基于智能调光的光纤导光照明系统设计

孙友明++黎相成+沈晓明++韦以明

摘 要： 为了更好地利用太阳能资源，提出一种基于智能调光的光纤导光照明系统设计方案。通过对集光器进行优化设计、采用两级定位跟踪模式来提高太阳自动跟踪器的跟踪精度等措施，系统能最大程度地将太阳光导入到光纤以提高系统的光利用率；同时，通过提高跟踪器的跟踪稳定性和增设智能调光功能等措施，使之能克服天气多变、跟踪抖动等因素所导致的光强波动问题，系统的光强稳定度得到了提高。实验测试表明，系统可以获得较好的照明品质，具有一定的应用推广价值。

关键词： 太阳能； 光纤导光； 智能调光； 太阳自动跟踪

中图分类号： TN818?34； TK519 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0097?04

Abstract： In order to better utilize the solar energy resource， a design scheme of fiber light transmitting illumination system with intelligent dimming function is proposed. The system can import the sunlight into the optical fiber to the maximum extent to improve its light utilization efficiency by means of the optimal design for optical collector， and two?stage positioning and tracking mode for improvement of tracking accuracy of sun auto?tracking device. The improvement of the tracking stability of tracker and addition of the intelligent dimming function can make the system overcome the light intensity fluctuation caused by changeable weather and tracing shake， and improve the stability of light intensity. The experimental results show that the system can obtain high illumination quality， and has a certain application and promotion value.

Keywords： solar energy； fiber light transmitting； intelligent dimming； sun auto?tracking

0 引 言

目前，人类对太阳能的利用主要集中在将其转化为电能和热能上，而太阳光导入技术为人类合理利用太阳能资源开辟出新的途径[1]。太阳能光纤导光照明通过光纤传输与分配后，直接将太阳光导入到室内需要光照的地方，得到由自然光带来的特殊照明效果，是一种绿色健康、节能环保的新型照明产品，它彻底改变在建筑物中仅利用门窗、天窗等被动低效利用自然光的传统做法，使面北房间、阴暗房间以及地下室也能得到阳光的照耀，尤其是在易燃易爆、需要水电隔离等照明场合，有其特殊应用价值。随着光纤材料成本的降低，特别是聚合物光纤的出现及其导光性能的提高，太阳能光纤导光照明开始得到了应用推广[2?4]。

然而，在实际应用中，集光器和跟踪系统的跟踪精度往往会影响光线聚焦光斑和光纤端面之间的耦合度，从而降低太阳光导入量，造成光强损失。而天气多变、跟踪抖动等因素，容易导致照明灯具处光照强度波动，从而影响系统的照明效果，进而影响其进一步推广应用，使之仅限于应用在一些对照明品质要求不高的场合。

基于此，本设计通过合理选择菲涅耳透镜和圆台筒的尺寸、采用漏斗型光纤固定器并在其内侧进行抛光处理和附上高反射率的涂层等措施来对集光器进行优化设计；在双轴太阳自动跟踪器中，定位传感器采用两级定位模式以提高其跟踪精度，从而使系统能最大程度地将太阳光导入光纤以减少光强损失，有利于提高系统的光利用率。同时，系統采用谐波减速器来进一步提高太阳自动跟踪器的跟踪稳定性，并增设光强调节器和辅助光源。光强调节器可根据外界光强的变化实时动态地调节辅助光源，使总体光强保持稳定，则系统具有光强自动调节功能，可让用户在使用过程中感觉更舒适，从而提升照明品质和应用推广价值。

1 系统结构及工作原理

基于智能调光的太阳能光纤导光照明系统主要由集光器2、玻璃罩3、双轴太阳自动跟踪器、传光光纤205、智能调光控制器905、带辅助补偿光源的照明灯具9等部件组成，其系统结构示意图如图1所示。

