專利名稱：用于日光照明、光電和太陽能加熱的日光重導向器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的自動日光重導向器包括通過將入射太陽光線、目標線以及鏡子軸線布置成等腰三角形的邊而將日光重定向到使用者選定位置的裝置。
背景技術：
在近三十年里一直認為太陽能是實現(xiàn)各種目的有潛力的能源。兩種已知的太陽能表現(xiàn)形式一也就是光和熱正被轉化為有用的能源。光通過光電池被轉化成電并且熱通過熱電廠被轉化用于加熱器或用于發(fā)電。
眾所周知，光電池發(fā)電盡管有各種優(yōu)點，但是成本很高。由于這個原因，在該領域內的進展不是非常理想。
在北緯45度到南緯45度之間的國家，日光相當充沛并且其可以用于實現(xiàn)許多目的包括建筑物內部的照明。這一點通過無源反射器和玻璃窗/屋頂來實現(xiàn)。還發(fā)明了一些主動式太陽跟蹤裝置將光送入內部。為了使日光重定向到內部，關鍵是實現(xiàn)非常精確的太陽跟蹤。
然而，還沒有發(fā)明任何裝置可以有助于更大程度地開發(fā)太陽能，使其以可以承受的價格用于個體使用者、用于家庭使用或用于少量需求。由于太陽在一天和一年中的運動非常復雜并且不符合任何簡單的能夠轉化成機械裝置的數(shù)學準則，因此導致機器成本很高，并且必須借助昂貴的計算機和傳感器等的幫助來進行太陽跟蹤。
太陽跟蹤的重要性太陽一出現(xiàn)在地平線上就開始向地球傾注太陽能。其強度在正午之前一直增大，隨后開始下降直至太陽在西方落下。這種變化起因是太陽光線相對于地球表面成角度。在早晨，太陽光線一定穿過更多的空氣和塵粒層；同時因為所述成角度的關系，每單位面積的太陽光線落在更大面積的地表面上。
盡管沒有任何辦法減少空氣和塵粒層，但人類的努力可以通過保持接收器垂直于太陽光線而有助于獲取更大量的日光。這種根據(jù)太陽的移動而移動物體的行為被稱為太陽跟蹤。鑒于其重要性，已經(jīng)產生多種類型的太陽跟蹤裝置。
通過太陽跟蹤，不僅提高了系統(tǒng)的輸出而且可以執(zhí)行一些如產生高溫之類的行為。
太陽跟蹤的問題處于以下原因太陽跟蹤是非常復雜的事情1)太陽在一年中的每天里都改變其路徑。
2)太陽在一年中的每天里從東半球移動到西半球所花費的時間都不同。
3)路徑和時間在一年的同一天里隨著地點而改變。
除了這些簡單的問題，還存在一些復雜得多的問題將在后文論述。
因此至今還沒有設計出任何簡單的機械裝置可以有助于在世界上的每個地方沿太陽的路徑，從而阻礙了大規(guī)模生產可以通用的機械裝置。
對于太陽跟蹤，設法進行太陽定向的物體例如鏡子必須在太陽的方向上移動?？梢酝ㄟ^將鏡子固定在沿南北軸線移動并從東向西旋轉的機器上來實現(xiàn)這一點。物體在日出時向著太陽定向。而后隨著太陽的爬升，機器從東向西旋轉。
當給定這種簡單的旋轉時，可以觀察到鏡子不會沿如下所述的路徑，這是因為太陽部件在赤道上向西移動，而且還從北-向南-向北移動。
可行的方案是從日出到正午還向南緩慢移動鏡子。這樣需要以下信息，以及獲得所述信息的裝置1)日出時偏離東方的角度。
2)正午時太陽的高度角。
3)太陽從地平線橫穿達到正午位置所花費的時間。
4)使鏡子以通過以上三個信息計算得到的所需速度向西和向南移動的裝置。
但不幸地是，由于三個因素這種設置在第二天不會起到效果，即1)在日出時偏離東方的角度。
2)太陽在正午時的高度角以及3)太陽從地平線橫穿達到正午位置所花費的時間，這三個因素每天都不同。因此必須掌握全年365天的信息并且鏡子旋轉裝置必須按照這些不同的移動和不同的時間給予編程。
