專利名稱：利用陽光進行室內(nèi)照明的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將陽光傳導(dǎo)至室內(nèi)的陽光采光裝置，尤其是一種可以自動跟蹤太陽，將太陽直射光匯聚并濾除部分紫外線和紅外線后傳輸?shù)绞覂?nèi)用做照明的裝置，屬太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在室內(nèi)盡可能多地使用陽光不僅可以節(jié)省大量能源，而且可以提高室內(nèi)的環(huán)境品質(zhì)。伴隨著人類建造房屋的歷史，采光就一直是建筑領(lǐng)域在設(shè)計和建造時所必須考慮的重要因素。太陽光的照射角度是隨著時間的變化不斷改變的，并且不同的季節(jié)、不同的氣候太陽光的照射情況都會變化，所以對于一個建筑，不同時間的采光量及光照角度是不同的。太陽光的這種變化特性不能滿足人們在日間進行工作的需求，所以現(xiàn)代建筑物-尤其是城市建筑中，往往在外界陽光普照的時候，還在利用人造光源進行照明。另外，科學(xué)研究證實，自然光對人體健康非常有益，并且在自然光線照明的環(huán)境中人的工作效率會有較大的提高。因此，將太陽光用于照明，不僅可以節(jié)省大量的能源，而且有益于人體健康。
現(xiàn)有的主動型陽光采光裝置一般由聚光器、驅(qū)動傳動裝置、傳感器、控制器以及光傳輸裝置等幾個部分構(gòu)成，這些裝置往往成本較高，而且不能滿足高樓層、大面積建筑內(nèi)照明的需求，導(dǎo)致不適合市場化推廣。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，日本三洋電機株式會社于1996年3月27日公開了在中國的專利申請，申請?zhí)枮?5107312.5，名稱為“太陽光采光裝置及控制該太陽光采光裝置的太陽光采光控制裝置”，文中介紹了該采光裝置是將多塊棱鏡板按規(guī)定間隔安裝在采光器內(nèi)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)太陽的高度和方位控制棱鏡板的棱鏡角，使得太陽光始終按照一個固定的方向被折射。整個裝置由棱鏡板、同棱鏡板相匹配的驅(qū)動裝置、支持裝置和采光控制裝置構(gòu)成。該裝置的主要缺陷在于只適用于直接處于建筑物屋頂下面樓層的房間；在早晨和黃昏時刻，陽光的光照強度相對較小，由于該裝置光接收面同陽光直射光之間夾角較大，所以這些時刻能夠?qū)胧覂?nèi)的光很少，而這些時刻是建筑內(nèi)采光最為不足的，主要是因為該裝置的采光面只有一維方向的轉(zhuǎn)動，不能最大限度利用采光面的有效面積。另外，該裝置安裝在建筑的頂部，為了獲得較大的光收集量并將光傳輸?shù)绞覂?nèi)，需要在建筑頂部鑿開與光接受面面積相等的孔洞，這將破壞建筑頂部的建筑結(jié)構(gòu)，而且，開的孔洞越大，其成本也就越高，同時孔洞過大還帶來安全隱患問題，因為盜賊很容易從裝置的孔洞進入室內(nèi)。所以，該項產(chǎn)品的市場化可行性較小。
日本的森敬在中國公開了申請?zhí)枮?9102552，名稱為“太陽光線匯集裝置”的專利，該裝置利用自動控制原理使作為光線收集單元的透鏡始終對準太陽，透鏡將太陽的直射光匯聚到較小的面積，由光導(dǎo)纖維傳輸?shù)浇ㄖ飪?nèi)需要采光的場所。雖然光導(dǎo)纖維的光傳輸效率較高，而且比較柔軟利于安裝，但其成本高昂。目前一些研究機構(gòu)采用塑料光導(dǎo)纖維或液芯光導(dǎo)纖維來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多組份玻璃光纖和石英光纖進行光的傳輸以降低光纖成本，但塑料光導(dǎo)纖維在陽光中紫外線的照射下易老化，壽命較短；液芯光纖耐溫性較差，使用長度不能過長，效果亦不理想。
以上兩種裝置均不能滿足高樓層、大面積建筑的需求，而這種高樓層、大面積的建筑是現(xiàn)代城市中最為普遍的建筑形式，也是對采光需求最迫切的建筑形式，所以以上兩種裝置并不能很好地適應(yīng)目前市場需求。另外，陽光采光裝置一般都需要安裝在建筑物頂部，對于高樓層建筑，建筑內(nèi)的單位場所平均分配到的建筑頂部面積是有限的，所以傳統(tǒng)的安裝在建筑背陽側(cè)的反射型采光裝置所采集的陽光資源就更加有限，不能滿足大面積采光的需求。
在自動控制方面，現(xiàn)有的主動型陽光照明設(shè)備一般通過以下兩種原理實現(xiàn)對太陽的跟蹤一種是利用時鐘計算控制。控制系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的時鐘程序驅(qū)動執(zhí)行電機等驅(qū)動設(shè)備，實現(xiàn)采光設(shè)備對太陽高度角和方位角的兩維跟蹤。這種控制方法主要應(yīng)用在對跟蹤精度要求較低的場所，主要是因為控制系統(tǒng)中的時鐘一般同太陽時之間存在誤差，而且這種誤差有積累效應(yīng)。
