一種基于太陽能利用的反射跟蹤采光系統(tǒng)

劉晶晶+王天鑫+胡壘軍+晁穎+聶天奇

【摘 要】 在提倡綠色低碳環(huán)保的能源利用的背景下，為了提高太陽能的利用率，提出了一種反射太陽光的跟蹤采光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)由太陽光反射器、太陽能追蹤系統(tǒng)和反射器的鍍膜三大部分組成。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了對太陽光的追蹤和反射，達(dá)到了多樓層建筑北向的全樓層采光、擴(kuò)大陽光照射面積至低樓層的目的。

【關(guān)鍵詞】 反射太陽光 跟蹤系統(tǒng) 建筑采光

科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新使得自控技術(shù)日益成熟，據(jù)了解，國外已出現(xiàn)一些自動反光系統(tǒng)，可以將陽光反射至指定的地方。德國開發(fā)的自動反射鏡，已經(jīng)在波士頓和華盛頓等城市得到實(shí)際運(yùn)用——巨大的橢球面反射鏡被安裝在樓頂上，為位于高層建筑間的戶外廣場提供陽光；另外，據(jù)英國《星期日泰晤士報(bào)》報(bào)道，由于受山體遮擋，阿爾卑斯山腳下的維加內(nèi)拉村每年冬天有將近3個月見不到陽光，2006年，政府耗費(fèi)巨資安裝了一面大型鋼制鏡子，將陽光反射到小村的廣場上，為村莊每天帶來至少6小時(shí)的陽光。

早在二十世紀(jì)二三十年代，人們就已經(jīng)開始了對建筑采光的研究。但總體上看，以往的研究基本上屬于對太陽自然運(yùn)行規(guī)律的被動適應(yīng)。只有開辟新的思路、積極運(yùn)用現(xiàn)代科技發(fā)展的成果，才有可能在建筑采光方面突破被動適從的局面，從而以一種主動利用的方式去研究和解決日照問題[1]。

但是，無論是在我國還是世界范圍內(nèi)，太陽光在建筑采光的直接利用方面還十分欠缺。在采暖地區(qū)，建筑北向和南向，有無光照樓層的采暖能耗差距非常大。本系統(tǒng)達(dá)到了從北向引入陽光，使現(xiàn)有多樓層建筑實(shí)現(xiàn)北向的全樓層采光、擴(kuò)大陽光照射面積至現(xiàn)有多樓層建筑南向的低樓層的目的，使房間里的環(huán)境明朗且富于光影變化，從而降低北向和低樓層室內(nèi)采光和空調(diào)取暖能耗[2]；替代煤炭、燃?xì)獾瘸Ｒ?guī)能源，減少污染，保護(hù)環(huán)境，降低生活成本，進(jìn)而提高居民的生活質(zhì)量和水平。

1 方案選定

1.1 反射系統(tǒng)的確定

內(nèi)凹面由若干個反光鏡組構(gòu)成，每個反光鏡組由五面反光鏡組成的梯臺型的橢球面型反光裝置。

1.2 追蹤裝置的選定

同以單片機(jī)為核心的太陽能跟蹤裝置相比較，本設(shè)計(jì)技術(shù)難度較低，不需要進(jìn)行編程控制，單使用硬件電路就能滿足需要完成追蹤任務(wù)，因此制作與操作過程也都更為簡單，且成本相較于單片機(jī)控制太陽能追蹤裝置更低。由于采光總裝置并不需要極為精確的太陽跟蹤定位，同時(shí)，在現(xiàn)有條件下，采用該設(shè)計(jì)方案還是一個較為適合穩(wěn)妥的選擇。

1.3 反射器鍍膜的選定

反射材料選用Ag-Cu納米膜玻璃。采用磁控濺射法在玻璃基片上制備納米Ag薄膜，并在其上鍍一層Cu膜作為附著層。

2 方案介紹

針對我國土地資源緊缺、住宅建筑密度大的實(shí)際情況[2]，研制開發(fā)適用于為高層建筑提供日照的自動跟蹤反光系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)是解決城市多、高層建筑北向住戶全年和低層住戶冬季采光問題的一條有效途徑。

