)動器接線區(qū)可分為三個部分：控制信號端，電源端，步進(jìn)電機接線端。表43 步進(jìn)電機一二相勵磁順序表STEPAB11000211003010040110500106001170001勵磁順序說明1→2→3→4→5→6→7→8設(shè)計的太陽光自動跟蹤裝置中所使用的兩個步進(jìn)電機都是六線四相步進(jìn)電機，其型號為57BYG450D4。對于步進(jìn)電機的二相勵磁方式來說，其特點是電機在運行的過程中不僅產(chǎn)生的振動很小，而且輸出的轉(zhuǎn)矩也比較大，因此成為現(xiàn)在運用范圍最為廣泛的勵磁方式。①一相勵磁一電機運行的任一時刻，當(dāng)且僅導(dǎo)通步進(jìn)電機的一個繞組線圈。 （2）步進(jìn)電機的工作原理雖然步進(jìn)電機有三線類型的、五線類型的以及六線類型的，但它們所采用的控制原理都是一樣的，即都是利用脈沖信號電流來進(jìn)行驅(qū)動控制的。③失調(diào)角一轉(zhuǎn)子齒軸線與定子齒軸線之間偏離的角度大小。四相八拍運行模式時，即AABBBCCCDDDAA。步進(jìn)電機的步距角通常會隨著步進(jìn)電機的相數(shù)的改變而改變，例如二相步進(jìn)電機的步距角有兩種情況，而五相步進(jìn)電機的步距角也有兩種情況。反應(yīng)式步進(jìn)電機通常是三相的，其特點是能夠輸出很大的轉(zhuǎn)矩，176。步進(jìn)電機高根據(jù)脈沖信號的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并且步進(jìn)電機不是閉環(huán)反饋控制器件。圖47 時鐘電路 步進(jìn)電機的選擇步進(jìn)電機是一種幵環(huán)控制元件，可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移。上電時，Vcc，RST必須為邏輯0，當(dāng)RST由0至1狀態(tài)時，SCLK必須為邏輯0。具有318RAM，可供保存有用數(shù)據(jù)。以D1為例：當(dāng)D1處于導(dǎo)通狀態(tài)，正如上文所述，這時只有D1所對應(yīng)的運算放大器AL1輸出低電位，而與D0一樣沒有受到光照的DDD4所對應(yīng)的運算放大器ALALAL4輸出高電位，、。圖44 判斷晝夜電路(3)光電檢測電路設(shè)計 光電檢測電路主要是檢測太陽的高度角和方位角的變化，電路中采用了5個光敏二極管。本系統(tǒng)設(shè)計的是將光電追蹤模式和太陽角度追蹤模式結(jié)合起來，當(dāng)陰天的時候，太陽光比較弱，這時系統(tǒng)會由光電追蹤模式轉(zhuǎn)換到太陽角度追蹤模式。它是整個系統(tǒng)的核心。根據(jù)步進(jìn)電機的工作情況進(jìn)行劃分的話，可以將其分為跟蹤模式、原處等待模式以及復(fù)位模式。第4章 陽光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 第4章 陽光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計光纖太陽光照明系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)單元包括硬件控制和軟件控制兩部分，硬件部分主要由單片機、數(shù)據(jù)控制卡、步進(jìn)電機及其驅(qū)動器、光電傳感器以及傳感檢測電路組成。單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差，故單透鏡本身無法矯正球差（消球差一般只能使一個孔徑球差為零，通常對邊緣孔徑矯正球差）通過菲涅爾透鏡與二級小凹透鏡的配合使用，可將匯聚后的光束準(zhǔn)直為大密度小直徑的光束，這樣做不僅可以消球差，同時使得二級小凸透鏡與光纖的耦合更加便于控制和實施加工。時，耦合效率也將降低近 30%，因此也不能忽略。當(dāng)匯聚太陽光斑與耦合端口存在偏移時就使得在光纖端面處光斑面積增大，從而不再符合光與光纖耦合條件，即ds＞ dcore ，如圖所示， p 為匯聚光斑與光纖的縱向偏移誤差，r是匯聚光斑束腰處的半徑。因為三種光纖的數(shù)值孔徑及芯徑直徑不一樣，但光纖耦合系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計使只能參照其中一種光纖的參數(shù)設(shè)計，由于硬皮層石英光纖對光學(xué)結(jié)構(gòu)要求最高，只要滿足硬皮層石英光纖，就可滿足其他兩種光纖的耦合要求，因此確定太陽光光纖耦合系統(tǒng)工作要求時，按硬皮層石英光纖的芯徑直徑與數(shù)值孔徑計算。傳輸光的距離越長，所需要的光纖也就越長，那么光纖內(nèi)部對光的吸收和散射所產(chǎn)生的光損失也就會越多。這樣、都是直角三角形，因此可以得到: 在 中，在中， (324) 在中，上述公式(324)說明了θ、β以及這三個角之間所存在大小關(guān)系。對于斜光線來說，此類光線在光纖內(nèi)部與中心軸是不在同一平面內(nèi)的。另外在空氣與纖芯的分界面上，根據(jù)斯涅耳定律公式有: (318) 根據(jù)光線在傳光光纖中發(fā)生全反射的原理可以得到 (319)另外將該表達(dá)式帶入到上述公式(218)以后，經(jīng)過整理以后可以得到 (320)而當(dāng)光線是從空氣介質(zhì)入射進(jìn)入光纖介質(zhì)的時候，空氣的折射率n0的數(shù)值等于1，因此 (321)另外定義光纖數(shù)值孔徑NA為： (322)在