另一種目前應(yīng)用比較廣泛的方法是利用感光探測反饋控制來實時測定太陽的位置，通過反饋控制原理實現(xiàn)對太陽的跟蹤，確切地說，是實現(xiàn)對最強光信號的跟蹤。相對于時鐘計算控制來說，這種控制方法比較準確，但也存在以下缺點如果天空被云遮住，控制系統(tǒng)得不到傳感器的輸入信號，將沒有辦法實現(xiàn)對太陽位置的連續(xù)追蹤。在多云的天氣狀況時，云的邊緣部分亮度可能成為最強光光遠，這時系統(tǒng)所追蹤的將不是太陽位置，如果裝置中所安裝的傳感器數(shù)量較少，所覆蓋的方位角范圍小，那么等到太陽出來后，控制系統(tǒng)很可能沒有辦法繼續(xù)追蹤太陽的位置，而且這種跟蹤方法容易使室內(nèi)出現(xiàn)忽明忽暗的情況。
這兩種兩維跟蹤控制方式均不能很好地滿足本發(fā)明裝置實現(xiàn)大面積采光控制的需求。
另外一個值得注意的事實是現(xiàn)有的陽光照明裝置對于引入室內(nèi)太陽光光譜沒有進行有效的控制。陽光中除了可見光以外，還含有大量的紅外線和紫外線，其中紅外線的熱能較高，如果在天氣炎熱的季節(jié)將紅外線不加選擇地引導(dǎo)至室內(nèi)，無疑會使室內(nèi)溫度升高，增加制冷能耗，在這種情況下不僅不能節(jié)省能源，反而會增加能源消耗；陽光中含有大量紫外線，如果不加選擇地將紫外線引入室內(nèi)，就會對人體造成傷害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是為了克服以上提及設(shè)備的問題和不足，提供一種經(jīng)濟實用的陽光采光照明裝置，該裝置不僅能夠適應(yīng)多種建筑形式，滿足大面積建筑的采光需求，將陽光傳輸?shù)饺魏涡枰膱鏊?，而且可以最大限度地利用設(shè)備的光接收面積，同時最大限度地利用建筑物頂部或向陽側(cè)墻壁的有限資源。裝置運行穩(wěn)定可靠，不會使室內(nèi)出現(xiàn)忽明忽暗的現(xiàn)象。
本發(fā)明的另一個目的在于對引入室內(nèi)的陽光的光譜進行選擇，避免在天氣炎熱的季節(jié)引入過多的紅外線而引起室內(nèi)溫度的升高和引入過多的紫外線對人體造成傷害。
本發(fā)明的再進一步目的在于提供一種將陽光中需要濾除的紅外線轉(zhuǎn)化為電能，為設(shè)備的驅(qū)動提供輔助能量來源的方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的后通道式聚光采光裝置由兩維跟蹤器、安裝在兩維跟蹤器上的聚光器、安裝在聚光器上的二次反射器、安裝在聚光器上的兩維調(diào)節(jié)三次反射器、安裝在建筑物上的兩維調(diào)節(jié)四次反射器、安裝在需要采光場所窗外的五次反射鏡、感光傳感器、編碼器、中央控制系統(tǒng)組成。裝置的主要功能是將大面積聚光器匯聚后的光校正為平行光后利用反射原理進行長距離傳輸。
聚光器的光反射面為拋物面，二次反射器安裝在聚光器的焦點附近，平行于聚光器拋物面幾何軸的太陽直射光線經(jīng)過聚光器反射后發(fā)生匯聚，匯聚后的光通過反射面為拋物面的二次反射器的反射作用將匯聚后的光變?yōu)槠叫泄?，這束平行光以與太陽直射光相同的矢量方向傳輸?shù)絻删S調(diào)節(jié)三次反射鏡，兩維調(diào)節(jié)三次反射器對反射鏡面的光學(xué)角度進行調(diào)節(jié)，將光反射到兩維調(diào)節(jié)四次反射器，通過兩維調(diào)節(jié)四次反射器的反射鏡反射到五次反射鏡，通過五次反射鏡將光分散地反射到室內(nèi)的天花板上實現(xiàn)對室內(nèi)的照明。建筑物邊緣只安裝面積較小的反射鏡反射匯聚后的平行光，不僅可以有效降低成本，而且也充分利用了建筑物頂部有限的使用資源。
二次反射鏡和兩維調(diào)節(jié)三次反射器的反射鏡鏡面進行冷鏡鍍膜(cold mirror coating)處理，通過這種鍍膜方法使得90％的可見光被反射，80％的紅外光透過反射鏡面并被安裝在反射鏡面后方的光伏電池轉(zhuǎn)化為電能。在兩維調(diào)節(jié)三次反射鏡設(shè)備的外部安裝有防護罩，防護罩由可以吸收紫外線的透明物質(zhì)制成，如玻璃、有機玻璃等，可以采用已經(jīng)商品化的產(chǎn)品，利用防護罩吸收90％的紫外線。
后通道式聚光采光裝置的聚光器安裝在兩維跟蹤器上，跟蹤器中包括兩個執(zhí)行電機，其中一個負責(zé)控制聚光器水平方向的運動，為水平電機；另一個執(zhí)行電機負責(zé)控制聚光器俯仰方向的運動，為俯仰電機?？刂葡到y(tǒng)控制兩個電機并通過機械傳動機構(gòu)使聚光器始終正對太陽直射光方向。執(zhí)行電機為直流電動機或步進電動機。執(zhí)行電機通過減速機構(gòu)驅(qū)動跟蹤器的機械機構(gòu)，減速機構(gòu)具有鎖死功能，可以選擇蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)和絲桿螺母結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。