1.1 集光器

集光器主要由菲涅耳透镜201、圆台筒202、滤光片203和漏斗型光纤固定器204等构成，其结构示意图如图1所示。其中，菲涅尔透镜安装在圆台筒的顶部，漏斗型光纤固定器连接在圆台筒的底部中心，滤光片安装在光纤固定器的进光口端面处，导光光纤安装在漏斗型光纤固定器里面，其入射端面置于聚光透镜焦点处。太阳光束通过菲涅耳透镜聚光后，先经滤光片过滤，再通过导光光纤传输到室内照明灯具处进行照明。

经过滤光片过滤后的光线聚焦光斑和光纤端面需要进行高精度对焦，以使两者之间获得较好的耦合度，从而使会聚后的太阳光最大程度地导入光纤以减少光强损失。为此，需要合理选择菲涅耳透镜和圆台筒的尺寸，使得投射到光纤端面的入射光光斑不大于光纤的孔径，以实现聚焦光在光纤内的全反射传输。漏斗型光纤固定器的内侧进行抛光处理并附有高反射率的涂层，在实际使用中，当跟踪精度有微小的偏差或波动时，能使会聚后的太阳光最大程度地导入光纤中，从而可以使照明灯具处的光强更加稳定。

1.2 传光光纤

传光光纤安装在漏斗型光纤固定器里面，其入射端面置于聚光透镜焦点处。传光光纤可以采用石英光纤，其优点是传输距离远、损失少、使用寿命长，但价格贵。目前市场上已经出现一种聚合物光纤的新材料，它具有易弯曲、芯径大、易连接、价格便宜等优点[5]。因此，在本设计中采用聚合物光纤。

光线聚焦光斑入射聚合物光纤之前，应先通过滤光片进行处理，将太阳光中的红外线和紫外线进行过滤，使聚焦光斑的温度在聚合物光纤可承受的温度范围内，从而有利于延长聚合物光纤的使用寿命和得到绿色健康的照明。

1.3 智能调光控制器

在实际使用中，由于天气多变、跟踪抖动等因素，经传光光纤传输至照明灯具处的光照强度会产生波动，从而降低了系统的照明效果。为此，在系统中增设智能调光控制器和辅助补偿光源，系统具有光强自动调节功能。在本设计中采用LED光源作为辅助补偿光源。

当外界光强波动时，调光控制器可根据外界光强的变化实时动态地调节辅助补偿光源的光强，使总体光强保持基本稳定，从而获得好的照明效果；在阴雨天光线很弱等情况下，辅助光源照明和太阳能光纤导光照明还可以自动进行相互切换，实现在阴雨天光线很弱等情况下的照明。

1.4 双轴太阳自动跟踪器

双轴太阳自动跟踪器主要用于实时跟踪太阳，实现集光器最大限度地收集阳光。其主要由定位传感器1、集光器固定支架5、俯仰角/方位角步进电机及谐波减速结构（4，8）、底座固定支架6和跟踪控制器7等组成。

对于本文所设计的光纤导光照明系统，为了保证光线聚焦光斑和光纤端面之间获得较好的耦合度以使太阳光聚焦后能最大程度地导入光纤，则要求跟踪系统具有较高的跟踪精度[6]。为此，定位传感器采用粗定位和精定位两级定位模式，其俯视图如图1所示。其中定位传感器外部四个方向的硅光电池（101，103）分别用于控制水平和垂直方向的旋转角度，实现对太阳进行粗定位；而定位传感器内部的阵列式感光传感器102用于对太阳进行精定位，可将聚焦点尽可能地对准到中心位置上。在跟踪过程中，聚焦光斑与光纤端面对焦过程中发生微小偏差或波动，会导致室内照明灯具处的光强衰减或波动，从而降低照明品质，因此要求跟踪系统具有较高的稳定性。为此，系统采用了具有精度高、传动平稳等优点的谐波减速器[7]作为传动机构。