這是繁瑣的工作。不幸地是，即使構造了這樣的機器，其也僅適用于那一特定地點。該機器在不同緯度的地點不會起到效果。
處于這一原因沒有發(fā)明出任何裝置可以具有簡單的功能和普遍適用。因此，大規(guī)模的太陽能使用者選擇電子支持的昂貴系統(tǒng)并沒有適用批量使用者的系統(tǒng)。
在太陽跟蹤本身是一項棘手的任務時可以想到使光反射在選擇點上的問題。這樣做是因為對于反射光，不僅要跟蹤太陽，而且鏡子必須移動，使得光總是反射在所需位置，同時入射和反射角每一時刻都在變化，如圖1-5所示。
現(xiàn)有技術如上所述，由于太陽移動的復雜性，不能構造出任何可以在一年的每一天里并在世界的每一個地方以小規(guī)模的使用者可以承擔的價格跟蹤太陽并將日光重定向在所需目標上的機械裝置。
隨著科學和技術的進步以及通過發(fā)明者的努力，已經(jīng)產生許多用于使光反射在使用者選擇點上的系統(tǒng)。這一點目前是借助于計算機來實現(xiàn)。顯然這些系統(tǒng)非常高級且昂貴，因此它們不能得到普及。
還有一些機器可以將日光送入廚房用于烹飪。這些機器具有拋物面鏡，其在極軸上旋轉并且沿該軸將光送入房內。它們不能將光送至任何使用者的選擇點。這種與高成本和對生活方式的不相適相關聯(lián)的限制使其不能為使用者所接受。該機器可以用于日光照明但也存在上述限制。

發(fā)明內容
通過本發(fā)明的裝置解決上述問題。機器的優(yōu)點如下
1)其可以手動、通過彈簧轉矩或通過電進行操作。
2)其是通用模型。
3)其可以將光反射在任何使用者的選擇點上，由此可以在廚房內進行太陽能烹飪、對建筑物等進行加熱和日光照明。這樣還可以用于通過采用多個反射器并在光電板上供給更多量的日光而提高昂貴的光電板的輸出。還可以有助于其防風等，因為所述板可以封裝在鎖和鑰匙內，同時通過窗口等接收光。
4)其功能非常簡單并且培訓時間非常短，一個人可以安裝、操作或修理機器。
5)其成本低。
本發(fā)明提出將日光反射在使用者的選擇點上以進行日光照明、加熱等。這包括兩個部分也就是太陽跟蹤部分和反射器部分。太陽跟蹤部分基于極軸跟蹤，其新穎的特征是成為完全自動化的系統(tǒng)。
本發(fā)明具有方位角設定裝置，其在每天的操作中根據(jù)太陽的方位角自動設定太陽跟蹤棒，并由此省去了兩軸跟蹤以解決每天太陽北-南-北移動的問題或者解決通過極軸跟蹤調節(jié)太陽方位角的問題。
本發(fā)明具有用于通過時間設定裝置在一天的特定時間啟動機器的設置。這優(yōu)于基于傳感器的系統(tǒng)，基于傳感器的系統(tǒng)在早晨多云以及發(fā)出的光線遠離實際日出點的情況下存在問題。本發(fā)明與基于計算機-數(shù)據(jù)-軟件系統(tǒng)相比所具有的優(yōu)點不僅在于成本而且還有簡化，因為所述數(shù)據(jù)和軟件是用于特定位置的；同時在本發(fā)明中絕對沒有必要計算鏡子的反射角，機器同時執(zhí)行太陽跟蹤和將日光重定向在所需目標區(qū)域的工作。


圖1這是整個機器的透視圖。需要詳細描述的部件在圖2和6中單獨示出。
01臺架—支承整個結構。
02中心管—容納轉動弧形連接件3以及軸7-A03弧形連接件—在管2上轉動。與弧形連接件6一起自動移動360度，由此可以在任何方向上移動鏡子并隨后保持導向器棒10的樞轉與鏡子臂12的樞轉之間具有相同距離。
04軸—使鏡子臂12在操作時通過導向器棒10在北-南-北方向上的滑動而自由移動。
05管—容納軸5-A。裝配在管5內的軸5-A在操作時有助于使鏡子臂12通過導向器棒10在東-西方向的移動而自由移動。