后通道式聚光采光器中使用的兩維調(diào)節(jié)反射鏡的基本結(jié)構(gòu)相同，根據(jù)安裝位置的不同對外形和尺寸做相應(yīng)的調(diào)整。反射鏡由三個支撐點確定位置，其中兩個支撐點通過萬向節(jié)分別連接在兩個安裝在機座上的力矩型執(zhí)行電機軸上，另外一個支撐點通過萬向節(jié)連接在機座的固定支架上。電機能夠順應(yīng)外力在兩維方向改變位置，傳動機構(gòu)為絲桿螺母機構(gòu)，其中螺母固定在執(zhí)行電機轉(zhuǎn)子上，當(dāng)執(zhí)行電機轉(zhuǎn)動時絲桿垂直于電機轉(zhuǎn)動方向前進或后退，通過萬向節(jié)拉動反射鏡，將反射鏡反射面調(diào)整到預(yù)定角度。執(zhí)行電機可以為直流電動機或步進電動機。
裝置中使用的每個執(zhí)行電機均安裝編碼器，編碼器采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器，編碼器的作用是每當(dāng)電機軸旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，編碼器輸出一個脈沖至處理器，處理器將脈沖數(shù)量對應(yīng)于每個編碼器進行存儲，并根據(jù)這些累積的脈沖數(shù)來確定對應(yīng)執(zhí)行電機所帶動機械機構(gòu)的位置。
裝置的工作是通過控制系統(tǒng)的控制下完成的，具體控制方式如下系統(tǒng)對太陽位置的跟蹤是通過時鐘計算控制和感光傳感器反饋相結(jié)合實現(xiàn)雙重控制的，主要的目的是提高裝置的跟蹤精度，防止室內(nèi)出現(xiàn)忽明忽暗的情況。為了降低設(shè)備成本，可以采用單一的感光傳感反饋控制或時鐘計算控制達到使用效果。雙重控制過程為感光傳感器平均分布安裝在聚光器焦點附近，并且同匯聚后的光線距離相等。在晴朗的天氣，多個感光傳感器在聚光器垂直于太陽直射光時都不會接收到聚光器匯聚后的光線，所產(chǎn)生的光強度信號相同，當(dāng)太陽位置發(fā)生變化后，聚光器匯聚的光偏離聚光器的光學(xué)軸，照射在其中一部分感光傳感器上，這些傳感器產(chǎn)生的電信號發(fā)生變化，中央處理器通過比較每個感光傳感器發(fā)送信號的大小判斷聚光器偏離太陽直射光的方向，然后給兩維跟蹤器相應(yīng)的執(zhí)行電機發(fā)送驅(qū)動信號，執(zhí)行電機驅(qū)動兩維跟蹤器，使聚光器重新垂直于太陽直射光。同時，中央處理器接收到來自兩維跟蹤器執(zhí)行電機上的編碼器發(fā)回的脈沖，通過存儲器中脈沖數(shù)的累積獲得聚光器位置信息。中央控制器利用系統(tǒng)時鐘所提供的地方時間和以及當(dāng)?shù)鼐暥刃畔⒗靡韵鹿接嬎愠雒恳粫r刻太陽的高度角和方位角sin(h)＝sina()×sin(δ)+cos()×cos(δ)×cos(ωt) (1)太陽高度角h計算其中示當(dāng)?shù)鼐暥?，δ表示赤緯角，ω表示太陽時角，t表示時間。
太陽方位角A計算sin(A)=cos(δ)sin(ωt)cos(h)----(2)]]>當(dāng)采用此公式計算出的結(jié)果大于1時，或sin(A)的絕對值較小時，改用下式計算 每隔一定時間(30秒到30分鐘)，中央控制器通過程序計算出此時太陽的方位角和高度角，與前一時間段太陽的方位角和高度角求差，如果在這段時間內(nèi)感光傳感器沒有誤差信號返回，則說明此時沒有太陽直射光，太陽可能已經(jīng)被云層遮擋，中央處理器根據(jù)這段時間的方位角和高度角的變化差值計算兩維跟蹤器中執(zhí)行電機應(yīng)該運行的角度，然后向兩維跟蹤器的執(zhí)行電機發(fā)出驅(qū)動信號，并根據(jù)安裝在電機軸上的編碼器判斷電機的運行位置情況。通過這種方式我們可以實現(xiàn)全天候?qū)μ栁恢玫母櫍绕湓诙嘣频奶鞖饫?，?dāng)太陽在一段時間內(nèi)被云層遮擋后，裝置仍然能夠根據(jù)時鐘計算控制原理繼續(xù)對太陽位置進行追蹤，等到太陽重新出來后，能夠馬上繼續(xù)進行陽光的采集，不會有無法跟蹤的情況發(fā)生，從而提高了設(shè)備的可靠性。
中央控制器在控制兩維跟蹤裝置對太陽進行跟蹤的同時，需要對兩維調(diào)節(jié)三次反射器和兩維調(diào)節(jié)四次反射器的反射鏡進行光學(xué)角度的調(diào)節(jié)，這一調(diào)節(jié)動作是通過安裝在兩維調(diào)節(jié)反射鏡上的兩個執(zhí)行電機帶動絲桿實現(xiàn)的。中央控制器根據(jù)記錄在存儲器中兩維跟蹤器中俯仰電機和水平電機編碼器累積的數(shù)值來判斷當(dāng)前聚光器的位置情況，通過固定的算法計算出每個兩維調(diào)節(jié)器的每個電機應(yīng)該所處位置，并通過驅(qū)動器驅(qū)動每個電機，并通過編碼器反饋得到每個兩維可調(diào)反射器反射鏡位置。
