文 學(xué),李華強(qiáng),高陸萍,劉政偉,朱梅玉,朱科軍,陳志剛,劉志輝
(1.邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院,湖南 邵陽 422000;2.邵陽學(xué)院高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 邵陽 422000)
為了滿足人們對(duì)室內(nèi)自然光照的渴望,研究人員模擬不同天氣下的自然光,常通過調(diào)整建筑設(shè)計(jì)、窗戶位置和形狀以及遮陽設(shè)施等因素[1],研究人的視覺舒適性[2],優(yōu)化室內(nèi)光照質(zhì)量;并通過研究玻璃材料[3]、光伏設(shè)備[4]和光學(xué)透鏡等技術(shù)[5],以提高窗戶的隔熱和透光性能,輔助智能算法[6],實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)光照的監(jiān)測和調(diào)節(jié)[7]。上述方法在面對(duì)室內(nèi)存在光照傳輸障礙,而管道式日光照明可直接傳輸自然光,得到了廣泛關(guān)注。自1986 年第一代導(dǎo)光管采光系統(tǒng)以來,很多學(xué)者及公司對(duì)其展開了研究,如東風(fēng)導(dǎo)光管系統(tǒng)、盛旦導(dǎo)光系統(tǒng)及上海升葉導(dǎo)光系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品,并應(yīng)用在體育場館[8]、煙草行業(yè)[9]、水站[10]、廠房[11]、地鐵[12]、地下車庫[13]等地下空間,但大多側(cè)重于技術(shù)應(yīng)用,且受到光照強(qiáng)度、時(shí)間而限制,相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的穩(wěn)定性差。如何優(yōu)化管道照明的穩(wěn)定性和能源利用的單一性,提高管道傳輸光的效率成為各企業(yè)和用戶所關(guān)心的問題。
為此,本文提出了風(fēng)光組合管道照明系統(tǒng),以采光罩、導(dǎo)光管及漫射器等組成的引導(dǎo)式自然光照明為主,輔助以太陽能與風(fēng)能的儲(chǔ)能、照明組合,智能性適應(yīng)外界光強(qiáng)變化,確保室內(nèi)照明的穩(wěn)定性,最大限度地利用資源,節(jié)約能源。
充分利用太陽光及風(fēng)能資源,運(yùn)用光照漫反射、風(fēng)能、太陽能發(fā)電原理,以導(dǎo)光為主、風(fēng)光為輔,將室外自然光、太陽能、風(fēng)能直接或間接導(dǎo)入室內(nèi),實(shí)現(xiàn)室內(nèi)穩(wěn)定光照狀態(tài)。照明系統(tǒng)總體思路如圖1 所示,通過采光罩采集室外自然光,經(jīng)高反射導(dǎo)光管傳輸和強(qiáng)化,由系統(tǒng)底部的漫射裝置將光線均勻分散,同時(shí)輔助風(fēng)能、太陽能發(fā)電輔助供光;基于高反射導(dǎo)光管和強(qiáng)散射漫射器,采用綜合光敏傳感器[14]的單片機(jī)自適應(yīng)照明控制系統(tǒng),通過感應(yīng)光線強(qiáng)弱從而傳遞信號(hào)給控制系統(tǒng)從而給LED 供電,保證室內(nèi)光線穩(wěn)定。
圖1 系統(tǒng)框架
結(jié)合總體思路,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)
裝置由高效鋁制導(dǎo)光部分、散射漫射器、太陽能板、螺旋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)、防護(hù)裝置等組成。導(dǎo)光部分通過頂部采光罩高效采集室外自然光,再經(jīng)高反射導(dǎo)光管傳輸和強(qiáng)化,最后由系統(tǒng)底部的漫射裝置使光線均勻分散,達(dá)到導(dǎo)光目的;防護(hù)裝置由防雨裝置和晶體板組成,保護(hù)管道內(nèi)部裝置受到雨雪侵?jǐn)_。輔助部分由太陽能板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備和LED 補(bǔ)光裝置組成。三塊太陽能板圍成三角狀均勻分布在導(dǎo)光管四周且形成楔形結(jié)構(gòu),更好滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)需求;儲(chǔ)能設(shè)備通過接線與內(nèi)部光敏和LED 補(bǔ)光裝置相聯(lián),通過光敏控制系統(tǒng)調(diào)控引導(dǎo)光與led 燈切換,保證光線穩(wěn)定。
