【正文】 上述的公式(321)中，△在數(shù)值大小上等于n1與n2之差再與n1相比所得數(shù)值。其中(a)為不同入射角θ時的光線傳輸條件示意圖，而（b）為光線入射角θ等于臨界角0。多模光纖因其對光線的折射率在包層和纖芯的徑向分布上不是一個恒定不變的數(shù)值，故多模光纖可以被區(qū)分為階躍多模光纖和漸變多模光纖兩種不同類型。一種是其折射率在光纖纖芯區(qū)域中是一個不隨其他參數(shù)變化而變化的值，但是在光纖纖芯與包層相接觸的地方，折射率會突然變大或變小的光纖被定義為階躍光纖。所以光在空芯導(dǎo)光管中傳輸?shù)臅r候，光損耗的情況就會更加嚴重，導(dǎo)致最后剩余的光線能量根本無法達到照明的目的。當太陽光束垂直入射時，匯聚光斑為一個立體的圓棱形且此時匯聚光斑直徑最小為dmin ，將其稱為束腰直徑，聚光比 C 在此時取值最大。為了便于計算，將v點取為尖劈斜面的中點。塞格林式聚光器包含兩塊鏡子，一塊是一片碟型拋物面鏡，另外一片是蝶形雙曲面鏡，雙曲面鏡的兩面各有一個焦點。但是如何做到照射到每個棱角的平行光線都會折射到焦點處呢?這主要由棱角的角度決定。常規(guī)玻璃凸透鏡的聚焦性能與其厚度有關(guān)，要實現(xiàn)高能量，大面積的光線聚焦，則需要把凸透鏡的厚度增大，這樣以來，制作成本較大、透鏡重量大、安裝難度大、成本昂貴。幾何聚光比，是指聚光器的采光面和吸收器的出射面的幾何表面積之比。下圖是一個太陽光自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)的硬件框圖。另一部分是對步進電機與聚光平臺間傳動機構(gòu)的設(shè)計。通過把上述的兩種跟蹤方案進行簡單的分析和比較，根據(jù)其各自的優(yōu)點，進而選擇出最佳的跟蹤方案。聚光器采用了菲涅爾透鏡涅爾透鏡的在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。根據(jù)光纖導(dǎo)光特點，不同材質(zhì)光纖導(dǎo)光強弱，選擇合適光纖（2）對太陽能光纖照明系統(tǒng)的太陽光自動跟蹤裝置的硬件進行了總體設(shè)計，并對各個功能模塊電路進行分別設(shè)計。大概在1995年，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)發(fā)明了組合太陽光照明系統(tǒng)。因上述該照明系統(tǒng)的優(yōu)點，必然促使光纖照明的需求增加。傳導(dǎo)系數(shù)較低，需要附加制冷或者采暖設(shè)備，增加了消耗。照明能耗是人類生活能源消耗中最多的一項，約占總能耗的 9% 以上。根據(jù)國際能源協(xié)會公布結(jié)果，世界各國平均照明用電量約占全球總發(fā)電量的19%。其中，全世界越28%的電能用于居住生活。太陽能的開發(fā)利用一般有間接和直接間接兩種途徑，間接方法通過光電轉(zhuǎn)換或光熱轉(zhuǎn)換，面臨轉(zhuǎn)換效率低、轉(zhuǎn)換成本高的難題，直接利用是太陽能利用的新思路。由于缺少調(diào)節(jié)光亮的裝置，設(shè)備不能根據(jù)光線的變化隨時調(diào)整輸出照明效果。通過跟蹤器、控制器、聚光器以及室內(nèi)的散光器等各種各樣的部件可組裝成一套完整的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)。這里的組合照明，就是以太陽光照明為主，不足之處再用電照明填補。分析傳統(tǒng)的跟蹤裝置的性能參數(shù)，比較其設(shè)計的優(yōu)缺點，設(shè)計出成本低、實時性好、跟蹤精確度極高的二維跟蹤裝置。菲涅爾透鏡透可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小，和普通透鏡相比，菲涅爾透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，是一種較為理想的太陽能采集器。光電跟蹤就是利用光電傳感器和其他的一些電子器件組成太陽方位的信號檢測電路，從而能夠?qū)⒂捎谔柕姆轿蛔兓吞鞖獾纫蛩刈兓鸬奶柟庹諒姸鹊淖兓D(zhuǎn)換為輸出的電壓信號的變化。該自動跟蹤裝置的機械執(zhí)行部分主要包括：起到固定整個裝置作用的底座、實現(xiàn)動力傳動的軸承以及大齒輪和小齒輪等。