《装备维修技术》2021 年第 8 期
金 旭 李军红 林臻智 曾奕珂
（南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001）
摘 要：近年来，随着气候问题日趋严重，能源战略转型已经成为调整世界经济新格局的关键因素。太阳能作为一种清洁、可再生 的新型能源，应用前景十分广阔。提高太阳能的利用率可以减少对其他的能源的消耗，可以减少生产制造中对环境的污染， 对我们的生活有着很大的意义[2]。本文基于此，设计一种新型集智能追光、导光于一体的新型节能减排装置。本装置利用 光敏传感器、光导纤维以及菲涅尔镜对太阳进行感光、追光、导光以及调整光线焦距，同时我们使用 PD 算法使整个装置 的追光效果更好。本装置不仅可以用在阳光下，而且可以用在任何有光线的地方。 关键词：光敏传感器；光导纤维；菲涅尔镜；PD 算法
1 引言
为了提高人们的生活质量、提高太阳能的利用率以及减少能 源消耗，本文设计出一种精度较高、结构简 单、造价低廉的一种 追日采光照明系统，采用光电检测追踪配合双轴追踪的新型追光 模式，其中光电检测是以光敏电阻为基础，追光过程中分为粗调 和细调两种不同的模式，以此来实现高精度追光。其中采光是利 用菲涅尔透镜采光聚光，通过将光导纤维[1]聚成一簇进行导光。 当遇到光线不足或者夜间运行时，可以通过 LED 灯进行补光，可 以实现全天候补光。本装置对未来的光导系统发展有着很大的作 用，并且将有希望投入市场。 2 装置设计
本装置的思路主要由追光系统、导光系统和补光系统三部分 组成，并且可以根据不同设计的规格不同适用于各种场合。
2.1 追光系统的组成 追光系统的设计是本装置的技术关键，它可以让带有光电检 测的追光板自动跟随光源转动，并且可以根据光线的强弱自动调 整透镜的焦距[5]，以确保追光效果达到最好。 本设计的追光系统部分由采光装置、追光装置[6]以及调光装 置三部分组成。采光装置主要由菲涅尔透镜和透明固定板等部分 组成。根据菲涅尔透镜的透光原理进行采光，将光线传递给光导 纤维。追光装置由单片机、步进电机、联轴器、光敏电阻和光敏 盒子组成，光敏盒子负责固定光敏电阻和阻挡其他外界的环境因 素干扰，光敏电阻感应到光线并将信号传输给单片机，由单片机 驱动步进电机工作，步进电机通过联轴器带动连接着连杆的追光 板转动，从而调节追光板随着光源的方位进行转动。调光装置主
要由步进电机、光纤接入板和光杆组成，当光源照射时，光线透 过菲涅尔镜聚焦成光斑，光斑可以通过挂光导纤维传输，当光源 接近追光板时，由于透镜的焦距不变，形成的光斑开始远离光纤 接入板并向上移动，这时步进电机转动调整光纤接入板向上移动 直至接收到光斑，同理，光源远离追光板时也是如此。追光系统 如图 1 所示：
abs0822.2 导光系统的组成 本装置导光系统主要是由菲涅尔镜、滤镜(IR-UV 滤镜)以及光 导纤维组成，菲涅尔镜主要负责聚光，太阳光进入光导纤维前先 进入菲涅尔镜，由于菲涅尔镜的聚焦作用，将光线聚成光斑，我 们在透镜下方加装一片红外线-紫外线滤镜(IR-UV 滤镜)，滤镜主 要是利用光的干涉原理的透射作用，允许光谱中特定波长的光通 过，将自然光中的紫外光过滤，可以减少紫外光对人体的危害。 通过集光板上方的步进电机带动丝杆旋转，可以控制光导纤维接 入板与集光板的距离，调整入射光纤的光斑大小从而调整输出端 光强。当距离发生变化时，光斑大小变化，单位面积接收到的阳 光光强发生变化，光斑变化如图 2 所示。光导纤维主要是导光作 用，它可以将过滤之后的光传递给光导纤维的另一端，从而实现 照明功能[3]，照明效果如图 3 所示。
图 2 光斑变化示意图
图 1 追光系统示意图
图 3 导光效果图 2.3 补光系统的组成 补光系统主要是由光漫射器（见图 4）、LED 光源等组成。光
纤分布在 LED 周围，光纤（蓝）包围 LED 光源（黄）（见图 7），