裝置的所有控制系統(tǒng)均通過中央控制器控制。當(dāng)一個建筑物中應(yīng)用的聚光采光器數(shù)量和種類較多時，可以采用一個工業(yè)控制終端對所有設(shè)備進行統(tǒng)一管理，這樣即可以降低整體擁有成本，而且可以實現(xiàn)對整棟建筑采光的統(tǒng)一控制；如果采用的設(shè)備較少時，可以采用每個設(shè)備安裝一套單獨的控制單元--單片機的方式，降低設(shè)備管理需求的同時也降低成本。這些控制所需硬件產(chǎn)品均有工業(yè)控制領(lǐng)域市場化產(chǎn)品，按照以上的控制原理可以方便地以多種方式搭建成控制系統(tǒng)。
在后通道式聚光采光裝置的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還為樓層數(shù)量較少，層面積大，有條件使用陽光采光管道采光的建筑設(shè)計了前通道式聚光采光裝置。前通道式聚光采光器的光學(xué)部分由聚光器，安裝在聚光器上的光學(xué)臺錐，安裝在光學(xué)臺錐上的匯聚透鏡，安裝在光學(xué)臺錐上的兩維調(diào)節(jié)二次反射器，貫穿建筑物頂部的光路通道組成。拋物面聚光器將太陽直射光反射后匯聚，光學(xué)臺錐放置在聚光器焦點附近，安裝在光學(xué)臺錐上的匯聚透鏡將聚光器匯聚后的光折射為平行光，這束匯聚后的平行光經(jīng)過兩維調(diào)節(jié)二次反射器的反射鏡反射到光路通道，經(jīng)過光路通道進入室內(nèi)發(fā)散后直接用做照明。前通道式聚光采光裝置的兩維調(diào)節(jié)二次反射器反射鏡表面經(jīng)過冷鏡鍍膜處理，并在光路通道接收光的部分使用可以吸收紫外線的透明物質(zhì)，達到濾除紅外線和紫外線的目的。
在本發(fā)明上述方案基礎(chǔ)上的更進一步改進是在前通道式聚光采光器的光通路管道入口處安裝光導(dǎo)纖維束，由兩維調(diào)節(jié)二次反射器反射來的光直接耦合進光纖，由光纖將光傳輸?shù)叫枰膱鏊?；在后通道式聚光采光器中用光纖耦合器取代五次反射鏡，由兩維調(diào)節(jié)四次反射器的反射鏡傳輸過來的光由光纖耦合器的聚光鏡匯聚后，耦合在光導(dǎo)纖維的入射端，通過光導(dǎo)纖維將光傳輸?shù)叫枰膱鏊?。光?dǎo)纖維束的特點是柔軟，光傳輸效率高，單位面積載光通量大，具有靈活的安裝方式，可以滿足不同的照明需求，對于沒有門窗作為光傳播途徑的建筑尤其適合。按照這種改進設(shè)計，較完全使用光導(dǎo)纖維束進行光傳輸?shù)姆绞娇梢怨?jié)省大量光纖，降低了成本。同時通過光導(dǎo)纖維束傳輸?shù)墓庖呀?jīng)濾除了大部分紅外線和紫外線，這兩種波長的光對光導(dǎo)纖維束的使用壽命影響較大，可以延長光導(dǎo)纖維束使用壽命。也正是由于這個原因，裝置可以使用性能價格比最高的聚合物光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維束可以是多組份玻璃光導(dǎo)纖維、石英光導(dǎo)纖維、聚合物光導(dǎo)纖維、液芯光導(dǎo)纖維等。
值得一提的是，上述技術(shù)方案中的聚光器可以采用拋物面聚光器，也可以采用菲涅爾透鏡或其他聚光器件作為聚光器。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明裝置的大面積聚光器不必安裝在建筑物頂部邊緣，最大限度地利用建筑物頂部有效的資源；裝置的聚光鏡始終正對陽光，可以最大限度地利用匯聚器采集陽光，提高了設(shè)備利用效率；在設(shè)備中使用鍍膜反射鏡將紅外線同可見光分離，利用防護罩濾除了陽光中的紫外線，使進入室內(nèi)的光更符合人的需求；將紅外線利用太陽能光伏電池轉(zhuǎn)化為電能，提高了能量利用效率；采用感光傳感器反饋控制和時鐘計算控制雙重控制，結(jié)合自適應(yīng)控制原理使設(shè)備的運行更加穩(wěn)定，能夠適應(yīng)各種天氣變化；設(shè)備安裝的位置更加靈活，可以適應(yīng)各種建筑形式的需求，尤其可以應(yīng)用于目前為數(shù)眾多的塔樓，解決了現(xiàn)有陽光采光裝置只能應(yīng)用于低層建筑，并需要對建筑頂部結(jié)構(gòu)破壞的狀況；本發(fā)明的裝置將陽光匯聚后進行傳輸，減少了次級反射裝置的尺寸，避免或盡可能少地使用光導(dǎo)纖維，大幅度減低了成本。綜上所述，本發(fā)明的設(shè)計方案科學(xué)合理，適合各種建筑形式的大面積采光需求，是一套完整的采光解決方案，推廣后將產(chǎn)生較高的社會效益和經(jīng)濟效益。


下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本發(fā)明實施例一后通道式聚光采光裝置建筑安裝示例圖。
圖2是后通道式聚光采光裝置聚光器側(cè)視圖。