06弧形連接件—利用螺母-螺栓裝配在弧形連接件3上以在所需方向上垂直調節(jié)位置。
07弧形件—由兩段弧組成并具有間隙以使其置于支承桿7-A上，使得極軸棒9可以放置在平行于地球軸線的位置上。
08方位角設定裝置—該裝置根據(jù)當天太陽的方位角自動設定導向器棒。參照圖2給出詳細描述。
09極軸棒—其是通過軸承裝配在弧形件7上的旋轉棒。該極軸棒必須平行于地球軸線放置。通過使旋轉棒處于地理南北線(另外被稱為子午線)上并隨后使其在垂直面上移動與操作位置的緯度例如北緯30度位置的緯度相等的角度來獲得上述定位，旋轉棒的北端必須相對于地平線向上移動30度的角度。
10導向器棒—當通過用于操作數(shù)據(jù)的方位角設定裝置進行調節(jié)并通過使棒旋轉而移動時，其保持太陽的定向。并且當太陽的移動具有兩個分量也就是東-西和北-南-北時，導向器棒也相應移動。通過其移動，導向器棒使鏡子臂12移動到其可以將日光反射到目標區(qū)域上的位置。
11滑動件—其可以是球形或圓柱形，裝配在導向器棒上并在鏡子臂12上的凹槽內滑動，其有助于使鏡子臂12在東-西和南-北-南方向上移動。
12鏡子臂—容納鏡子并通過裝配在導向器棒10上的滑動件11移動。其可以借助自由軸4和5-A在兩個方向上自由移動。
13定時器—使旋轉棒以每24小時一圈的速度移動。其在鬧鐘發(fā)送開始操作的信息時開始工作并繼續(xù)移動極軸棒9直至鬧鐘發(fā)送停止信息并回到用于第二天早晨的初始位置。用于第二天的初始位置是不同的并由時間設定裝置管理。
14定向棒盤—該棒盤的棒是導向器棒10的垂直延伸。其裝配在導向器棒10的自由端上，穿過鏡子臂12。在導向器棒10與棒盤的棒之間存在盤。當導向器棒10移動使得棒盤的棒在盤上沒有任何陰影時，可以確定導向器棒是太陽定向的。這樣有助于在安裝之后或在機器修理之后在一天的任何時間開始操作時使導向器棒10獲得太陽定向。
15時間設定裝置—其與金屬板上的弧形件7相連。使用者可以借助該部件和鬧鐘16固定機器自動啟動的時間。參照圖6詳細描述該時間設定裝置。
16鬧鐘—這是一個電子編程的鬧鐘，其向定時器13發(fā)送信息以在每天的特定時間開始和結束工作。使用者有權按照他的選擇通過電路(這些電路可以用于在一天結束定時器停止之后立即使導向器棒10回到第二天的位置)對定時器13移動的開始和結束進行編程。
圖2這是用于如上所述及在圖1中示出的導向器棒的方位角設定裝置并具有以下部件1.這是裝在鋼架上被稱為方位角棒的旋轉棒。在棒的中心具有孔，另一小棒穿過該孔。在所述小棒上裝有U形夾緊件并且在該夾緊件上裝有另一棒，其另一端與圓形帶3相連，使得帶3的旋轉運動形成23.5度的圓錐，其頂點在所述方位角棒1的中心。
在該方位角棒上裝有圖1所示的導向器棒10。當圓形帶3通過齒輪6的移動而移動一整圈時，其使方位角棒1具有太陽在一年中與地軸形成的所有角度，導向器棒由此被調節(jié)到一年中每天的位置。
2.該棒將自由移動的夾緊件連接在圓形帶3上并在通過下文所述的日歷盤的移動而旋轉時形成23.5度的錐形，可以稱為錐棒。
3.該圓形帶是被形成為中心在方位角棒1的軸線中心的虛圓的一部分。棒2在距圓形帶的樞軸23.5度距離的孔內緊固在該帶上。
4.這是一個穿過帶裝配的自由移動的樞軸，所述帶裝在平行于旋轉棒1的框架上。在該樞轉軸的一側裝有圓形帶3并在另一側裝有另一帶5。
5.該帶具有其上插入小釘?shù)目祝鲠斞b在齒盤6上。