2.1 反射器的方案介紹

反射器部分的總體設(shè)計(jì)形狀為橢球面型，內(nèi)凹面由若干個反光鏡組構(gòu)成，每個反光鏡組由五面反光鏡組成的梯臺型。高效太陽能光熱轉(zhuǎn)換取決于太陽能聚光系統(tǒng)的高效性。目前主要的太陽能聚光發(fā)電系統(tǒng)主要有塔式、碟式、槽式、線性菲涅耳型等。其中，線性菲涅耳反射裝置（Linear Fresnel Reflector），簡稱LFR，此類太陽能發(fā)電系統(tǒng)起源于一種光學(xué)聚焦系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)使用大量平面光學(xué)面實(shí)現(xiàn)線（帶）聚光目的。LFR由多個平面的或輕微彎曲的光學(xué)鏡面組成，這些光學(xué)面被水平或傾斜安裝并跟蹤反射太陽入射光到長的線性目標(biāo)吸熱器上，所以LFR技術(shù)是靠線性帶狀反射鏡陣列，將太陽入射光反射聚集在線性固定吸熱器上以加熱工質(zhì)[3]。而在此研究中LFR技術(shù)可設(shè)想為拋物型槽式反射鏡的線性分段聚集化。與拋物型槽式反射技術(shù)相同的是，它仍然保持拋物面形狀，但是每一鏡元不在水平面布置，而是全部組裝成橢球面型，即相當(dāng)于把線性菲涅耳聚光系統(tǒng)的典型示意圖中的鏡元全部鏈接起來組裝成橢球面型聚光器。圖1為線性菲涅耳聚光系統(tǒng)的典型示意。

在線性菲涅耳聚光系統(tǒng)示意圖上簡單改進(jìn)成研究產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)示意圖，將其他鏡元依次拼接成橢球面型反光鏡，這樣可使聚光材料的使用量最小化，裝置面積最小化，聚光效果更好化，利用這種反射聚光的方式，降低室內(nèi)采光和空調(diào)取暖能耗，為背北向提供盡可能多的光照，讓背北向的居民享受更多的陽光照射，此外，替代煤炭、燃?xì)獾瘸Ｒ?guī)能源，減少污染，保護(hù)環(huán)境，降低生活成本，進(jìn)而提高居民的生活質(zhì)量和水平。

2.2 追蹤裝置的方案介紹

2.2.1 電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)裝置使用時(shí)序電路在不同時(shí)間控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，以達(dá)到跟蹤太陽的目的。

2.2.2 時(shí)鐘控制太陽能自動跟蹤系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用時(shí)鐘控制跟蹤方法控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)對太陽的基本跟蹤定位。使用時(shí)序電路在不同時(shí)間控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，以一天作為一個循環(huán)單位。

（1）系統(tǒng)方案總框圖；（見圖2）

（2）系統(tǒng)方案論證；時(shí)鐘控制的選擇：采用時(shí)鐘控制跟蹤方法控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)對太陽的基本跟蹤定位。該方法只需設(shè)計(jì)硬件電路即可，不需進(jìn)行繁瑣的編程控制，較為簡單易懂，且成本較低。但該方法只能完成較為基礎(chǔ)的太陽能跟蹤定位，并不是十分精確。考慮到本系統(tǒng)作為采光裝置的一個部分，本身并不要求極高的精確度，所以選擇時(shí)鐘控制跟蹤方法。當(dāng)然，如若不需考慮成本和技術(shù)因素，完全可以考慮設(shè)計(jì)更為完善的跟蹤系統(tǒng)，例如使用單片機(jī)控制或者進(jìn)行時(shí)鐘和光電雙控制。

時(shí)序電路控制的選擇：經(jīng)過分析論證，采用時(shí)序電路更適合該系統(tǒng)。時(shí)序電路是一種輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，而且與其輸出狀態(tài)的原始狀態(tài)有關(guān)，其相當(dāng)于在組合邏輯的輸入端加上了一個反饋輸入，在其電路中有一個存儲電路，其可以將輸出的狀態(tài)保持住。

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；該設(shè)計(jì)主要由計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、寄存器、步進(jìn)電機(jī)等組成。endprint

計(jì)數(shù)器：

計(jì)算方法為：N=ψ/θ；N：每天步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動次數(shù)；ψ是每天步進(jìn)電機(jī)需要追蹤太陽轉(zhuǎn)動的角度；θ為每次步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度，即步進(jìn)角計(jì)數(shù)器用來記錄一天中步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)觸發(fā)脈沖的次數(shù)n，當(dāng)n值到達(dá)預(yù)定每天脈沖次數(shù)N后，計(jì)數(shù)器清零，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)回到初始位置。