管道照明的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過采集、傳輸及漫射三個(gè)步驟(圖3)。
圖3 導(dǎo)光原理
導(dǎo)光管直徑為240 mm,厚度為1 mm,采用鏡面鋁,太陽光線經(jīng)過采光罩的折射進(jìn)入導(dǎo)光管,在傳輸過程中進(jìn)行光線的反射;為方便與導(dǎo)光管契合,采光罩內(nèi)圓(與導(dǎo)光管相連處)直徑尺寸為250 mm,外圓直徑尺寸為270 mm;漫射裝置由PC 材料或者PMMA 材料制成,具有良好的透光性、漫射性和隔熱效果,漫射后光線均勻,避免人們產(chǎn)生眩光。
通過齒輪的多級(jí)傳動(dòng)來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作,為蓄電池組充電。導(dǎo)光管外部過盈裝配軸承,軸承外部連接套筒,套筒上固定螺旋式扇葉,當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)螺旋式扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)與之相連接的大、小齒輪1 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳送;并通過軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小齒輪2 的轉(zhuǎn)動(dòng);小齒輪2 與發(fā)電機(jī)相連接,旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能(圖4)。
圖4 齒輪傳動(dòng)裝置
導(dǎo)光管中安裝圓形led 燈圈,當(dāng)光線強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí),光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞給單片機(jī),LED 燈補(bǔ)光系統(tǒng)工作,蓄電池給導(dǎo)光管中的LED 燈供電,補(bǔ)給光源,持續(xù)為裝置提供光源,LED 燈光線通過導(dǎo)光管、漫射器后的光照強(qiáng)度與白天基本相同。具體見表1。
表1 補(bǔ)光模塊選型表
工作原理如圖5 所示:太陽光線通過采光罩聚光,再經(jīng)過導(dǎo)光管傳輸?shù)降撞柯淦?,進(jìn)行室內(nèi)的光線輸送。通過楔形風(fēng)口增大風(fēng)速,確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。光敏傳感器,將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),并與蓄電池連接。通過光敏的阻值變化轉(zhuǎn)換為電流變化,以此控制蓄電池來通過發(fā)電機(jī)供電給LED 燈圈。
圖5 總體工作原理
利用光敏元件的內(nèi)部光敏電阻受光照強(qiáng)度變換,達(dá)到改變電流大小,實(shí)現(xiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(圖6)。光敏傳感器不只局限于對(duì)光的探測,還與探測元件組成其他傳感器,對(duì)非電量進(jìn)行檢測。本裝置傳感器通過感知管道內(nèi)部光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱,向單片機(jī)傳輸光強(qiáng)數(shù)據(jù),以確定是否通過讓蓄電池放電的形式實(shí)現(xiàn)供光(圖7)。
圖6 光敏傳感部分電路
圖7 光敏傳感實(shí)物
本模塊由太陽能板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、底部蓄電池組、電路控制器、逆變器等組成。利用STM32F103 作為主控模塊,配合直流穩(wěn)壓電源、蓄電池及切換模塊,為LED 供電(圖8、9)。
圖8 控制部分與蓄電池組
圖9 單片機(jī)處理原理
在單片機(jī)的控制下,光敏根據(jù)設(shè)定的光照閥值,控制蓄電池是否通過發(fā)電機(jī)供電給LED 燈圈,光敏系統(tǒng)電路如圖10 所示。
圖10 光敏系統(tǒng)電路
