定日鏡采光機(jī)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理

宋記鋒，羅 臻，王昕鑫

(華北電力大學(xué)，北京 102206)

引言

照明耗電占建筑總耗電的20%[1]，充分利用太陽光開發(fā)更加節(jié)能環(huán)保的采光照明產(chǎn)品是降低建筑照明耗電的重要途徑。建筑背陰房間缺少采光，會使得居住、工作受到影響。定日鏡采光機(jī)是一種智能太陽光照明設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)建筑背陰房間的主動照明，提升背陰房間居住環(huán)境。定日鏡采光機(jī)反射的太陽光與天然光頻譜一致，這有利于工作人員的身心健康[2]，同時可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能[3]。

近20年來，利用天然光進(jìn)行照明一直是研究熱點(diǎn)，天然采光照明技術(shù)得到了快速發(fā)展[4-7]，天然采光照明產(chǎn)品相繼問世，如日本某公司推出的采集太陽光的照明系統(tǒng)“Himawari”,中文即為“向日葵”。1995年，美國能源部橡樹國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了組合太陽光照明系統(tǒng)，以太陽光照明為主，以電照明作為補(bǔ)充。雖然國內(nèi)外一些天然光照明系統(tǒng)在各種方面有自己的優(yōu)勢，但總體來說，在實(shí)際應(yīng)用中都或多或少存在誤差大、反應(yīng)慢、不靈活等問題。基于上述已有研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一套定日鏡采光機(jī)的室內(nèi)照明項(xiàng)目[8]。

1 組成結(jié)構(gòu)

1)控制系統(tǒng)。本定日鏡采光機(jī)的電氣組成部分主要包括以下部件：PLC，GPS模塊，顯示屏，步進(jìn)電機(jī)(兩個)，接近開關(guān)(六個)，增量編碼器(兩個)。本設(shè)備使用的PLC可進(jìn)行浮點(diǎn)計算，功率低，效率高，配合內(nèi)置的儒略日天文算法，算法理論精度可以達(dá)到25年內(nèi)誤差小于0.1°。為了減輕步進(jìn)電機(jī)工作時的負(fù)載以及支架部分的體積與重量，方便實(shí)際安裝時的搬運(yùn)，將整套系統(tǒng)的控制部分(PLC等)外置在電氣箱中，將執(zhí)行部分(步進(jìn)電機(jī)等)放置在基座之上的保護(hù)箱中，從而避免灰塵雨水電磁場等外界因素的干擾，保證了本設(shè)備長期穩(wěn)定精確運(yùn)行。設(shè)備選用增量編碼器測量定日鏡兩個旋轉(zhuǎn)軸的角度。編碼器直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，而非常見的安裝在電機(jī)端，這樣做的目的是消除減速器、皮帶等帶來的間隙誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的鏡面指向。每個旋轉(zhuǎn)軸安裝三個高靈敏度接近開關(guān)，對編碼器的初始位置進(jìn)行校零，和行程形成保護(hù)。編碼器一圈脈沖3 600個，分辨率為0.1°。

2)機(jī)械部分。如圖1所示，系統(tǒng)采用雙軸驅(qū)動，以步進(jìn)電機(jī)為動力，采用行星減速器和皮帶輪兩級減速，以實(shí)現(xiàn)微小角度調(diào)整。皮帶為帶齒同步帶，以確保太陽跟蹤過程的動作同步性。編碼器采用空心方式直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上。

圖1 機(jī)械部分 Fig.1 Mechanical part

為了布線方便，能將導(dǎo)線匯總從機(jī)器下部引出，并防止在旋轉(zhuǎn)過程中拉斷線纜，方位角轉(zhuǎn)軸設(shè)計為較粗的中空軸。由于在跟蹤太陽的過程中機(jī)器旋轉(zhuǎn)不會超過180°，所以在每個轉(zhuǎn)軸都設(shè)置了三個接近開關(guān)，其中的兩個為旋轉(zhuǎn)的行程極限限位，另一個作為編碼器識別零點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 開發(fā)的定日鏡照明系統(tǒng)Fig.2 Sun-mirror lighting system

基座設(shè)計采用三點(diǎn)支架，設(shè)有高度調(diào)節(jié)螺栓。由于采用的天文算法采用地平坐標(biāo)系，系統(tǒng)坐標(biāo)需要與地平面保持一致，通過調(diào)節(jié)螺栓可以使得系統(tǒng)坐標(biāo)系和地平面重合。

2 工作原理

1)系統(tǒng)開機(jī)后，步進(jìn)電機(jī)帶動主軸以低速在兩個維度(高度角、方位角)轉(zhuǎn)動直到觸發(fā)兩個維度各自對應(yīng)的零點(diǎn)接近開關(guān)，完成初始化。

2)初始化完成后從GPS模塊獲取高精度的經(jīng)緯度、時間，內(nèi)置的高精度天文算法即可根據(jù)時間不斷地計算出實(shí)時的太陽方位，如圖3所示。

