太阳光追踪照明系统的控制方法研究

发布时间：2020-10-09 01:59

　　太阳能能有效缓解全球能源危机和环境危机,太阳光照明方式作为太阳能应用领域的一个重要分支,具有绿色环保和益于人体健康等优点,逐渐成为能源领域研究的热点之一。追踪系统的实时追踪精度和稳定性是影响光纤导光效率和太阳光利用效率的关键因素,为了提高太阳光追踪照明系统的导光效率,需要对太阳光追踪控制方法进行研究。针对追踪传感器的视角范围较小和精度低引起“盲追”、“追丢”等问题,基于双轴追踪结构设计了太阳光追踪照明系统,提出以光电追踪为主、太阳轨迹为辅的混合追踪方式实现大范围跟踪。采用王炳忠轨迹(Wang)算法构建了基于太阳轨迹的追踪方式,方位角和高度角的追踪误差为±0.5°。基于光学软件TracePro分析了聚焦光斑位置与太阳入射光线偏移角度之间关系,获得了满足导光效率要求的光线偏移角度范围±0.26°。并以四象限追踪原理设计精度可达0.05°的追踪传感器,实现了高精度追踪。针对太阳追踪照明系统的功能需求,以STM32和嵌入式操作系统μC/OS-II设计了太阳追踪控制系统;采用C/S模式和WiFi无线通信方式,构建了其远程测控平台,功能试验表明:监控系统能满足太阳追踪系统参数实时监控的要求。采用Wang太阳轨迹算法,结合ADAMS和MATLAB实现了太阳光轨迹追踪仿真控制,仿真结果表明:系统能够快速追踪设定的目标角度,并实时反映太阳追踪系统的运动状态。针对追踪传感器的追踪性能开展了试验,获得了传感器感光理论设计值与实际光照值之间的关系,提出了误差校正补偿方法。并基于不同控制参数、校正补偿策略进行了追踪控制性能试验。结果表明:当方位和高度的误差校正系数为1.6和2.5时有效削减了追踪过程中光照的振荡。在外界环境光强稳定的状态下,高度角与方位角的追踪调整波动量分别降低了68%和33%,能够校正透镜聚焦光斑位置;在复杂天气状况下,光纤输出光照的稳定性和跟踪性较好,追踪精度和装置导光效率明显提高。开展的太阳光追踪照明控制系统的研究,提高了导光效率,对降低白天建筑照明耗能和提高健康生活质量具有非常大的工程意义和应用价值。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK513.4;TP273
【部分图文】：

示意图,单轴,方式,示意图

图 1.1(b)所示为南北水平布置东西追踪，图1.1(c)所示为东西水平布置南北追踪。三种方式虽然在布置方式上有所不同，但其基本的工作原理比较类似。在装置的工作过程中，采光平面根据计算的太阳赤纬角的变化围绕转轴对太阳位置进行单轴方向追踪。单轴追踪的优点是结构简单，易于实现控制，但由于只在单个方向上追踪太阳，在一天之中只有很短的时间段内太阳追光系统的采光平面与太阳入射光线保持是垂直状态，而其他大部分时刻太阳入射光线与追踪装置的采光平面是处于倾斜状态。因此，这种单轴追踪方式的装置跟踪精度低，导致太阳能的收集效率较低。(a) 倾斜布置东西追踪 (b) 南北水平布置东西追踪(c) 东西水平布置南北追踪图 1

双轴,太阳,极轴

相垂直的轴为赤纬轴[22]，其工作原理如图 1.2(a)所示。在装置工作过程中，受光平面由极轴和赤纬轴组成的平面绕轴旋转进行追踪太阳，由于地球自转装置与太阳入射光线保持垂直，极轴的旋转速度与地球自转速度同步来实时根据太阳赤纬角季节性变化而定期调整赤纬轴旋转角度，以不断适应太阳赤。极轴方式追踪具有结构和控制简单的特点，但设计极轴的支撑结构比较复械结构设计要求比较高，因此极轴方式的追踪装置并未得到广泛应用。2）地平式双轴追踪地平式双轴追踪又称高度角-方位角式追踪[24]。追踪装置的受光平面一轴与大称为方位轴；另一轴与地面平行，与方位轴垂直的轴，称作俯仰轴，其工作.2(b)所示，这种追踪方式可以根据太阳运动位置信息不断实时调整方位轴和角度，进而调节装置采光平面的倾斜姿态使受光平面始终与太阳入射光线垂式相比，采用地平式追踪方式的追踪精度高，结构设计比较简单且制造成本

太阳光,太阳能

反射式主镜和反射式次镜构成二两级碟式聚光器，试验结果表明在/m2式时，0.2m2反射面积的实现了 6.3m2照明面积，且平均照度为明标准。科研院所对太阳能采光照明进行了早期研究，1996 年，我国启动“提倡使用绿色环保的照明能源。张耀明基于光纤敏感器追踪传感器阳光采集跟踪装置[45]，实现了太阳自动跟踪和采集太阳光。2008 年超低能耗示范楼[46]，利用自动跟踪太阳的投射式采光机，通过光纤，最远阳光传输距离为 200m。2010 年，在上海虹桥枢纽高铁站在照明区域安装了太阳能光纤照明系统[47]，为处于地下封闭环境提供正实现了节能环保。目前在我国市场也出现不同类型太阳能照明系”太阳光纤导入器、“蓝煦”光纤导入式太阳光导入器、光导管式太阳示。

【参考文献】