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工作研究
这种设计可以将两路光融合成一路光，光纤输出方向较为平衡。 增加的 LED 光源除了用于补光，还可以节省空间。补光结构概念
图如图 7 所示：
图 4 光漫射器（7，8） 高供电为 12V，完全符合实验要求。在补光装置中，储能元件可以 对 LED 直接供电，LED 的额定电压符合灯的额定电压。储能元件 的特点是能量高、寿命长、自放电少、工作电压高且无记忆效应、 对环境无污染，非常符合节能环保的要求[4]。 照明装置，本设计采用发光的 LED 灯（见图 8）对模拟地下 室进行照明，LED 灯的优点是节能、耐用，可以为本设计提供长 时间的照明。
图 5 补光结构概念图 2.4 工作原理 本装置以 Arduino 单片机为核心，集追光系统、导光系统以及 补光系统于一体，整个装置的工作原理如下： （1）打开电源，接通单片机，追光装置自动复位，还原到初 始位置。 （2）光线照射到追光板上面的光敏盒子，光敏盒子中的光敏 电阻感应到光源，将信号
传递给控制单元，控制单元给出指令信 号，电机开始运行，调整追光装置的位置。 （3）光线透过菲涅尔镜和滤镜后，形成光斑，透明固定板根 据光斑的位置，自动调整位置，使光导纤维接收光斑导通到另一 端进行照明。 （4）当在夜间或者光线不足时，追光板自动复位，补光系统 开始进行 LED 光源补光。
3.原理部分和实物图
光敏电阻是利用半导体的光导效应制作而成的一种电阻器， 它的阻值随着入射光的强弱变化而改变，其对光的敏感性与人眼 对可见光的响应很接近，只要人眼可以感受到的光，都会引起光 敏电阻阻值的变化[7]。本装置采用四个光敏电阻，分别放在追光 板的四周，相关实验表明，光敏电阻的数量越多，追光的精度就 越高，效果也越明显。碳化硅纳米线
本设计使用锂聚合电池作为供电和储能元件，实验过程中最
图 6 照明装置 本装置的总体控制框图见图 9 所示：
图 7 总体控制框图
4.PD 算法
本装置采用 PD 算法控制，当调整横轴与纵轴的角度时，可以 使用 PD 控制对太阳能板进行调控。PD 算法公式如下：
(1) 其中为输出值，为上一次偏差，和 K_d 分别为比例项系数和 微分项系数[8]。在调节时注意先调节，再调节。若将比例项系数 调节过大则追光板转动过快，此时追光板会在太阳直射位置来回
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转动；若将比例系数调节过小则追光板反应过慢。故需多次调剂 寻最佳比例项系数。同理，微分项系数也如此。故在调试过程 中需确定好和的值。
5.结论
本装置在研发过程中充分发挥了指导教师、学生科研团队的 合作创新能力，在研
发过程中，团队的设计和动手实践能力都有很大的提高，本 装置已经申请了实用专利。该装置研发完成后，在嵌入式、软件 专业等领域都有很大的帮助，可以对社会有很大的贡献，能为节 能减排战略提供一个很好的方向。
6.创新点及应用
本装置具有以下创新点： （1）节能环保，高效追日，融合太阳能发电，减轻对电网的 依赖，采用光敏电阻而不是摄像头等其他高耗能传感器追日，有 利于减轻微控制器负担从而减少损耗、能耗。 （2）灵活高效，利用电机旋转带动两根连杆运动来“虚拟” 两个旋转轴的运动，提高了传动机构的可靠性和传动机构的响应 速度，且通过光敏电阻实现了精准追日。 （3）稳定舒适，光纤接入板的可升降，带来了输出光强的灵 活调整，可根据用户设定进行稳定输出。同时，LED 光源的及时 补光，给输出光源稳定带来了一道强有力的屏障。此外，可以判 断光照不稳定的情况，进而停止追日。 （4）操作简单，控制方便。
参考文献
[1]金鑫峰，周杭明，胡涛涛.太阳光的光导及光导纤维照明系统综述 [A].中国通信学会通信线路委员会、电信科学技术第五研究所. 中国通信学会 2017 年通信线路学术年会论文集[C].中国通信学