寄存器與觸發(fā)器：

寄存器：寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲一位二進(jìn)制代碼，存放N位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。（見圖3）

觸發(fā)器：觸發(fā)器是一種可以存儲電路狀態(tài)的電子元件。最簡單的是由兩個與非門，兩個輸入端和兩個輸出端組成的RS觸發(fā)器（見圖4）。復(fù)雜一些的有帶時(shí)鐘（CLK）段和D（Data）端，在CLK端為高電平時(shí)跟隨D端狀態(tài)，而在CLK端變?yōu)榈碗娖降乃查g鎖存信號的D觸發(fā)器。

步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)角θ的大小根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，通常來說步進(jìn)角設(shè)計(jì)越小，裝置跟蹤效果越好，但同時(shí)也會增加能量消耗。（見圖5）

（4）設(shè)計(jì)總結(jié)；該設(shè)計(jì)方案較為簡單易懂，雖然對太陽的追蹤并不是很精確，但已經(jīng)足以滿足采光裝置的需求。該設(shè)計(jì)舍棄了單片機(jī)控制，在降低了精度的同時(shí)也降低了技術(shù)難度，綜合各方面因素考慮，使用時(shí)序電路控制步進(jìn)電機(jī)追蹤太陽是更為合理的選擇。

2.3 鍍膜選擇介紹

反射過程是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，而反射材料的選取關(guān)系到入射光的利用率反射光的強(qiáng)弱，因而其選擇至關(guān)重要。經(jīng)過檢索與對比，決定采用由磁控濺射法制備的Ag-Cu納米膜玻璃。制備方法是采用磁控濺射法在玻璃基片上制備納米Ag薄膜，并在其上鍍一層Cu膜作為附著層。膜玻璃參數(shù)選擇：玻璃基片厚度為1.1mm，Ag膜為110.2nm，Cu膜為15nm，此時(shí)玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%。

目前，已經(jīng)開發(fā)出很多高反射率的膜材，但這些反射膜價(jià)格昂貴，其高反射率具有一定的選擇性，因此不適合于太陽能的利用領(lǐng)域。而普通的銀鏡，雖然價(jià)格便宜，但其對太陽光的反射率一般也只能達(dá)到92%，目前應(yīng)用最多的光反射材料是鋁膜，其反射率最高也只能達(dá)到93%。而Ag-Cu納米膜玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%[4]。

3 安裝方法

該系統(tǒng)成功制作完成后，將固定在大樓某一固定位置，且在那同時(shí)或之前，根據(jù)安裝地點(diǎn)的緯度、氣候等各方面具體情況對裝置進(jìn)行預(yù)設(shè)，主要包括步進(jìn)角及每天旋轉(zhuǎn)角度等值的設(shè)定，簡單易操作。然后將反光裝置加裝在步進(jìn)電機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對太陽的全天候追蹤定位。

4 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析與實(shí)例論證

以青島地區(qū)為例，在未供暖情況下，南向房間有太陽光得熱，比北向房間要節(jié)能的多，所以南向房間比北向房間室內(nèi)溫度要高5度。室內(nèi)溫度每調(diào)高一度，耗能增加6%左右，照我國采暖設(shè)計(jì)規(guī)范，為達(dá)到同樣的室內(nèi)溫度，同樣結(jié)構(gòu)、大小的南北向房間所需熱量不一樣，北向比南向多5*6%=30%，青島市的供暖面積為16261萬m2，每年需490萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，北向供暖面積為8130萬m2如果，南北向供暖所需能耗相同，則每年可以節(jié)省57萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，經(jīng)過本系統(tǒng)的反射后，太陽光的強(qiáng)度縮減為96.74%，所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以節(jié)省54.72萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標(biāo)準(zhǔn)煤，就產(chǎn)生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以少排放143.366萬噸二氧化碳，0.46萬噸二氧化硫，0.4萬噸氮氧化物。