圖22 太陽光自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)的硬件框圖 本章小結(jié)本章概括講述了光纖太陽光照明系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，簡述光路系統(tǒng)單元、控制系統(tǒng)單元以及機械結(jié)構(gòu)單元的基本構(gòu)成器件。聚光器聚光的理論最大值由幾何聚光比得到。菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡是由常規(guī)平凸透鏡演化而來，一面刻有多個同心棱鏡序列，即一圈一圈的同心圓，另一面為光滑表面，菲涅爾透鏡相比傳統(tǒng)凸透鏡具有光學(xué)特性好、光線聚焦性能好、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點。從公式： (33)式中，n:透鏡折射率，f:透鏡焦距，x:該棱角離菲涅爾中心線的Xx軸距離。卡塞格林式聚光器是先利用拋物面鏡將入射光聚焦到雙曲面鏡背面的焦點處，然后利用雙曲面鏡將光線再次聚焦到它正面的焦點上。從圖中可以看到入射光束與菲涅爾透鏡主光軸的夾角為i ，光線入射角為i1 、透鏡平面的折射角為i1 ，透鏡尖劈斜面的入射角為i2 、出射角為i2 ，光線經(jīng)透鏡尖劈面出射后與主光軸的夾角為i ，由折射定律可得： (34)式中N 為空氣的這是率近似取 1，N 為菲涅爾透鏡材料折射率。當太陽光束斜入射時，菲涅爾透鏡的匯聚點為一個形狀不規(guī)則的彌散匯聚光斑，顯然此時d 值增大，幾何聚光比減小。故對于空芯的導(dǎo)光管來說，利用對光線的反射作用來傳遞光線會在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生很大的光衰減。而另外一種光纖在光纖纖芯區(qū)域內(nèi)，其折射率隨著某種函數(shù)變化的關(guān)系逐漸變小，這種光纖被定義為漸變光纖。另外根據(jù)纖芯的直徑2a和光波的波長λ在數(shù)值上相除所得比值的大小，光纖能夠傳輸光的原理可以用電磁場及模式理論和光線理論進行分析。時的光線傳輸條件示意圖。假設(shè) n1=，△=1%，可以得到 NA= 或者 θc。因此斜光線在光纖的內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，其所在平面的方位是不斷發(fā)生變化的，而變化的次數(shù)與發(fā)生全反射的次數(shù)是相等的。而耦合進光纖的光線在光纖內(nèi)部能夠發(fā)生全反射并進行傳輸?shù)呐R界角βc是一個不隨其他參數(shù)變化而變化的數(shù)值，且Pe在數(shù)值大小上等于n2與n1的比值大小。而在光耦合的過程中所產(chǎn)生的光損失就會越少。 光耦合條件光纖耦合系統(tǒng)的目的都是提高光纖耦合效率，因此太陽光和光纖耦合也首先要滿足光纖耦合要求，光纖耦合的要求為: 2ρ≤dcore θ＜θNA公式中，ρ表示為入射光斑的半徑。圖39 光斑縱向偏移誤差假設(shè)匯聚太陽光斑的最小直徑與纖芯的直徑相等，耦合入光纖內(nèi)的光功率的比值是與光纖與太陽光斑在接口處的重疊率是呈線性關(guān)系。 太陽光與光纖耦合裝置設(shè)計太陽光采集跟蹤系統(tǒng)的聚光裝置選用的是菲涅爾透鏡，傳光光纖選用的是石英光纖。，在光纖選擇時石英光纖的優(yōu)勢在于傳光效率，這對照明系統(tǒng)的實際使用價值是十分重要，但石英光纖的缺點在于數(shù)值孔徑相對較小，這就限制了光束的入射角度，（使得透鏡焦距 f 取值較大，導(dǎo)致裝置機械結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)）。其中接口數(shù)據(jù)控制卡是控制系統(tǒng)的核心控制器件。步進電機的跟蹤模式是指當晴朗的白天時，太陽光線的強度能夠滿足光纖照明的要求的情況下，步進電機就會帶動聚光裝置實時、精確地去追蹤太陽的方位。本系統(tǒng)所選用的單片機為AT89C51型單片機。下圖是電路部分。將整個光電檢測裝置（光電傳感器）安裝在太陽板上，光敏二極管的檢測面與太陽能板平行。 單片機控制電路設(shè)計單片機控制電路是用來控制電動機的轉(zhuǎn)動的，由上文所介紹的檢測電路檢測到光信號(即太陽光的朝向)，經(jīng)過比較電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，單片機據(jù)此檢測到的電信號來命令控制電路的工作，以達到系統(tǒng)追蹤的目的。