（上接第 60 页） 建立了壁板对接模拟件线弹性细节有限元模型，设置了相应
结构材料的弹性模量、泊松比，并根据实际情况定义了零件之间 的接触关系，施加了谱载下某载荷状态下的限制载荷，在试验件 一端约束，另一端施加轴向载荷，同时限制肋的侧向位移。此状 态下试
验件最大主应力最大值出现在对接带板上，肋缘条反侧内 表面第一排钉孔处，与试验件实际断裂位置一致，如图 4 所示。
会通信线路委员会、电信科学技术第五研究所：中国通信学 会,2017:5. [2]齐石.为什么说人造光没有自然光好[J].科学养生,2010(01):46-47. [3]张书博，王昌建.全自动追光光纤太阳灯的研制[J].电脑知识与技 术,2015,11(15):206-207+216. [4]王劲，陈林.智能采光实时追日的电能管理系统[J].单片机与嵌入 式系统应用,2009(07):53-56. [5]李永霞，李战，刘畅，兰天，黄盛.基于 STC 单片机的太阳能电池板自 动追日系统[J].计算机应用,2013,33(S2):331-332+335. [6]何燕阳.太阳能电池板追日自动跟踪方案的研究[J].蚌埠学院学 报,2015,4(06):1-5. [7]朱伟华，田磊.光导太阳能照明教学演示装置研制[A].实验技术与 管理,2016,12:1002-4956(2016)12-0072-03. [8]杜永亮，许森炫，冼润铖，李乐佳，郑艳华.基于 PD 算法的太阳能板 自追光系统[DOI].福建电脑,2016.11.011.
作者简介：
金旭（1999-），男，内蒙古通辽，南华大学本科生，自动化 专业。甲醇制氢
林臻智（1999-），男，广东省佛山市，南华大学本科生，通 信工程专业。
曾奕珂（1999-），男，湖南邵阳人，南华大学本科生，机械 设计制造及其自动化专业。
通信作者：
李军红（1971- ），男，湖南耒阳，南华大学电气工程学院副 教授，研究方向：智能控制及其应用。
注：本研究得到了南华大学大学生研究性学习和创新性实验 计划项目（S202010555154）的资助。
意在结构对接部位设置一定的侧向约束，以降低结构应力，提高 结构疲劳寿命。分离式导电滑环
图 4 肋侧向约束下对接带板应力云图 同时还分析了肋不加约束时的结构应力，试验件最大主应力 最大值仍出现在带板上，肋缘条反侧内表面第一排钉孔处，应力 值约为肋施加侧向约束时的 1.5 倍。因此，肋不施加侧向约束时结 构疲劳寿命应远低于肋侧向施加约束时。测量的肋未侧向支持和 侧向支持条件下应变对比如图 5 所示，未侧向支持条件下应变是 支持条件下的约 2 倍。在实际机翼结构中，肋支撑机翼上、下壁 板，壁板的侧向位移（垂直翼面方向）会受到限制，能够减小附 加弯矩的作用，因此，在试验和分析中，对肋施加侧向约束是合 理的。对接条件下，除了试验件轴向拉伸产生的拉应力外，外载 作用线与对接带板形心有一定距离，会导致一定的附加弯矩，引 起壁板内侧钉孔部位拉应力进一步增大。飞机结构设计时，应注
图 5 肋支持与未支持条件下应变对比
5.结论
壁板对接模拟件疲劳试验寿命满足设计指标，与估算寿命基 本一致；疲劳裂纹起始于带板内侧肋缘条相反一侧的第一排铆钉 孔处，与有限元计算得到的最大主应力位置一致；壁板对接条件 下，外载荷在对接带板上产生了附加弯矩使带板应力增加，结构 设计时，应考虑在对接部位增加一定的侧向约束以降低结构应力； 壁板对接模拟件疲劳试验和有限元分析时，应考虑肋对结构的侧 向支持。
参考文献
[1]飞机设计手册总编委会 飞机设计手册第 10 册 结构设计[M]. 北京：航空工业出版社 2000.10.
[2]GJB 67.9A-2008 军用飞机结构强度规范 第 9 部分：地面试验[S]. 北京：中国人民解放军总装备部 2008.10
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