5 結(jié)語

中國太陽能產(chǎn)業(yè)雖取得爆發(fā)式增長和重大技術(shù)突破，但是，由于目前仍缺乏領(lǐng)先技術(shù)和足夠的經(jīng)濟(jì)競爭力，中國太陽能產(chǎn)業(yè)面臨著全球市場競爭加劇的壓力和國內(nèi)市場支撐不足的困擾。因此開發(fā)利用太陽能技術(shù)成為目前應(yīng)對我國能源短缺，減輕環(huán)境污染的當(dāng)務(wù)之急，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也正是因此應(yīng)運(yùn)而生?；仡櫶柲軣崴鞯陌l(fā)展，最初是何其的簡陋，卻在極短的時(shí)間內(nèi)形成了如今擁有高技術(shù)含量的龐大產(chǎn)業(yè)，相信太陽能利用的反射采光系統(tǒng)有著同樣的發(fā)展?jié)撃芎兔篮们熬啊?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳向東，金勇.利用自動反光系統(tǒng)解決樓房低層日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.

[2]謝浩.改善居室日照環(huán)境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.

[3]王麗方.取消日照間距政策，節(jié)約土地資源[J].團(tuán)結(jié)，2007（4）：81-82.

[4]菲涅耳太陽能聚光系統(tǒng)幾何矢量分析，太陽能學(xué)報(bào).

[5]徐勇軍，楊曉西，李永梅.《高反射率Ag—CU納米膜玻璃的制備與表征》.

[6]胡興巖，劉雪玲.熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性分析[J].地?zé)崮埽?005，（1）：22-24.endprint

計(jì)數(shù)器：

計(jì)算方法為：N=ψ/θ；N：每天步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動次數(shù)；ψ是每天步進(jìn)電機(jī)需要追蹤太陽轉(zhuǎn)動的角度；θ為每次步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度，即步進(jìn)角計(jì)數(shù)器用來記錄一天中步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)觸發(fā)脈沖的次數(shù)n，當(dāng)n值到達(dá)預(yù)定每天脈沖次數(shù)N后，計(jì)數(shù)器清零，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)回到初始位置。

寄存器與觸發(fā)器：

寄存器：寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲一位二進(jìn)制代碼，存放N位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。（見圖3）

觸發(fā)器：觸發(fā)器是一種可以存儲電路狀態(tài)的電子元件。最簡單的是由兩個與非門，兩個輸入端和兩個輸出端組成的RS觸發(fā)器（見圖4）。復(fù)雜一些的有帶時(shí)鐘（CLK）段和D（Data）端，在CLK端為高電平時(shí)跟隨D端狀態(tài)，而在CLK端變?yōu)榈碗娖降乃查g鎖存信號的D觸發(fā)器。

步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)角θ的大小根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，通常來說步進(jìn)角設(shè)計(jì)越小，裝置跟蹤效果越好，但同時(shí)也會增加能量消耗。（見圖5）

（4）設(shè)計(jì)總結(jié)；該設(shè)計(jì)方案較為簡單易懂，雖然對太陽的追蹤并不是很精確，但已經(jīng)足以滿足采光裝置的需求。該設(shè)計(jì)舍棄了單片機(jī)控制，在降低了精度的同時(shí)也降低了技術(shù)難度，綜合各方面因素考慮，使用時(shí)序電路控制步進(jìn)電機(jī)追蹤太陽是更為合理的選擇。

2.3 鍍膜選擇介紹

反射過程是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，而反射材料的選取關(guān)系到入射光的利用率反射光的強(qiáng)弱，因而其選擇至關(guān)重要。經(jīng)過檢索與對比，決定采用由磁控濺射法制備的Ag-Cu納米膜玻璃。制備方法是采用磁控濺射法在玻璃基片上制備納米Ag薄膜，并在其上鍍一層Cu膜作為附著層。膜玻璃參數(shù)選擇：玻璃基片厚度為1.1mm，Ag膜為110.2nm，Cu膜為15nm，此時(shí)玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%。

目前，已經(jīng)開發(fā)出很多高反射率的膜材，但這些反射膜價(jià)格昂貴，其高反射率具有一定的選擇性，因此不適合于太陽能的利用領(lǐng)域。而普通的銀鏡，雖然價(jià)格便宜，但其對太陽光的反射率一般也只能達(dá)到92%，目前應(yīng)用最多的光反射材料是鋁膜，其反射率最高也只能達(dá)到93%。而Ag-Cu納米膜玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%[4]。