6.這是裝在相對于樞軸4偏心的樞軸上的齒盤，偏心程度達到其在移動一半的過程中177.2度的移動促使帶5移動達到180度，并且在其移動第二半的過程中182.8度的移動促使帶5移動180度。因裝配在齒輪盤6上并固定在帶5的孔上的釘?shù)木o固而引起帶5的移動。該齒輪盤通過電機以每365.25天一圈的速度移動。如果適當?shù)貙⑷掌跇嗽诒P的圓周，則該盤可以用作日歷；這些標記適用于及其的安裝。則該盤可以被稱為日歷盤。
7.這是用于以每365.25天一圈的速度移動日歷盤6的電機。
圖3在圖3中示出了地球繞太陽的移動。
圖4表示太陽在地方正午的方位角變化。
圖5表示在太陽與目標之間的角度變化。
圖61.定時器—其以每年一圈的速度移動時間盤移動器2。
2.時間盤移動器—該盤具有用于一年中每一天的標記并在時間設定裝置板4的一側，時間盤3牢固裝有穿過基盤4的軸。當通過定時器移動時，其通過其本身與時間盤3之間的共用軸使時間盤移動。
3.時間盤—其具有與時間盤移動器的每個日期對應變化的半徑。
4.時間設定裝置基板—在其上裝有時間設定裝置所有的部件除了6和7。
5.時間指針—這是一個在裝于時間設定裝置基板上的凹槽中滑動的平正方形厚板。其裝配成使得兩個相對的角之一接觸時間盤3并且在一天結束之后時間棒6壓靠在其另一角上以按照使用者的選擇開始在所指時間工作。該指針因時間盤每天半徑的改變隨時間盤的移動而移位。
6.時間棒—其裝配在圖1所示附圖標記為9的旋轉棒上的共軸管上，其橫截面由7表示并且其根據(jù)使用者對機器啟動時間的要求裝配在旋轉棒的一定位置上。
7.其是極軸棒的橫截面。
圖7-A表示光線落在鏡子上的效果圖7-B表示等腰三角形ABC圖7-C是邊AB和AC相等的等邊三角形ABC。
圖7-D表示因BA的固定以及AC的太陽定向而導致的位置C在等腰三角形中的移位。
圖8表示光反射在目標區(qū)域的布置。
圖9表示鏡子尺寸從B到F位置的延伸布置。
具體實施例方式
本發(fā)明的機器執(zhí)行兩項操作，也就是其在一天中跟蹤太陽以及將日光重定向到固定點，從該固定點太陽可以再次被重定向到需要的地方。顯然本發(fā)明的機器必須是兩個部分，一個是用于太陽跟蹤的部分以及另一個用于日光重定向。
由于太陽跟蹤部分對重定向系統(tǒng)是輔助性的，因此首先描述重定向系統(tǒng)。
部分1重定向系統(tǒng)如上所述，太陽跟蹤本身是一項非常復雜的工作，因此一直為此使用計算機。當光反射/集中在系統(tǒng)內時，良好的光跟蹤系統(tǒng)足以發(fā)揮作用，因為集中器裝在系統(tǒng)中，其可以將太陽定向和光線保持集中在集中器的焦點上。但是當光反射在系統(tǒng)外部的點上時，工作變得更棘手，因為如圖5所示，日光的入射角以及由此導致的反射角也在每天的每刻發(fā)生變化，因此除了定位太陽的位置之外，必須考慮這一新的因素。注意到現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題的復雜性決定了采用計算機。
本發(fā)明考慮的光反射、基本幾何學以及機械學原理說明如下1.光反射按照光學原理，當光線落在鏡子上時，入射光線與反射光線之間的角度由在鏡子上從入射點延伸的垂線等分。如圖7-a所示。
2.幾何學原理按照幾何學的簡單原理，在等腰三角形中，對等邊之間的角進行等分的線垂直于第三邊，如圖7-b所示。
3.以上1和2的結合這兩個原理的結合如下文所述，通過這兩個原理提出光線方向已知并且目標方向也已知的光線反射法則。
