仿生向日葵向阳运动的太阳光光纤照明系统设计与研究

发布时间：2020-05-21 20:22

【摘要】：在资源短缺和环境污染日益严重的今天,太阳能以其清洁和无限量的特点成为各国关注的焦点。现阶段,太阳能利用的方式主要有两种:一种是太阳能的直接利用,另一种是太阳能的间接利用。太阳光光纤照明技术属于太阳能的直接利用领域。在实际中,太阳光跟踪机构是影响太阳光光纤照明系统采光效率的重要因素之一。目前的跟踪机构多为两轴式跟踪,存在耦合力矩,安装偏差对跟踪误差影响较大,对两轴正交性要求严格等问题。为此,基于仿生学原理,研究了向日葵向阳运动的机理,提出了一种新型的仿生向日葵跟踪机构方案,完成了仿生向日葵向阳运动的跟踪机构的设计。该新型跟踪方案中采用太阳光跟踪板替代葵花盘,绳索的伸缩运动替代植物体内细胞的分裂和增殖,四象限光电传感器替代葵花盘的感光部位,最终实现了对向日葵向阳运动整个过程的仿生。同时,为了保证整个照明系统的光接收效率,新型跟踪系统采用了主动跟踪与被动跟踪相结合的闭环控制模式,完成了两种跟踪方式下系统的软件设计。由于仿生向日葵跟踪机构中跟踪板的运动类似于欧拉盘的运动,其运动规律较为复杂,难以实现对太阳的主动跟踪,本文基于空间解析几何理论以及太阳位置算法,构建了仿生向日葵跟踪机构的数学模型,得到了仿生向日葵跟踪机构中跟踪板的位置逆解,实现了对仿生向日葵跟踪机构的主动跟踪控制。基于太阳位置算法的主动跟踪控制方式存在较大的跟踪误差,本文利用光电传感器模块设计了跟踪系统的被动跟踪方案,完成了被动跟踪模式下系统对太阳的跟踪,达到了减小跟踪误差的目的。仿生向日葵跟踪机构运行的稳定性是跟踪系统实现对太阳正常跟踪的前提。本文通过对仿生向日葵跟踪机构稳定运行的影响因子进行求解与分析,以及对跟踪机构在整个工作空间运行的稳定性进行探讨,证明了仿生向日葵跟踪机构在整个工作空间能够稳定运行。跟踪系统的跟踪误差是评价整个照明系统照明效率的重要指标。基于优化算法理论,构建了仿生向日葵跟踪机构中方位轴偏差的数学模型,对跟踪误差做了分析,并与两轴跟踪机构中方位轴的安装偏差对跟踪误差的影响进行对比,得出了仿生向日葵跟踪机构的方位轴安装偏差对跟踪误差影响较小,证明了采用新型跟踪机构方案能够获取更高的照明效率。基于上述跟踪系统,完成了整个仿生向日葵向阳运动的太阳光光纤照明系统平台的搭建及整个系统的户外调试和测试,实现了对太阳的跟踪以及室内照明功能。
【图文】：

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１．３国内外太阳光照明技术的研究现状逡逑日本是世界上第一个研究太阳光光纤照明技术的国家，，也是现阶段发展太逡逑阳光光纤室内照明技术最成熟的国家之一。如图１－１所示是日本推出的“向日逡逑葵”太阳光光纤照明系统［４］３，该系统主要包括：光接收模块、两轴跟踪机构、逡逑驱动与控制模块、支撑模块以及防护罩等，另外该装置在实际应用中还配备了逡逑普通的照明灯具供夜间照明使用。逡逑ＰＢＰＶＢＶＩ逡逑＿邋１邋ｉｎ逡逑图１－１日本Ｌａ邋Ｆｏｒｅｔ公司生产的“向日葵＃光纤照明系统［４］３逡逑从日本推出世界第一台太阳光光纤照明系统“向日葵”起，世界上其他国逡逑家逐渐开始关注太阳光光纤照明技术及其应用对人体健康的影响等相关方面逡逑的研宄。美国有关学者于１９９５年开始研宄太阳光光纤照明技术，并且在研宄过逡逑程中得到了美国能源机构的大力支持，因此美国在太阳光光纤照明技术领域的逡逑研宄发展很快，并研制出了相关的照明设备０］。美国开发的太阳光光纤照明逡逑系统与日本的“向日葵”光纤照明系统略有不同，该照明系统增加了普通照明逡逑系统

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逡逑图１－２上海虹桥站太厅太阳光光纤照明工程食例逡逑相对地球上的参照物而言》太阳一直处于运动的状态。在实际应用中，太逡逑阳光光纤照明系统的采光效率会随着太阳光线与太阳光接收板法线的夹角的逡逑减小而增大，当太阳光线与太阳光接收板法线夹角为零时，太阳光光纤照明系逡逑统的采光效率达到最大，囡此太阳光光纤照明系统的采光效率会随着太阳位置逡逑的改变而变化，所以对太阳进行跟踪是提高太阳光光纤照明系统采光效率的必逡逑要途径。目前，跟踪系统在国内外的应用较为广泛，常见的跟踪机构包括固定逡逑在地面的大型的军用跟踪雷达［２９］，气象监测跟踪系统以及中型的太阳光跟踪逡逑机构［３ＣＵ１］，小型的云台，固连于移动平台上的用于天文观测、环境监测以及灾逡逑害预报的跟踪机构。上述跟踪系统中的跟踪机构多为两轴式跟踪
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK519

【参考文献】