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摘要................................................................................................ 错误!未定义书签。Abstract .......................................................................................... 错误!未定义书签。第1章绪论. (1)
1.1课题背景及意义 (1)
1.2国内外发展及研究现状 (2)
1.3课题主要研究内容 (3)
第2章阳光光纤采集系统整体结构 (5)
2.1系统组成 (5)
2.2系统各部分工作原理 (5)
2.3本章小结 (8)
第3章光路系统设计 (9)
3.1聚光器的选择 (9)
3.1.1聚光器的种类 (9)
3.1.2菲尼尔透镜聚光器 (11)
3.1.3菲涅尔透镜汇聚特性 (14)
3.2光传导导体的选择与分析 (16)
3.2.1导光管的基本结构 (16)
3.2.2光纤的基本结构 (18)
3.2.3光纤导光原理 (19)
3.2.4光纤传输特性 (24)
3.2.5光纤的选择 (24)
3.3光耦合条件 (25)
3.3.1横向误差对耦合效率的影响 (25)
3.3.2纵向误差对耦合效率的影响 (26)
3.3.3角度误差对耦合效率的影响 (27)
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3.3.4太阳光与光纤耦合装置设计 (29)
3.4阳光光纤照明简易实验装置 (30)
3.4.1装置组成 (30)
3.4.2装置照明效果 (32)
3.5本章小结 (32)
第4章阳光跟踪系统设计 (33)
4.1硬件控制系统 (33)
4.1.1单片机 (34)
4.1.2光电检测电路的设计 (35)
4.1.3单片机控制电路设计 (38)
4.1.4时钟电路设计 (39)
4.1.5步进电机的选择 (40)
4.2软件控制系统 (49)
4.2.1光电追踪器模块的设计 (51)
4.2.2光电检测追踪模块的设计 (51)
4.2.3太阳固定轨迹追踪模式的设计 (52)
4.3本章小节 (53)
总结 (55)
参考文献 (56)
致谢 (58)
附录光电追踪设计程序 (59)
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第1章绪论
收集阳光1.1课题背景及意义
近年来，随着城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的釆光方式已经不能满足建筑物内部的釆光要求。尤其是那些建筑较低、暗室及地下仓库，即使是晴天，室内光线也很昏暗，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且给长期在此环境中生活与工作的人身心健康带来不良影响。故如何做到高效地开发和运用新能源，使之成为人类主要的能源供给方式，现在看来，无疑是一个相当有价值的科研课题。
根据国际能源协会公布结果，2013年全世界用电量为2650TW.h，世界各国平均照明用电量约占全球总发电量的19%。其中，全世界越28%的电能用于居住生活。在我国，每年北方新竣工的建筑面积为12亿
平方米，照明用电量大约占发电量的12%左右，并且主要以低效照明为主，照明终端节能具有很大的潜力。同时照明用电大都属于高峰用电，照明节能具有节约能源和缓解高峰用电的双重作用。太阳是一个非常理想的天然光源，它发出的电磁波含有无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、γ射线和宇宙射线，太阳辐射到地球的总功率约为1.73×1017 W，其光功率强度达到1367 W/m2，其中红外光的能量约占太阳总辐射能的一半。太阳能开发和利用的技术包括太阳采光、热能利用和光伏发电，其中利用昼光进行采光照明，可实现建筑的昼间照明，若利用太阳能电池给蓄电池充电，则夜间也可实现照明，充分利用太阳能是照明技术发展的一种趋势。