在圖7-c中示出等腰三角形ABC，其中邊AB和AC相等。如果光線CA在方向AB上反射，則鏡子MR必須放置成使得鏡子上從點A延伸的垂線將角BAC分成兩個相等的部分—按照以上引用的反射定律。在該位置所有平行于CA進入的光線都會反射在平行于AB的方向上。此時如果鏡子的位置移動到BC的位置，則所有平行于線CA的光線都會反射在平行于AB的方向上。發(fā)生這種情況是因為AD是在BC上的垂線，還因為ABC是等腰三角形，因此線MR與BC相互平行。這樣獲得的法則是如果光線在平行于等腰三角形的等邊之一的方向上進入并且它們向平行于三角形另一等邊的方向反射，則鏡子必須沿平行于三角形第三邊的線放置，或者鏡子甚至可以沿第三邊本身定位。
此時，對于以上法則所實現(xiàn)的應用，來自太陽并每天每刻改變其位置的光線得到反射。因此，由于AC一直符合太陽定向，點C也將繼續(xù)移動其位置，而線BA將一直固定，作為在其上反射光線的固定目標。當CA移位時，C將占據(jù)空間中的其它位置，例如E，其不會與我們的三角形ABC共面，如圖7-d所示；因此要確保我們的系統(tǒng)繼續(xù)工作，必須確保鏡子沿線BE布置成所有的三條線繼續(xù)共面。還要確保新的三角形ABE繼續(xù)等腰并且來自太陽的光線沿平行于AB-我們的目標的方向反射。
因此必須形成以下布置，其中1)線AB固定，2)線CA和AB保持它們的初始長度，它們仍然可以分別在點A和B上移動，使得不斷改變太陽(C)的位置，并由此可以同步不斷改變CA的方向。同時確保CA一直與線AB保持共面。
3)通過保持CA和AB長度相同，同時線BC的長度因角度BAC的變化而繼續(xù)改變來保持三角形ABC的等腰特性，如圖7-d所示。(可以在圖5中看到太陽與目標之間的角度變化)。
機械學的應用以及本發(fā)明機器的制造(僅僅示意性說明如何應用上述技術，實際設計在后文論述)現(xiàn)在實現(xiàn)以上剛剛在第1、2和3段中論述的方案，三個棒占據(jù)我們的三角形ABC的三個邊的位置。為了方便，根據(jù)上述原理設計部件的名稱。
術語請參見圖81)太陽跟蹤棒將占據(jù)線CA的位置并且被稱為太陽臂(SUN-ARM)，2)固定鏡子的棒將占據(jù)沿線BC的位置并且被稱為鏡子臂(MIRROR-ARM)，3)在點B，鏡子具有其樞軸并且可以被稱為鏡子樞軸，4)太陽跟蹤棒—太陽臂將在點A繞其樞軸旋轉，因此我們稱該點A為太陽臂樞軸。
5)占據(jù)線AB位置的棒將向著目標定向并且可以被稱為目標臂。
應用現(xiàn)在將在圖8和9中做出以下布置1.由于太陽繼續(xù)移動并且C的位置繼續(xù)改變并由此導致角BAC的大小也在一天中改變，所以鏡子臂必須足夠長以在知道太陽臂可以與目標臂所成的最大角之后使點C可以到達所有位置。
同時鏡子臂必須具有使太陽臂在不同的C位置下滑動的滑動空間。
2.目標臂必須向著目標定向并隨后必須可靠固定在基底上以確保太陽臂和鏡子臂的移動不會干涉其固定位置。目標臂必須還在其一端具有用于鏡子臂的樞軸，并且布置成使鏡子臂可以通過兩種方式移動—一種是沿目標臂圓周的圓方向以及另一種是在太陽臂和目標臂的平面上，因為太陽不僅東-西移動而且北-南-北移動；這種北-南-北移動會以太陽上下移動的形式顯現(xiàn)。為此，目標臂必須還在另一端具有用于使太陽臂在所述兩種方式下移動的樞轉以針對太陽在一天中的所有位置進行調節(jié)。
3.太陽臂必須具有一定的布置，使得其在鏡子臂上滑動的同時，還保持鏡子臂移動，從而三個臂形成的等腰三角形持續(xù)存在。
如果做出以上布置，則我們的系統(tǒng)完全適用于將光反射在目標區(qū)域上，如圖8所示。
然而，如果鏡子的尺寸僅等于BC，則反射的光將保持改變位置并且目標不會在任何時間點都得到完全照明。因此，必須存在如圖9所示的鏡子尺寸從B到F位置的延伸。
