太阳能光纤照明系统的设计

【摘要】：太阳能是一种绿色无污染、可持续使用的能源,将其作为日常生活中的主要能源并替代化石能源是一种发展趋势。然而由于太阳方位从早到晚都是变化的以及阴云天气容易遮挡太阳,这不仅导致了太阳能的利用效率低,而且也限制了太阳能的发展。因此,为了加大对太阳能的开发、应用的步伐,本文设计了太阳能光纤照明系统,其不仅系统结构简单,而且可广泛用于太阳光无法直接照射的地方,如地铁、地下停车库等场所。同时该系统还能滤除太阳光线中对人体有害的射线以及帮助人类实现可持续发展战略。 论文首先建立了基于卡塞格林结构的聚光装置的模型,分析讨论了该聚光装置的汇聚特性,并且根据传光光纤正常工作时所能承受的温度和旋转抛物面镜焦平面温度经验计算公式计算出该聚光装置的具体尺寸。其次根据汇聚光束对光纤耦合的要求以及基于卡塞格林结构的聚光装置对太阳光的汇聚特性而设计了适合本系统专用的太阳光耦合装置。此外根据光路系统的传光条件和技术要求,设计了二维结构的机械聚光平台。该机械结构聚光平台将在自动跟踪装置的带动下,对太阳方为进行追踪,使得聚光装置的采光面能够正对太阳。 系统采用单片机作为太阳光自动跟踪装置的控制器,并且设计了由光敏三极管组成的信号采集电路将太阳光光线强度的变化转化为电压信号,然后经过A/D转换器的作用而转换为能够被单片机识别的数字信号。单片机根据该数字信号以及软件编程的要求,通过控制步进电机的驱动电路而控制水平方向和竖直方向上的步进电机的转动,从而实现对太阳方位的精确追踪。此外该自动跟踪装置除了跟踪模式以外,还有复位模式、原处等待模式,从而能够抵抗阴云天气的干扰,反应速度快、能耗低以及成本低。 【关键词】：太阳能 聚光装置 自动跟踪 光纤 照明 光耦合
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM923
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-24
• 1.1 课题来源14-15
• 1.2 课题背景15-19
• 1.2.1 太阳能能源的现状及发展15
• 1.2.2 我国太阳能资源的分布情况15-17
• 1.2.3 国内外太阳能光纤照明系统的发展现状17-19
• 1.3 太阳能光纤照明系统的发展远景19-21
• 1.3.1 太阳能光纤照明的优点19
• 1.3.2 限制太阳能光纤照明被推广应用的因素19-21
• 1.3.3 太阳能光纤照明的发展远景21
• 1.4 论文的研究内容21-22
• 1.5 论文内容安排22-24
• 2 太阳能光纤照明系统总体结构分析24-34
• 2.1 太阳能光纤照明系统包含的模块24-25
• 2.2 太阳能光纤照明系统中的聚光装置25-28
• 2.2.1 太阳能光纤照明系统中传统的聚光装置25-27
• 2.2.2 太阳能光纤照明系统聚光装置的选择27-28
• 2.3 太阳能光纤照明系统的传光光纤和太阳光耦合器28
• 2.4 跟踪装置机械执行部分28-29
• 2.5 太阳能光纤照明系统中自动跟踪装置部分29-32
• 2.5.1 跟踪装置的跟踪方案介绍29-30
• 2.5.2 跟踪装置的跟踪方案的选择30-31
• 2.5.3 太阳能光纤照明系统中自动跟踪装置的控制系统31-32
• 2.6 太阳能光纤照明系统中的辅助照明方式32
• 2.7 本章小结32-34
• 3 太阳能光纤照明系统的光学系统设计34-54
• 3.1 太阳能光纤照明系统中聚光装置的设计34-38
• 3.1.1 基于卡塞格林结构的聚光装置的聚光原理35
• 3.1.2 旋转抛物面聚光器焦平面温度经验计算公式35-36
• 3.1.3 基于卡塞格林结构聚光装置的尺寸参数的计算36-37
• 3.1.4 基于卡塞格林结构聚光装置的数学模型37-38
• 3.2 太阳能光纤照明系统中的光传输导体38-46
• 3.2.1 导光管38
• 3.2.2 光纤的基本结构38-40
• 3.2.3 光纤的传光原理40-44
• 3.2.4 塑料光纤的特点44-45
• 3.2.5 光纤的传输特性45-46
• 3.3 太阳能光纤照明系统中滤光片的设计46-47
• 3.4 太阳能光纤照明系统中末端发光装置的设计47
• 3.5 太阳能光纤照明系统中太阳光耦合装置的设计47-52
• 3.5.1 光源分类以及太阳光与传光光纤耦合的条件47-49
• 3.5.2 误差对汇聚光束耦合进传光光纤的效率的影响49-51
• 3.5.3 太阳光耦合装置的设计51-52
• 3.6 本章小结52-54
• 4 太阳能光纤照明系统中自动跟踪装置的设计54-74
• 4.1 太阳能光纤照明系统自动跟踪装置模型的确定54-55
• 4.2 太阳光自动跟踪装置控制芯片的设计55-57
• 4.3 步进电机及其驱动器57-65
• 4.3.1 步进电机的介绍及分类57-58
• 4.3.2 步进电机的技术指标58-60
• 4.3.3 步进电机的工作原理60-63
• 4.3.4 步进电机驱动控制电路63-65
• 4.4 光电传感器65-71
• 4.4.1 光敏三极管65-67
• 4.4.2 光电传感器的设计67-71
• 4.5 太阳光自动跟踪装置软件设计71-73
• 4.5.1 自动跟踪主程序设计71-72
• 4.5.2 光电追踪子程序72-73
• 4.6 本章小结73-74
• 5 总结与展望74-76
• 5.1 对本文研究工作的总结74
• 5.2 对研究工作的展望74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 作者简介及读研期间主要科研成果82

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