3 安裝方法

該系統(tǒng)成功制作完成后，將固定在大樓某一固定位置，且在那同時(shí)或之前，根據(jù)安裝地點(diǎn)的緯度、氣候等各方面具體情況對裝置進(jìn)行預(yù)設(shè)，主要包括步進(jìn)角及每天旋轉(zhuǎn)角度等值的設(shè)定，簡單易操作。然后將反光裝置加裝在步進(jìn)電機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對太陽的全天候追蹤定位。

4 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析與實(shí)例論證

以青島地區(qū)為例，在未供暖情況下，南向房間有太陽光得熱，比北向房間要節(jié)能的多，所以南向房間比北向房間室內(nèi)溫度要高5度。室內(nèi)溫度每調(diào)高一度，耗能增加6%左右，照我國采暖設(shè)計(jì)規(guī)范，為達(dá)到同樣的室內(nèi)溫度，同樣結(jié)構(gòu)、大小的南北向房間所需熱量不一樣，北向比南向多5*6%=30%，青島市的供暖面積為16261萬m2，每年需490萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，北向供暖面積為8130萬m2如果，南北向供暖所需能耗相同，則每年可以節(jié)省57萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，經(jīng)過本系統(tǒng)的反射后，太陽光的強(qiáng)度縮減為96.74%，所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以節(jié)省54.72萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標(biāo)準(zhǔn)煤，就產(chǎn)生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以少排放143.366萬噸二氧化碳，0.46萬噸二氧化硫，0.4萬噸氮氧化物。

5 結(jié)語

中國太陽能產(chǎn)業(yè)雖取得爆發(fā)式增長和重大技術(shù)突破，但是，由于目前仍缺乏領(lǐng)先技術(shù)和足夠的經(jīng)濟(jì)競爭力，中國太陽能產(chǎn)業(yè)面臨著全球市場競爭加劇的壓力和國內(nèi)市場支撐不足的困擾。因此開發(fā)利用太陽能技術(shù)成為目前應(yīng)對我國能源短缺，減輕環(huán)境污染的當(dāng)務(wù)之急，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也正是因此應(yīng)運(yùn)而生?；仡櫶柲軣崴鞯陌l(fā)展，最初是何其的簡陋，卻在極短的時(shí)間內(nèi)形成了如今擁有高技術(shù)含量的龐大產(chǎn)業(yè)，相信太陽能利用的反射采光系統(tǒng)有著同樣的發(fā)展?jié)撃芎兔篮们熬啊?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳向東，金勇.利用自動反光系統(tǒng)解決樓房低層日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.

[2]謝浩.改善居室日照環(huán)境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.

[3]王麗方.取消日照間距政策，節(jié)約土地資源[J].團(tuán)結(jié)，2007（4）：81-82.

[4]菲涅耳太陽能聚光系統(tǒng)幾何矢量分析，太陽能學(xué)報(bào).

[5]徐勇軍，楊曉西，李永梅.《高反射率Ag—CU納米膜玻璃的制備與表征》.

[6]胡興巖，劉雪玲.熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性分析[J].地?zé)崮埽?005，（1）：22-24.endprint

計(jì)數(shù)器：

計(jì)算方法為：N=ψ/θ；N：每天步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動次數(shù)；ψ是每天步進(jìn)電機(jī)需要追蹤太陽轉(zhuǎn)動的角度；θ為每次步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度，即步進(jìn)角計(jì)數(shù)器用來記錄一天中步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)觸發(fā)脈沖的次數(shù)n，當(dāng)n值到達(dá)預(yù)定每天脈沖次數(shù)N后，計(jì)數(shù)器清零，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)回到初始位置。

寄存器與觸發(fā)器：

寄存器：寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲一位二進(jìn)制代碼，存放N位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。（見圖3）

觸發(fā)器：觸發(fā)器是一種可以存儲電路狀態(tài)的電子元件。最簡單的是由兩個與非門，兩個輸入端和兩個輸出端組成的RS觸發(fā)器（見圖4）。復(fù)雜一些的有帶時(shí)鐘（CLK）段和D（Data）端，在CLK端為高電平時(shí)跟隨D端狀態(tài)，而在CLK端變?yōu)榈碗娖降乃查g鎖存信號的D觸發(fā)器。

步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（即步進(jìn)角）。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)角θ的大小根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，通常來說步進(jìn)角設(shè)計(jì)越小，裝置跟蹤效果越好，但同時(shí)也會增加能量消耗。（見圖5）