DS1302與單片機的通信僅需三根線即SCLK（串行時鐘線）、I/O（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位線）。DS1302主要引腳有：X1。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速與停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，與負載變化無關(guān)，即電機收到一個脈沖信號，則轉(zhuǎn)過一個固定的角度(步距角)。在步進電機的載重范圍內(nèi)，有關(guān)步進電機轉(zhuǎn)動的技術(shù)參數(shù)只與脈沖信號的多少以及脈沖信號的頻率有關(guān)，而與負載是增加還是減小沒有關(guān)系。但是該種步進電機在運行的過程中，不僅會產(chǎn)生很大的噪聲，而且還會產(chǎn)生很嚴重的振動。在細分驅(qū)動器還沒有被發(fā)明的時候，人們主要通過選用不同相數(shù)的步進電機以實現(xiàn)對其步距角的改變。④定位轉(zhuǎn)矩一電機在斷電的時候，電機的轉(zhuǎn)子鎖定本身的力矩的大小。電機在轉(zhuǎn)動的過程中，肯定會存在失調(diào)角的，而由失調(diào)角所帶來的誤差，細分驅(qū)動是無法消除的。假如步進電機轉(zhuǎn)動一圈要用200個脈沖信號來對勵磁繞組進行勵磁的話，即步進電機的轉(zhuǎn)動角度與勵磁脈沖信號的個數(shù)之間是呈正比例關(guān)系的。步進電機接收到任意一個勵磁脈沖信號后。如果用該種勵磁方式對步進電機的正轉(zhuǎn)進行控制的話，其對應(yīng)的勵磁脈沖信號順序表則如下表所示。該種步進電機不僅價格低廉、控制精度高，而且動態(tài)反應(yīng)速度快等?？刂菩盘柖耍候?qū)動器通過脈沖信號(CP)接線端口接收脈沖信號，按接收到脈沖信號數(shù)量來驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動角度；驅(qū)動器通過方向信號端(DIR)接收方向信號，發(fā)送相應(yīng)的指令使步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；控制信號的公共端(COM)； 脫機電平輸入端(RST)：此端子加低電平，電機處于自由狀態(tài)。如果系統(tǒng)檢測到D0沒有受到光照，之后系統(tǒng)對分布在D0周圍的4個光敏二極管D1～D4分別檢測，如果檢測到哪個光敏二極管所對應(yīng)的單片機引腳是低電位，這就說明這個光敏二極管受到了光照，這時系統(tǒng)命令此光敏二極管所對應(yīng)的電機超規(guī)定的方向轉(zhuǎn)動，直到D0受到光照為止，這樣就完成了追蹤太陽的目的。圖414 光電檢測追蹤模式流程圖 光電檢測追蹤模塊的設(shè)計。該追蹤程序流程圖如下圖所示。結(jié)合目前該領(lǐng)域的發(fā)展狀況，對本文設(shè)計制作的太陽能光纖照明裝置總結(jié)如下:(1)深入研究并分析了各種聚光裝置的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)特點、性能特點和其在實際使用過程中所遇到的問題，并且本文設(shè)計的太陽能光纖照明系統(tǒng)選用了基于菲尼爾透鏡結(jié)構(gòu)的聚光器作為本系統(tǒng)的聚光裝置，而且也對其設(shè)計原理、尺寸計算方法等進行了詳細介紹。(3)分析對比了現(xiàn)有的太陽光跟蹤方法，即視日跟蹤和光電跟蹤方式，并對其工作原理、實際使用過程中的優(yōu)缺點進行了分析比較，最終確定了本文設(shè)計的太陽光自動跟蹤裝置采用光電跟蹤的方式，而且對由光敏二極管組成的信號采集電路進行了詳細的分析、介紹。電路主要包括光電檢測電路、單片機控制電路、時鐘電路、步進電機驅(qū)動器電路。步進電機的轉(zhuǎn)速、啟動停止位置只取決于接收脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，在通常情況下，負載大小對其沒有影響。此模式只與時間和地點有關(guān)，而不受太陽光強弱的影響，正好彌補了光電追蹤模式陰天不能正常追蹤的缺陷。