3)第一次使用時，需要手動調(diào)整光路方向(通過遙控器控制設(shè)備轉(zhuǎn)動)，使得鏡面反射光對準(zhǔn)窗戶，控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)幾何公式程序和太陽當(dāng)前方位計算出窗戶相對定日鏡的空間角度關(guān)系，作為常量記錄。之后隨著太陽高度角的改變，本設(shè)備即可自動計算出合適的鏡面角度，從而實(shí)現(xiàn)定向反射光線的目的。

本設(shè)備步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度以及檢測周期可以在顯示屏中調(diào)整，同時也可以在顯示屏實(shí)時查看設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，為了節(jié)約電量，顯示屏電源可以關(guān)閉，此時整個設(shè)備即進(jìn)入長時間自動工作狀態(tài)。

3 理論計算

1)太陽位置。在地球上，可以觀測到太陽每天有規(guī)律的東升西落。定日鏡采光機(jī)的太陽追蹤系統(tǒng)就是利用天文算法，根據(jù)GPS系統(tǒng)獲得經(jīng)緯度、日期和時刻，根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)，計算出太陽的實(shí)時位置。

當(dāng)涉及地方時角，對于日常生活及天文計算必須用到世界時。然而，地球自轉(zhuǎn)一直在變緩，而且變緩規(guī)律難以預(yù)測，這使得世界時成了一種不均勻的時間系統(tǒng)。然而，科學(xué)計算需要一個均勻的時間標(biāo)尺來進(jìn)行精確計算，于是引入力學(xué)時，在之后的計算中涉及到的時間都是用力學(xué)時表示的。同樣的，為了統(tǒng)一計算不同年的日期間隔，引入儒略日來簡化算法中的日期表達(dá)式，提高計算精度。同時也需要考慮到月亮或其他行星引起的地球軌道攝動、日月歲差、行星歲差、由大氣折射引起的蒙氣差和視差等因素對計算的影響[9]。雖然這些因素對太陽位置的計算結(jié)果影響并不大，為了保證計算精度，仍需要對參數(shù)進(jìn)行一定的訂正。將計算結(jié)果與天文歷法相比，最大誤差在25年內(nèi)小于0.01°[10]。

計算出的結(jié)果以太陽高度角h和太陽方位角A表示，由此確定太陽位置，見式(1)、式(2)。

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

(2)

其中φ為緯度，δ為太陽赤緯，t為時角。

2)耗電量。定日鏡的總功率由步進(jìn)電機(jī)、控制箱和PLC處理器組成，共約5 W。由于太陽追蹤系統(tǒng)并不是連續(xù)工作，而是每過一段時間矯正一次定日鏡位置，折合總工作時間相當(dāng)于0.5 h，即工作一個白天，定日鏡采光機(jī)消耗電量約在0.012 5 kW·h，遠(yuǎn)小于人工照明的耗電量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為綜合評價陰面房間利用天然光的實(shí)際效果和檢驗(yàn)整個定日鏡設(shè)備的實(shí)用性，我們在一間陰面房間中進(jìn)行了綜合實(shí)驗(yàn)與評價。

房間平面尺寸為2.2 m×6.4 m，室內(nèi)高度為3 m。定日鏡距離房間窗戶距離40 m。室內(nèi)墻面及天花板顏色均為白色。實(shí)驗(yàn)時測量點(diǎn)的分布如圖4所示，取房間地面及桌子平面內(nèi)均勻分布的6×4個測量點(diǎn)，在一天內(nèi)定日鏡可正常反射太陽光的時間段內(nèi)，用照度計分別測量了各個點(diǎn)在有無定日鏡補(bǔ)光時的光照度。

圖4 實(shí)驗(yàn)測量點(diǎn)Fig.4 Experimental measuring point

圖5 有無定日鏡對比Fig.5 Contrast with or without a fixed helioscope

圖5展示了室內(nèi)的照明效果。較無定日鏡，有定日鏡補(bǔ)光時室內(nèi)亮度有了明顯提升，照明均勻性好，且具有較理想的顯色效果。

在未安裝定日鏡時，隨著時間推移，雖然室外光照在不斷加強(qiáng)，但室內(nèi)光照度基本保持在一個低值，約200 lx；而在加裝定日鏡時，室內(nèi)光照度有了大幅度的提升，達(dá)到了同時刻無定日鏡光照度的3～4倍，如圖6所示。由此可知定日鏡的補(bǔ)光效果非常明顯，這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)果是一致的。

每點(diǎn)數(shù)據(jù)均為地面測量點(diǎn)光照度平均值圖6 室內(nèi)光照度對比Fig.6 Indoor illumination contrast

5 結(jié)束語

我們開發(fā)了一套用于日光照明的定日鏡采光機(jī)。該系統(tǒng)利用GPS信息和天文算法，可實(shí)現(xiàn)太陽的智能定位，可高精度地將太陽光照射到目標(biāo)窗戶。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，定日鏡可以有效反射太陽光到室內(nèi)，大幅度提高室內(nèi)照度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于GPS信息和高精度天文算法的定日鏡系統(tǒng)可用于遠(yuǎn)距離的太陽光主動照明運(yùn)行。本項(xiàng)研究的結(jié)果可供定日鏡采光照明研究參考。