圖3是兩維跟蹤器外觀圖。
圖4是兩維跟蹤器縱剖面構(gòu)造示意圖。
圖5是后通道式聚光采光裝置二次反射器構(gòu)造圖。
圖6是后通道式聚光采光裝置兩維調(diào)節(jié)三次反射器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖7是兩維調(diào)節(jié)反射器執(zhí)行電機及光電編碼器安裝方式示意圖。
圖8是后通道式聚光采光裝置兩維調(diào)節(jié)四次反射器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖9是后通道式聚光采光裝置五次反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是實施例一后通道式聚光采光裝置控制裝置電路原理圖。
圖11是實施例二前通道式聚光采光裝置同實施例一后通道式聚光采光裝置建筑安裝示意圖。
圖12是實施例二前通道式聚光采光裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13是實施例二前通道式聚光采光裝置光學(xué)臺錐縱剖面構(gòu)造示意圖。
圖14是圖12A-A剖視圖。
圖15是實施例三的采用菲涅爾透鏡聚光器的后通道式聚光采光裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖16是實施例四的前通道式聚光采光裝置同后通道式聚光采光裝置利用光導(dǎo)纖維傳輸光建筑安裝示意圖。
具體實施例方式
實施例一在圖1、圖2中，后通道式聚光采光裝置的兩維跟蹤器3固定安裝在建筑物9的頂部，拋物面聚光器4安裝在兩維跟蹤器3上，二次反射器5由三根支撐桿6固定在拋物面聚光器4的焦點，兩維調(diào)節(jié)三次反射器8同二次反射器5均處于拋物面聚光器4的光學(xué)軸X-X，兩維調(diào)節(jié)四次反射器由支撐桿15固定在建筑物9頂部的邊緣，五次反射鏡12、96分別由支撐桿16、94固定在需要采光的室內(nèi)14、97的窗13、95外部。兩維跟蹤器3帶動拋物面聚光器4始終正對太陽1，使太陽1的直射光線2平行于拋物面聚光器4的光學(xué)軸X-X，太陽直射光2經(jīng)過拋物面聚光器4反射后匯聚在二次反射器5表面，二次反射器5光反射面為拋物面，表面經(jīng)過冷鏡鍍膜處理，90％的可見光經(jīng)過反射后變?yōu)槠叫泄?照射到兩維調(diào)節(jié)三次反射器8的反射鏡17(圖2)表面，兩維調(diào)節(jié)三次反射器在控制系統(tǒng)的控制下調(diào)整反射鏡17的光學(xué)角度，將平行光7反射到兩維調(diào)節(jié)四次反射器10的反射鏡11，在控制系統(tǒng)的控制下兩維調(diào)節(jié)四次反射器10調(diào)整反射鏡11的光學(xué)角度，將光反射到五次反射鏡12，由五次反射鏡12、96將光分別發(fā)散地通過窗13、95反射進室內(nèi)14、97。在圖1中，為了清楚地表示光線的行進路線，用虛線連續(xù)地表示了光線的路徑并用箭頭標明了方向。
在圖3中，兩維跟蹤器3由連接板18同拋物面聚光器4連接，水平轉(zhuǎn)動盤19的支撐臂20與連接板18鉸鏈連接，限位板22固定在俯仰運動軸21上，連桿23的兩邊分別同限位板22和連接板18鉸鏈連接。采用限位板22和連桿23這種連接方式可以將聚光器的俯仰運動限制在0～90°范圍內(nèi)。
在圖4中，俯仰電機24固定在隔板35上，齒輪28固定安裝在俯仰電機24軸上，俯仰軸的傳動為絲桿螺母傳動機構(gòu)，為了提高傳動效率，可以采用滾珠絲桿機構(gòu)，并配套使用超越離合器實現(xiàn)自瑣功能。齒輪30固定連接絲桿31，螺母33固定在俯仰運動軸21內(nèi)腔37中部，在俯仰運動軸21與隔板35之間嵌套絲桿31安裝彈簧32。俯仰電機24轉(zhuǎn)動時，通過齒輪28嚙合齒輪30使絲桿31轉(zhuǎn)動，進而使同螺母33固定連接的俯仰運動軸21在垂直方向運動。彈簧32的作用是在大俯仰角的時候抵消拋物面聚光鏡重量對螺母的壓力。俯仰電機35的電機軸上安裝光電編碼器組件29，為控制系統(tǒng)提供反饋信號。水平電機25固定在機座36上，水平軸的傳動采用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，蝸桿27連接在水平電機25軸上，蝸輪34固定在水平轉(zhuǎn)動盤19上。水平電機25的電機軸上安裝光電編碼器組件26，為控制系統(tǒng)提供反饋信號。
在圖5中二次反射器反射鏡38為拋物面反射鏡，按照圖中安裝線位置安裝在二次反射器機座41上，在機座的四周均勻分布四個光傳感器39a～39d，在二次反射器反射鏡38的鏡面后方安裝太陽能光伏電池40。二次反射器反射鏡38基體為透明材料，如玻璃、有機玻璃等，表面進行冷鏡鍍膜處理，能夠反射90％的可見光，允許80％的紅外線透過反射鏡38，透過的紅外光由太陽能光伏電池40轉(zhuǎn)化為電能。