2 智能调光控制器硬件设计

在本设计中，辅助补偿光源和智能调光控制器设置在照明灯具处，其结构示意图如图1所示。在照明灯具的漫射装置902里侧中心处放置光敏传感器901，其用于检测光强；在导光光纤904出光口的周围环形布置一定数量的LED灯903，作为辅助补偿光源。同时，根据不同的要求选择不同的漫射装置来进行封装，用于均匀、柔和地将混合光线漫射至室内，以获得更好的照明效果。智能调光控制器硬件框图如图2所示，主要包括电源电路、LED驱动电路、光强采样电路、调光控制电路等模块电路。其中电源电路由开关稳压电源、二次滤波电路（20 V输出）、单片机电源电路（5 V输出）组成，分别给LED驱动电路和调光

控制电路提供电源。

调光控制器基于脉宽调制（PWM）技术，通过控制PWM信号输入占空比来控制电流，从而实现光强的调节。PWM调光具有调光精确度高、调光范围广、不易产生色谱偏移等优点[8?9]。

在本设计中，采用PIC16F877单片机作为控制器，PIC16F877单片机内嵌功能比较多，具有ADC，PWM和看门狗定时器等多种功能，且抗干扰性强，保密性好。基于单片机PIC16F877A的调光控制电路如图3所示。其中光敏电阻R4和电阻R3构成光强采样电路，当导入的光线强度变化时，光敏电阻的电阻值变化，变化的电压值作为一控制信号，指示调光控制器增强LED灯的亮度。在夜间或阴雨天光线很弱的情况下，则通过切换改由LED直接进行照明。通过串联4只3 W的LED作为辅助补偿光源，选用PT4115作为LED的驱动芯片。PT4115芯片内置功率开关，通过DIM引脚可以接收很宽范围的PWM调光，效率高[10]。基于PT4115的LED驱动电路设计如图3所示。LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS1决定，通过在DIM管脚加入可变的占空比的PWM信号就可以调节输出电流以实现调光。在本设计中，选取5 V为信号高电平，设置最大平均电流为680 mA，RS1=0.142 8 Ω，选取电感值。

3 智能调光控制器软件设计

调光控制器的软件设计部分是以PIC16F877A单片机为控制核心，主要负责光强信息的A/D采样，并通过PID算法产生PWM增量调节PWM控制寄存器，产生PWM信号送往LED驱动器使得LED光强变化。A/D采样结果作为PID模块的入口参数，本设计中采用的是PIC16F877A自带的ADC模块，并使用查询方式采样取值。其系统设计主流程图如图4（a）所示。

PWM程序模块的设计流程见图4（b）。其主要用于控制LED驱动电路，以实现亮度调节。在此程序设计中，采用的是PIC16F877A单片机自带的10位PWM模块。PIC16F877A单片机内部有2个CCP模块，当它工作在PWM方式时，可以产生周期和电平宽度均可由编程决定的PWM波形。

4 测试结果

LED驱动电路的调试主要是确定LED驱动电路的恒流效果和电路的效率，在本系统中选用的是3 W LED，其驱动电路设定的最大电流为700 mA。实际测试时，采用纯电阻来对LED驱动电路的恒流效果进行测试，具体测试情况如表1所示。从表1中可以看出恒流输出很接近，效率非常高。

系統光强稳定度的实际效果采用人眼的主观感受来进行测试。实测表明，本文所设计的具有光强自动调节功能的太阳能光纤导光照明系统可以获得较好的照明效果，光强调节快速且调节不振荡、LED无闪烁现象等。

5 结 语

太阳光导入技术为人类合理利用太阳能资源开辟出新的途径，为了更好地利用太阳能资源，本文提出一种基于智能调光的光纤导光照明系统设计方案。通过提高太阳自动跟踪器的跟踪精度、对集光器进行优化设计等措施，可以提高系统的光利用率。同时，为了克服天气多变、跟踪抖动等因素所导致的光强波动问题，系统增设了智能调光功能，智能调节器可根据外部光强的变化，基于增量式PID算法实时动态地调节辅助光源，并采用谐波减速器来提高太阳自动跟踪器的跟踪稳定性，以此可提高系统总体光强稳定度。实验测试表明，系统可以获得较好的照明品质，具有一定的应用推广价值。

注：本文通讯作者为黎相成。

参考文献

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