照射進(jìn)來的太陽光透過通光孔會(huì)在光電傳感器上產(chǎn)生光斑,光電傳感器檢測到光斑與中心位置的偏差后,計(jì)算太陽具體方位,將收集到的信息傳遞給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,從而對(duì)太陽進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤(圖11)。其中:L為光斑與中心軸線的偏差;H為暗室與光電傳感器的距離;θ為太陽光線的偏差角。
圖11 太陽位置檢測
θ的表達(dá)式為:
將光電傳感器檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成二維坐標(biāo)形式,偏差角用θx和θy表示。
其中,Lx、Ly分別為光斑在x、y方向的偏差。此時(shí),光電傳感器將得到的信息傳遞給控制系統(tǒng),通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié),使光斑時(shí)刻保持在中心位置,最大化利用太陽光能。
白天太陽光強(qiáng),光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞單片機(jī),其他系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài),太陽軌跡跟蹤系統(tǒng)使太陽板接收足夠強(qiáng)的太陽能,外界的風(fēng)通過楔形風(fēng)口后風(fēng)力加強(qiáng),驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī),源源不斷給蓄電池組供電,自然光線直接進(jìn)入本裝置(圖12),實(shí)現(xiàn)了自然光線通過采光罩、導(dǎo)光管、漫射器到達(dá)室內(nèi),其光線和原來的光線強(qiáng)度基本一致。
圖12 白天測試結(jié)果
黑暗狀態(tài)下,周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度小于設(shè)定值,光敏控制系統(tǒng)將信息傳遞單片機(jī),裝置的LED 燈補(bǔ)光系統(tǒng)工作,蓄電池給導(dǎo)光管中的LED 燈供電,補(bǔ)給光源,此時(shí)的LED 燈光照相當(dāng)于充當(dāng)白天的自然光線,其光線強(qiáng)度與白天一致(圖13)。
圖13 黑夜測試結(jié)果
光敏根據(jù)設(shè)定的光照閥值,在單片機(jī)的控制下,通過判定導(dǎo)光管內(nèi)部的光照強(qiáng)度與設(shè)定閥值關(guān)系,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)切換。
“白天”狀態(tài)下,光照強(qiáng),發(fā)光二極管亮綠燈,顯示蓄電池充電,電子屏幕顯示“charging”(圖14),導(dǎo)光管內(nèi)光線充足,僅依靠頂部采光罩接收的太陽照明,太陽能和風(fēng)力發(fā)電為蓄電池充電。
圖14 白天狀態(tài)光敏系統(tǒng)
“黑夜”狀態(tài)下,導(dǎo)光管內(nèi)光線不足,此時(shí)發(fā)光二極管不亮,電子屏幕顯示“l(fā)edopen”(圖15),蓄電池為管道內(nèi)部LED 燈圈供電,LED 燈進(jìn)行補(bǔ)光,并采用PWM(脈寬調(diào)劑法)法調(diào)節(jié)LED 亮度,達(dá)到穩(wěn)定照明的效果。
圖15 黑暗狀態(tài)光敏系統(tǒng)
基于導(dǎo)光管采光原理,組合太陽能、風(fēng)能、儲(chǔ)能與LED 補(bǔ)光裝置,利用光敏傳感器,通過光強(qiáng)度調(diào)控引導(dǎo)式光與輔助切換裝置,以適應(yīng)不同強(qiáng)度的光照,實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)光照穩(wěn)定性。
(1)針對(duì)自然光導(dǎo)入的時(shí)間與強(qiáng)度問題,提出了以導(dǎo)光為主,風(fēng)光組合為輔的管道類照明裝置。針對(duì)自然光導(dǎo)入室內(nèi)的穩(wěn)定性問題,采用太陽軌跡跟蹤技術(shù)及光敏控制技術(shù),獲取更多儲(chǔ)存能量,三者自適應(yīng)切換,實(shí)現(xiàn)能量互補(bǔ)。
(2)針對(duì)多模塊的結(jié)構(gòu)受限問題,創(chuàng)新的采用了以導(dǎo)光管為中心的金字塔形結(jié)構(gòu),充分利用太陽能電池板圍城“楔形”空間,以加大風(fēng)能轉(zhuǎn)變效率。