在圖6中防護罩55由透明基體材料制成，可以為玻璃、有機玻璃等，本實施例中采用濾紫外有機玻璃制成，這種材料可以吸收90％的紫外線。機座57一端由支桿56支撐并固定在防護罩55上，另一端由固定桿51固定在防護罩55上，執(zhí)行電機42、54以兩維范圍可旋轉(zhuǎn)的方式安裝在機座57上(安裝方式見圖7)。傳動方式為絲桿螺母傳動，螺母58(圖7)固定在執(zhí)行電機42、54轉(zhuǎn)子上，絲桿44、43通過萬向節(jié)46、45按照圖中安裝線的位置安裝在兩維調(diào)節(jié)三次反射器反射鏡49的位置47、48，固定桿51通過萬向節(jié)52按照圖中安裝線位置安裝在兩維調(diào)節(jié)三次反射器反射鏡49的位置53。兩維調(diào)節(jié)三次反射器反射鏡49基體材料為透明物質(zhì)，表面進行冷鏡鍍膜處理，透過反射鏡49的紅外光由太陽能光伏電池50吸收并轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過二次反射器反射鏡38和兩維調(diào)節(jié)三次反射器反射鏡49對陽光光譜的分解后，陽光中的紅外線可以降到原強度的16％。
在圖7中，螺母58與執(zhí)行電機42的轉(zhuǎn)子固定連接，執(zhí)行電機通過Y方向旋轉(zhuǎn)軸60與連接環(huán)67連接，連接環(huán)通過X方向旋轉(zhuǎn)軸59與機座57連接，使執(zhí)行電機42機提可以在X，Y兩個自由度旋轉(zhuǎn)。光電編碼盤65同齒輪62固定連接并通過軸68安裝于機座63，齒輪61通過軸69安裝于機座63并同齒輪62嚙合，兩個光電傳感器組件64安裝在機座63上，機座63按照裝配線安裝在位置66并使齒輪61與絲桿44嚙合。當(dāng)執(zhí)行電機42轉(zhuǎn)動時，螺母58使絲桿44產(chǎn)生位移變化并帶動齒輪61，齒輪61帶動齒輪62使光電編碼盤65轉(zhuǎn)動，光電編碼盤65上有均勻分布的槽口，每當(dāng)一個槽通過兩個光電傳感器組件64時，傳感器就產(chǎn)生一個脈沖，使用兩個光電傳感器組件是為了在檢測位置的同時進行方向檢測。
在圖8中，兩維調(diào)節(jié)四次反射器的原理及構(gòu)造與兩維調(diào)節(jié)三次反射器相同，在天氣并不炎熱的地區(qū)兩維調(diào)節(jié)三次反射器的反射鏡70可以不經(jīng)過冷鏡鍍膜處理，不安裝太陽能光伏電池。
在圖9中，五次反射鏡12安裝在支撐桿16上，五次反射鏡12反射面形狀可以根據(jù)光發(fā)散的需求確定，本實施例中使用球面鏡，反射鏡的材料可以選擇金屬、玻璃鍍銀等多種材料。
在圖10中，裝置電路由兩維跟蹤器控制電路區(qū)A、感光傳感電路區(qū)B、兩維調(diào)節(jié)反射器控制電路區(qū)C、中央處理器電路區(qū)D組成。本實施例中，兩維跟蹤器水平電機25和俯仰電機24為直流伺服電機，兩維調(diào)節(jié)三次反射器8和兩維調(diào)節(jié)四次反射器10使用的執(zhí)行電機42為步進電機，單片機采用MCS8051?？刂葡到y(tǒng)工作時，當(dāng)拋物面聚光器4反射面正對太陽1時，匯聚在二次反射器5表面的光不會照射到感光傳感器39a～39d，此時感光傳感器接收到的是太陽散射光，而且產(chǎn)生的信號強度相等，沒有差動信號傳送到中央處理器105；當(dāng)太陽位置發(fā)生變化時，由拋物面聚光器4匯聚后太陽直射光將偏離光學(xué)軸X-X，感光傳感器39a，39b，39c，39d中的一個或兩個傳感器將接收到匯聚后光線的照射。
例如，39a與39c代表聚光器4光學(xué)軸X-X與太陽高度角偏差方向，當(dāng)感光傳感器39a受到匯聚后光線照射時，感光傳感器39c接收到的仍然是太陽散射光的照射，說明拋物面聚光器4光學(xué)軸X-X的俯仰角度大于太陽高度角，39a和39c輸出的電壓值不同，差動放大器112將差值信號放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器109傳輸至中央處理器105，中央處理器105發(fā)出控制數(shù)據(jù)，并將控制數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換器108，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，并經(jīng)過運放器IC107輸送到脈寬調(diào)制型功率放大器(PWM)106，由PWM106驅(qū)動俯仰電機24調(diào)整拋物面聚光器4的俯仰角度，直到感光傳感器39a與39c輸出電壓信號值相等，電機轉(zhuǎn)動過程中光電編碼器組件29向中央控制器105輸出編碼信號，由中央控制器記錄，并通過編碼計算拋物面聚光器4的俯仰位置。同時，中央控制器105根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法向兩維調(diào)節(jié)三次反射器和兩維調(diào)節(jié)四次反射器的步進執(zhí)行電機42發(fā)出驅(qū)動信號，本實施例中步進電機的驅(qū)動采用由L297和L298組成的集成模塊式步進電機驅(qū)動器110，步進執(zhí)行電機42運動時兩維調(diào)節(jié)反射器的光電編碼器組件64向中央控制器105發(fā)送編碼信號，以記錄兩維調(diào)節(jié)反射器反射鏡的位置。