即開機之后，上電復(fù)位，系統(tǒng)進入啟用中斷處理程序，進入等待模式；若是白天，系統(tǒng)會通過光敏二極管來判斷是晴天還是陰天，晴天時，系統(tǒng)進入光電追蹤模式，陰雨天時，系統(tǒng)進入太陽固定軌跡跟蹤模式。表44 57BYG450D4 步進電機的技術(shù)指標參數(shù)序號英文名稱中文名稱參數(shù)值1Rated voltage電壓2 phase相數(shù)43Step angle步距角。 表42 步進電機二相勵磁順序表STEP AB11 100201103001141001勵磁順序說明1→2→3→4③一一二相勵磁一該種勵磁方式是一相勵磁和二相勵磁相互替換使用的勵磁方式。如果使用該種勵磁方式對步進電機的正向轉(zhuǎn)動進行控制的話，那么其對應(yīng)的勵磁順序則如下表所示。該類型的步進電機共擁有A、5四條勵磁脈沖信號線，一般改變這4根勵磁脈沖信號線上面的勵磁脈沖發(fā)生的時間就能夠?qū)崿F(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)動進行控制了。圖48 步進電機運行矩頻特性曲線當確定步進電機的型號的時候，由于電機的靜力矩是電機的固有屬性，因此就不會再變化了。它是反應(yīng)步進電機性能的眾多參數(shù)中的一個主要的參數(shù)，其大小一般和步進電機慢轉(zhuǎn)速時的力矩大小差不多。②步距角一表示步進電機的驅(qū)動電路每接收到一個步進脈沖信號以后，步進電機所轉(zhuǎn)過的角度的大小?；旌鲜讲竭M電機不僅有二相的，而且也有五相的。然而盡管步進電機應(yīng)用廣泛，但是在使用時必須有脈沖信號發(fā)生器、步進電機驅(qū)動電路等的配合，方可使用。同時電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制，從而實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。RST：復(fù)位， 對芯片操作。串行時鐘芯片為了初始化任何的數(shù)據(jù)傳送，通過把RST輸入驅(qū)動至高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。圖46 單片機控制電路設(shè)計上圖是控制電路中的一組。D0處在圓盤的中間位置，當D0受到光照時(這時太陽能板正對太陽)，D0導(dǎo)通，4組運放的同相輸入端連在一起同時檢測到高電位，這時分布在D0周圍的4個光敏二極管D1～D4的正極分別接到了LM324芯片的4組運算放大器AL1～AL4的反相輸入端，D1～D4截止，4組運放的反相輸入端檢測到低電位。即是，晴天時，光電二極管受到的光照強度足以使其導(dǎo)通，運放輸出高電位，程序繼續(xù)運行，通過光電追蹤模式進行追蹤；當太陽光的強度不足以使電路中的光敏二極管導(dǎo)通時，經(jīng)過比較電路之后，運放輸出低電平，這時利用軟件來控制系統(tǒng)啟用太陽固定軌跡追蹤模式。AT89C51的設(shè)計選用的是靜態(tài)邏輯，也就是說它的頻率可以到0，可以實現(xiàn)空閑模式和掉電模式。同樣對于太陽能光纖照明系統(tǒng)的復(fù)位模式來說，是指當太陽落山至第二天太陽升起的夜間時，光線的強度很低以至于無法滿足光纖照明的要求時，步進電機就會執(zhí)行復(fù)位模式，即帶動聚光裝置轉(zhuǎn)動到太陽升起就需要開始進行實時、精確地追蹤的位置處。 硬件控制系統(tǒng)該跟蹤裝置的控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括由光電傳感器組成的信號檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機控制芯片和步進電機及其驅(qū)動器等部分組成。 陽光光纖照明簡易實驗裝置 裝置組成圖314展示了該裝置的主要有組成，包括菲涅爾透鏡，塑料光纖，當光照通過菲涅爾透鏡，就可以看到光纖末端實驗結(jié)果圖314 簡易裝置圖圖315展示了實驗人員正在對透鏡對光位置進行調(diào)整，使透鏡盡可能的對準光照充足的地方。但石英光纖的芯徑范圍在幾百微米到幾毫米。（由聚光透鏡匯聚角度而定）時縱向誤差p與耦合效率的關(guān)系。 θ表示入射光線的入射角。這些光損失與傳光光纖的長度大小有關(guān)系，假設(shè)單位長度上由于吸