（4）設(shè)計(jì)總結(jié)；該設(shè)計(jì)方案較為簡單易懂，雖然對太陽的追蹤并不是很精確，但已經(jīng)足以滿足采光裝置的需求。該設(shè)計(jì)舍棄了單片機(jī)控制，在降低了精度的同時(shí)也降低了技術(shù)難度，綜合各方面因素考慮，使用時(shí)序電路控制步進(jìn)電機(jī)追蹤太陽是更為合理的選擇。

2.3 鍍膜選擇介紹

反射過程是整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，而反射材料的選取關(guān)系到入射光的利用率反射光的強(qiáng)弱，因而其選擇至關(guān)重要。經(jīng)過檢索與對比，決定采用由磁控濺射法制備的Ag-Cu納米膜玻璃。制備方法是采用磁控濺射法在玻璃基片上制備納米Ag薄膜，并在其上鍍一層Cu膜作為附著層。膜玻璃參數(shù)選擇：玻璃基片厚度為1.1mm，Ag膜為110.2nm，Cu膜為15nm，此時(shí)玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%。

目前，已經(jīng)開發(fā)出很多高反射率的膜材，但這些反射膜價(jià)格昂貴，其高反射率具有一定的選擇性，因此不適合于太陽能的利用領(lǐng)域。而普通的銀鏡，雖然價(jià)格便宜，但其對太陽光的反射率一般也只能達(dá)到92%，目前應(yīng)用最多的光反射材料是鋁膜，其反射率最高也只能達(dá)到93%。而Ag-Cu納米膜玻璃對太陽光的反射率可以達(dá)到96.74%[4]。

3 安裝方法

該系統(tǒng)成功制作完成后，將固定在大樓某一固定位置，且在那同時(shí)或之前，根據(jù)安裝地點(diǎn)的緯度、氣候等各方面具體情況對裝置進(jìn)行預(yù)設(shè)，主要包括步進(jìn)角及每天旋轉(zhuǎn)角度等值的設(shè)定，簡單易操作。然后將反光裝置加裝在步進(jìn)電機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對太陽的全天候追蹤定位。

4 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析與實(shí)例論證

以青島地區(qū)為例，在未供暖情況下，南向房間有太陽光得熱，比北向房間要節(jié)能的多，所以南向房間比北向房間室內(nèi)溫度要高5度。室內(nèi)溫度每調(diào)高一度，耗能增加6%左右，照我國采暖設(shè)計(jì)規(guī)范，為達(dá)到同樣的室內(nèi)溫度，同樣結(jié)構(gòu)、大小的南北向房間所需熱量不一樣，北向比南向多5*6%=30%，青島市的供暖面積為16261萬m2，每年需490萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，北向供暖面積為8130萬m2如果，南北向供暖所需能耗相同，則每年可以節(jié)省57萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，經(jīng)過本系統(tǒng)的反射后，太陽光的強(qiáng)度縮減為96.74%，所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以節(jié)省54.72萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

工業(yè)鍋爐每燃燒一噸標(biāo)準(zhǔn)煤，就產(chǎn)生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在應(yīng)用本裝置后，青島市每年可以少排放143.366萬噸二氧化碳，0.46萬噸二氧化硫，0.4萬噸氮氧化物。

5 結(jié)語

中國太陽能產(chǎn)業(yè)雖取得爆發(fā)式增長和重大技術(shù)突破，但是，由于目前仍缺乏領(lǐng)先技術(shù)和足夠的經(jīng)濟(jì)競爭力，中國太陽能產(chǎn)業(yè)面臨著全球市場競爭加劇的壓力和國內(nèi)市場支撐不足的困擾。因此開發(fā)利用太陽能技術(shù)成為目前應(yīng)對我國能源短缺，減輕環(huán)境污染的當(dāng)務(wù)之急，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也正是因此應(yīng)運(yùn)而生。回顧太陽能熱水器的發(fā)展，最初是何其的簡陋，卻在極短的時(shí)間內(nèi)形成了如今擁有高技術(shù)含量的龐大產(chǎn)業(yè)，相信太陽能利用的反射采光系統(tǒng)有著同樣的發(fā)展?jié)撃芎兔篮们熬啊?/p>

參考文獻(xiàn)：

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[3]王麗方.取消日照間距政策，節(jié)約土地資源[J].團(tuán)結(jié)，2007（4）：81-82.

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