如果在一個設(shè)定的時間內(nèi)中央控制器沒有接收到感光傳感器的差動信號，說明太陽已經(jīng)被云層遮擋，拋物面聚光采光器接收不到太陽直射光線的照射，此時中央控制器將根據(jù)內(nèi)部程序計算此時太陽的高度角和方位角，然后計算此時的高度角及方位角同前一時刻的差值，并利用此差值計算兩維跟蹤器的水平電機及俯仰電機應(yīng)該運行方向及角度以及兩個兩維調(diào)節(jié)反射器的各個電機的運行方向及運行角度，然后利用這些計算結(jié)果驅(qū)動各個執(zhí)行電機。
中央處理器同時要計算當(dāng)日的日出角和日落角以及下一日的日出角，并根據(jù)計算結(jié)果設(shè)定兩維跟蹤器跟蹤方位角的極限值，當(dāng)位置反饋信息提示裝置已經(jīng)達到極限值時，如果感光傳感器在設(shè)定時間內(nèi)沒有差動信號傳送，裝置將拋物面聚光器4調(diào)整到下一日日出角度后停止，等待下一日日出后繼續(xù)實現(xiàn)跟蹤。
值得說明的是，為了提高設(shè)備運行的可靠性，可以在大角度范圍內(nèi)安裝多個感光傳感器，而且感光傳感器可以利用對太陽直射光的感光產(chǎn)生差動信號。
實施例二本實施例的前通道式聚光采光裝置是為距離建筑物頂部近的樓層設(shè)計的。
在圖11中，前通道式聚光采光裝置和后通道式聚光采光裝置77共同安裝在建筑物9頂部。
本實施例如圖12、13和14所示，前通道式聚光采光裝置的實質(zhì)結(jié)構(gòu)與實施例一基本相同，其組成部分有拋物面聚光器71、兩維跟蹤器3、光學(xué)臺錐72、光路通道73以及感光傳感器39a～39d、編碼器以及中央控制系統(tǒng)組成。拋物面聚光器71安裝在兩維跟蹤器3上，光學(xué)臺錐72由三根支撐桿6固定在拋物面聚光器71的光學(xué)軸X-X上，光路通道73貫穿建筑物9頂部。光路通道由透明頂罩74，反射板75，反射管道76，發(fā)散器78構(gòu)成，反射管道內(nèi)壁采用鍍鋁拋光以提高反射效率，也可采用鍍銀的反射管道。太陽直射光線2經(jīng)過拋物面聚光器71反射后匯聚，由安裝在光學(xué)臺錐72上的聚光透鏡79校正為平行光，平行光中的紅外線透過經(jīng)過冷鏡鍍膜處理的兩維調(diào)節(jié)二次反射器80的反射鏡81被太陽能光伏電池板82吸收并轉(zhuǎn)化為電能，平行光中的可見光被反射鏡81反射到光路通道73的反光板，由光路通道73進入室內(nèi)并由發(fā)散器78發(fā)散。感光傳感器39a～39d均勻分布安裝在聚光透鏡79是四周。
本實施例中控制系統(tǒng)、執(zhí)行器件以及傳動機構(gòu)同實施例一的后通道式聚光采光裝置中的基本結(jié)構(gòu)相同。
實施例三在圖15中，本實施例以菲涅爾透鏡代替后通道式聚光采光裝置的拋物面聚光器作為光匯聚元件。兩維跟蹤器3安裝在基座板92上，菲涅爾透鏡組83由支架93固定安裝在基座板92上，聚光透鏡84安裝在菲涅爾透鏡83的焦點，反射鏡86安裝在透明防護罩85內(nèi)，太陽能光伏電池板87安裝在透明防護罩85底部，二次反射器88固定在基座板92上，兩維調(diào)節(jié)三次反射器90通過三根支撐桿91同基座板92連接。太陽直射光線98鏡菲涅爾透鏡83匯聚到聚光透鏡84，由聚光透鏡84校正為平行光，經(jīng)反射鏡86反射到二次反射鏡88，再由反射鏡88反射到兩維調(diào)節(jié)三次反射器的反射鏡89，然后經(jīng)過兩維調(diào)節(jié)四次反射器、五次反射鏡進入室內(nèi)。本實施例的兩維調(diào)節(jié)四次反射器、五次反射鏡、中央控制系統(tǒng)、執(zhí)行器件以及傳動機構(gòu)同實施例一的后通道式聚光采光裝置實質(zhì)結(jié)構(gòu)基本相同。
值得說明的是，本實施例中的聚光器還可以采用低成本的中間充油透鏡來代替菲涅爾透鏡。
實施例四在圖16中，本實施例與上述實施例的主要區(qū)別在于，采用與實施例一、二和三相同的光收集裝置將光匯聚后，在進入室內(nèi)之前使用光耦合器99、102將光耦合入光導(dǎo)纖維100、103，由光導(dǎo)纖維100、103將光傳輸至室內(nèi)后由發(fā)散器101、104發(fā)散。本實施例中，后通道式聚光采光裝置由光耦合器及光纖器件代替實施例一中的五次反射鏡，前通道式聚光采光裝置由光耦合器及光纖器件代替實施例二中的光路通道。本實施例由于光的長距離傳輸主要通過反射裝置進行，所以同完全使用光導(dǎo)纖維的采光裝置相比大大減少了光導(dǎo)纖維的使用數(shù)量和長度，可以大幅度降低使用光纖照明的成本。而且，由于光纖長度縮短，所以可以使用液芯光纖作為光傳輸介質(zhì)。