20 世纪70 年代能源危机后，能源和环境问题举世瞩目。从现在算起全球的化石燃料耗尽的时间平均不足100年，太阳能是最典型、能量最强的自然光源，但仅有很少一部分通过玻璃窗、天窗射入室内，大部分随着日月交替而白白流逝了。照明能耗是人类生活能源消耗中最多的一项，约占总能耗的9% 以上。太阳能的开发利用一般有间接和直接间接两种途径，间接方法通过光电转换或光热转换，面临转换效率低、转换成本高的难题，直接利用是太阳能利用的新思路。国家游泳中心“水立方”采用的ETFE 膜透光性非常好，为场馆带来了每天近9 小时的自然光照射，节能30% ，然
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而其使用范围有限。所以太阳能光纤照明系统采用光纤引导自然光照明，是充分利用太阳能照明最为新颖的途径，在节能型城市的建设中，必将受到国际建筑和照明界的高度重视。
太阳能光纤导光照明系统不仅能够把清洁健康的阳光均匀导入室内，随意改变室内光线的整体和局部布局，代替白天的电力照明，大大节省电费开支，而且节能环保，足不出户便能充分地沐浴阳光。传统的太阳追踪光纤导光照明系统存在很多缺陷：由于采光结构接受光照的面积较大，面积大小也易发生变化；清理和维护需要定期进行，自动维护效果较差；弦光和亮光差问题导致光照效果不好；传导系数较低，需要附加制冷或者采暖设备，增加了消耗；由于缺少调节光亮的装置，设备不能根据光线的变化随时调整输出照明效果；此外防火、隔音和防水等性能方面也有很多不足。光纤导光照明因其独特的优势，更直接、更好的利用室外阳光的采集来对室内光线做出改善，光纤照明作为一种特殊的传导光能的形式，同时因其传光具有安全、可靠且是自然光等优点，近几年来在照明领域的应用越来越广泛。它可应用于体育馆、机场、火车站、地下车库、高湿度、高温度场所、水下或水池边、甚至有火险、爆炸性气体的场所等地，它是一个安全的光源。光纤照明与电照明相比，具有不可替代的优势。随着光纤导光照明技术的日趋完善以及计算程序和测试方法上的成熟，简化了光纤照明设备的安装。该照明方式的优点是很少受到环境的影响。因上述该照明系统的优点，必然促使光纤照明的需求增加。通过跟踪器、控制器、聚光器以及室内的散光器等各种各样的部件可组装成一套完整的光纤导光照明系统。光纤照明不仅安全、环保、美观、价格低廉，而且给室内照明提供来自大自然的自然光线，非常具有研究价值。
1.2国内外发展及研究现状
日本
日本是将太阳光用于室内照明作为研发对象最为活跃的国家之一。1979年8月laforet公司制造出第一个采集太阳光的照明系统“Himanwari”，即“向日葵”。Himanwari采光器的核心组成为菲涅尔透镜、太阳跟踪装置及光缆，还包括照明灯具和供夜晚、阴雨天用的人工照明光源设备。控制程序中包含
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计时功能，能够根据年、月、日、时来判断太阳的位置，使透镜面向太阳，光缆采用石英光纤，长度不能超过20m。
美国
20世纪90年代中期，美国便幵始进行将太阳光用于照明的研究。大概在1995年，美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)发明了组合太阳光照明系统。这里的组合照明，就是以太阳光照明为主，不足之处再用电照明填补。美国的研发时间比日本滞后，但是经过美国政府尤其是能源部的大力支持及企业、院校、科研机构等的共同努力，该技术发展速度非常快。
欧盟
总部位于瑞士的巴士(Heliobus)公司与俄罗斯Aizenberg教授共同研发的太阳光室内照明系统采用定日镜收集太阳光，然后用美国3M公司提供的棱镜光管把阳光导入室内，1997年此系统荣获欧洲环保技术交
易会颁发的欧洲环境奖。
中国
在我国，八、九十年代，就已经有一部分科研院所和企业着手研究此类自然光导光管(光纤)照明系统。目前主要用于住宅等小型室内照明，技术水平与国外相比还相对落后，应用仍处于试验阶段，2008年北京奥运会中心区地下车库安装的19套导光管系统，是我国将太阳光照明系统用于大型地下空间的首次尝试。
1.3课题主要研究内容
所介绍的太阳能光纤照明系统采用了双轴追踪方式，可实现对太阳方位进行大面积、快速准确追踪。论文包含的研究内容有:
（1）对传统聚光装置的性能进行了研究，设计出了基于菲涅尔透镜结构的聚光装置，并确定其结构尺寸的具体参数。根据光纤导光特点，不同材质光纤导光强弱，选择合适光纤
（2）对太阳能光纤照明系统的太阳光自动跟踪装置的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行分别设计。分析传统的跟踪装置的性能参
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