一种工厂太阳光照明系统的设计

【摘要】目前，为了达到节能减排、保护环境的目的，工厂照明系统已从白炽灯慢慢过渡到节能灯。但是现在的工厂，大部分都是封闭性的，工作人员需长时间在里面工作，缺乏阳光照射对他们身心健康有极大的影响。基于此，设计一种工厂太阳光照明系统，通过该系统可以在工厂外实现捕捉并收集太阳光，然后通过光学透镜聚焦成一束较强光在光能管道中传播，最终通过多根光纤将光平均分配到工厂不同的地方用于照明。最后，对此类照明系统的应用前景进行了分析。

【关键词】太阳光采集;光导管;聚光;照明

“十二五”规划以来，我国节能减排形势严峻，这与我国产业结构优化升级进展缓慢、服务业比重相对较低、一些高耗能、高污染行业增长偏快等因素密切相关。清洁能源的开发使用已迫在眉睫。目前，我国工业化虽发展很快，但是工厂环境的布置却不是很理想。尽管为了达到节能减排的效果，很多工厂将白炽灯换成了节能灯，对于长时间工作的工作人员来讲，他们平时总呆在密封的工厂中工作，缺乏外界太阳光的照射，容易引起一些疾病。因此，如果能够在白天将外界太阳光直接引入室内照明，将节约很多电能，为员工提供阳光照明也有助于增强他们的免疫力。太阳能建筑一体化就是最好的例子[1]，工厂太阳光照明系统的应用将有助于发展节能环保。论文提出了一种应用于工厂照明的太阳光照明系统设计方案，并分析其未来前景。

1.工厂太阳光照明系统设计说明

太阳光是最重要的自然光源，它使整个世界姹紫嫣红，五彩缤纷。当光线随时间的推移以及天气发生变化时，都会直接影响物象的色彩。太阳能建筑的研究与开发，间接成为了各个国家重视的问题。太阳能与建筑结合并非只停留在外立面的结合，更重要的是太阳能要依托于建筑为人类提供更多的实用价值[2]。

图1 工厂太阳光照明系统模拟图

本工厂太阳光照明系统主要由三部分组成（1）太阳光收集装置、（2）光能管道、（3）光纤照明系统。在工厂的顶棚安装一个大型的太阳光收集装置，该装置能够收集太阳光并隔热过滤紫外线，通过横截面积较大的光纤将光从面朝太阳方向延伸到垂直方向。在光能管道的顶部，通过光学透镜来将光纤传递的光聚焦成集中的一束光，利用光沿直线传播的特性，在光能管道拐角处安装平面镜用于反射。当

到达传递高度时，在光能管道的底部设置光学透镜，将较强的一束光分散成平行光，最后通过大量光纤并排设置将光平均分配到每间屋去。图1和图2分别给出了工厂太阳光照明系统模拟图和光线传播模拟图。

图2 光线聚焦模拟图

注：图1中（1）为太阳光收集装置，（2）为光能管道顶部的聚光部分，（3）为光纤，（4）为光能管道，（5）为光能管道底部的分散光束部分，（6）为多根传递光能光纤，（7）为光纤照明部分。

1.1 太阳光收集装置

在太阳光收集中，进行追踪是很有必要的，可以采用闭环控制方式或者开环控制方式，对太阳光实时的捕捉并进行收集[3]。根据太阳光照射能够产生影子的原理，利用光敏传感器来实现感知太阳的方向，以此来驱动相应的二自由度云台来实现追光。太阳光收集装置采用类似于太阳灶的结构，其边面采用反光材料，在其最上端安装聚光装置实现收集聚光，在聚光装置的结构中间加入透明隔热层用于隔热，这样更有利于隔绝热量收集光能。最后从聚光装置的底部延伸出多个光纤用于传输光能。

1.2 光能管道顶部聚光部分及光纤部分

在光能管道的顶端，按照图2的光线聚焦模拟图，通过3个光学透镜来实现，如图2所示，通过这种方式就可以将横截面积较大的平行光聚集成一束横截面积较小的强光，有助于在光能管道中传播。凹透镜可以将发散到不同方向的光转换成平行光，然后通过两个焦距不同的凸透镜将光聚集成强光。光纤部分的使用有助于将收集到不同方向的太阳光转换成垂直方向，便于聚光部分聚光。

1.3 光能管道

在工厂的顶棚，可以安装光能管道用于传递光能。光能管道内部镶嵌反射材料用于反射光束减少损失，在拐角处安装平面镜用于改变强光束的传播方向。平面镜的固定装置采用由双舵机组成的二自由度云台，这样通过pwm波来控制光能传播方向可以更好的减少人为安装失误。根据光沿直线传播的原理，让强光束在管道中传播，从而减少反射降低了光能的损失。在光能管道的底部装有分散光束部分，类似于顶部的聚光部分，将光学透镜的聚焦方式反过来，用于将强光束分散成弱光。同样采用光学透镜来将强光束的横截面积放大，以此来分散成较弱的光。最后多根光纤并排设置成圆柱状，利用光纤的传递光能的作用，平均分配光能。通过多根光纤将太阳光导入到工厂的每一间工作室中。

1.4 光纤照明装置 在光纤将光能引入到工厂工作室后，根据实际工厂工作室灯光布局，采用类似于手电筒原理，利用半球状光学透镜将光散射到室内。在光纤照明装置的内部镶嵌反光材料用于更好的反射光能，将光照射出去。在工厂里，当然也有电灯作为辅助照明，使光纤照明装置和电灯相辅相成。白天使用该装置，将不耗费任何电能用于照明，省去了很多的电能。

2.结论

工厂太阳光照明系统体现了利用绿色能源的理念，其制作需根据工厂实际情况，从光到光，而不是采用常规太阳能电池板的从光到电，再从电到光的太阳能利用形式，大大提高了太阳光的利用率。该系统的使用，将为倡导绿色工厂做出贡献。

参考文献

[1]高军林，刘玉山，吉顶，范国辉.太阳能与建筑一体化的实践[J].节能与环保，2006（11）.

[2]李慧敏，孙培军，俞彤霖.太阳能与建筑结合的发展及新技术应用[J].建筑科技，2008（10）：59-64.

[3]陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].新能源及工艺，2003（3）：18-21.

[4] 张耀明.采集太阳光的照明系统研究[J].中国工程科学，2002（09）.

基金项目：部级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201310448030）;德州市科技发展计划项目（项目编号：2012B05）。

作者简介：辛增（1994―），男，山东泰安人，主要从事太阳能利用方面的研究。

通讯作者：杨光军（1977―），男，山东莱芜人，硕士，副教授，研究方向：新能源开发与利用。