除了上述實施例外，本發(fā)明還有許多其他實施方式，例如在兩維跟蹤器中采用步進電機代替直流電機，用諧波、行星減速器代替蝸輪蝸桿傳動；在兩維調(diào)節(jié)反射器中用凸輪、纜繩、杠桿結(jié)構(gòu)代替絲桿螺母結(jié)構(gòu)；使用PLC或其他種類中央控制器及執(zhí)行電機驅(qū)動器代替本發(fā)明實施例的控制元件等。這類等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案均為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種自動跟蹤太陽，將太陽直射光匯聚并濾除紫外線和紅外線后傳輸?shù)绞覂?nèi)用做照明的陽光采光裝置。裝置由兩維跟蹤器、安裝在兩維跟蹤器上的聚光器、安裝在聚光器上的二次反射器、安裝在聚光器上的兩維調(diào)節(jié)三次反射器、兩維調(diào)節(jié)四次反射器、反射鏡、太陽能光伏電池、感光傳感器、編碼器、中央控制器組成。其特征在于聚光器將太陽直射光匯聚后，由二次反射器校正為平行光，兩維調(diào)節(jié)反射器將光反射到固定地點，并由反射鏡發(fā)散地反射入室內(nèi)，反射鏡將紅外線和紫外線同可見光分離并將紅外線轉(zhuǎn)化為電能。裝置的運動由中央控制器控制，執(zhí)行電機軸上安裝編碼器以記錄電機運行角度。裝置將大面積聚光器匯聚后的光校正為平行光后利用反射原理進行長距離傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述兩維跟蹤器機械傳動機構(gòu)采用蝸輪蝸桿和絲桿螺母結(jié)構(gòu)，兩維調(diào)節(jié)反射器機械傳動機構(gòu)采用絲桿螺母或繩輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述中央控制器利用感光傳感器反饋和時鐘計算雙重原理控制裝置跟蹤太陽位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述執(zhí)行電機上安裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器記錄執(zhí)行電機運行角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述中央控制器根據(jù)聚光器位置控制兩維調(diào)節(jié)反射器運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述二次反射器及兩維調(diào)節(jié)反射器的反射鏡采用冷鏡鍍膜處理，將紅外線與可見光分離，利用濾紫外防護罩濾除紫外線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述太陽能光伏電池將紅外線轉(zhuǎn)化為電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述聚光器采用拋物面反射聚光器或菲涅爾透鏡聚光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述兩維調(diào)節(jié)反射器將光反射到固定地點后，由光導(dǎo)纖維將光傳輸進室內(nèi)并發(fā)散。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽光采光裝置，其特征在于所述兩維調(diào)節(jié)反射器將光反射到光路通道，光通過光路通道進入室內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動跟蹤太陽，將太陽直射光匯聚并濾除紫外線和紅外線后傳輸?shù)绞覂?nèi)用做照明的陽光采光裝置。裝置由兩維跟蹤器、聚光器、二次反射器、兩維調(diào)節(jié)反射器、安裝在需要采光場所窗外的反射鏡、太陽能光伏電池、感光傳感器、編碼器、中央控制器組成。聚光器將太陽直射光匯聚后，由二次反射器校正為平行光，兩維調(diào)節(jié)反射器將光反射到固定地點，并由反射鏡發(fā)散地反射入室內(nèi)。裝置的運動由中央控制器控制，執(zhí)行電機上安裝編碼器以記錄電機運行角度。裝置將大面積聚光器匯聚后的光校正為平行光后利用反射原理進行長距離傳輸，成本低，充分利用建筑物頂部有限的空間，適合各種建筑形式的需求，具有廣闊的推廣前景。
文檔編號F21S11/00GK1447058SQ0211621
公開日2003年10月8日 申請日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月21日
發(fā)明者譚洪源 申請人:譚洪源