(同樣照明區(qū)域的尺寸和形狀繼續(xù)改變，由此鏡子的尺寸和形狀應該設計成使得整個目標區(qū)域一直得到照明。橢圓形鏡子是優(yōu)選，因為其可以照明遍及幾乎圓形區(qū)域。)部分2太陽跟蹤系統(tǒng)如上所述，在重定向系統(tǒng)的描述中需要太陽臂—棒，該棒應該在一天中符合太陽定向。這一點在本發(fā)明中通過完善的跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)，其提供了對目前未解決的所有問題的解決方案，下文在此描述本發(fā)明新型的由方位角設定裝置和時間設定裝置組成的裝置。
本發(fā)明的太陽跟蹤系統(tǒng)基于極軸跟蹤。極軸跟蹤根據(jù)從以下現(xiàn)象中得到的原理地球以傾斜軸繞太陽移動并一年完成一圈。由于地球繞太陽旋轉，因此地軸相對于太陽方向的位置每天經(jīng)歷改變，這樣導致太陽方位角在地方正午的改變，如圖4所示。
現(xiàn)在讓我們設想一棒放置成平行于地軸—我們稱其為極軸棒，并且其旋轉使得其方向和速度抵消地球的旋轉。而后，如果第二棒裝在該棒上，并且之后第二棒再次向著太陽定向，則第二棒將在一天中保持符合太陽定向，因為極軸棒通過從東到西的所述移動抵消了地球的移動(同時地球在其軸上從西到東移動)。
采用這種極軸跟蹤原理。
然而，第二天，第二棒—我們稱其為導向器棒必須根據(jù)太陽移位的量向北或向南移動。這不是簡單的事。
太陽方位角在一年中是不均勻的?？梢詮囊韵驴吹讲顒e非常大日期 方位角變化(北向)3月22日-4月22日 12度4月22日-5月22日 8度5月22日-6月22日 3度由于這種方位角的不均勻變化不能用任何數(shù)學準則來描述，因此也不能用機械方案來解決問題。因此科學家為了實現(xiàn)所述目的選擇了傳感器/計算機等。本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)通過發(fā)明后文所述的方位角設定裝置解決了這一問題。
(為了改變導向器棒的位置，發(fā)明者在其早期發(fā)明-2002年6月26日提交的申請559/mum/2002中通過采用其上具有用于固定導向器棒的標記的日歷弧解決了這一問題。導向器棒可以手動或通過電子編程電機固定用于操作日期。提出日歷弧，因為太陽方位角如下文所述改變不均勻，不能通過可以轉化為機械裝置的任何數(shù)學方案來表達。)在跟蹤太陽時存在另一問題，即使選擇極軸太陽跟蹤，太陽的移動也不能與我們的地球時鐘同步。這是因為一天的長度也就是在兩個地方正午之間流逝的時間不總是為24小時。相差多達幾乎一分鐘。這種差異一段時間后的累積效應太大；在任何地方最早的地方正午在上午11-44到來，最晚在下午12-14到來—相差半小時。這一現(xiàn)象被稱為時差曲線效應。所述差異在一年中也不均勻，同樣不能利用機械方案解決。該問題已經(jīng)通過本發(fā)明中的時間設定裝置得到解決。
發(fā)明者已經(jīng)發(fā)明這些新的部件，它們確保機器在一年中自動工作并且不需要每天調節(jié)導向器棒。該創(chuàng)新適用于基于極軸跟蹤的所有太陽跟蹤系統(tǒng)。以下描述這些裝置。
方位角設定裝置設定方位角的裝置一直被稱為方位角設定裝置。根據(jù)以下情況和設想提出該機構(請參見圖3)如上所述，地球以23.5度的傾斜軸繞太陽移動，并以365.25天完成一圈。
我們假定太陽和地球的位置互換。通過使太陽和地球的位置互換—地球靜止并且太陽繞其旋轉—將會發(fā)現(xiàn)在太陽繞地球的旋轉過程中在地軸上形成不同角度的光線。
我們進一步假設，如圖3中的第三圖所示，太陽在一點停止并且隨后地軸繞地球在一年中繞太陽旋轉的黃道—假想平面上的垂線旋轉，隨后在通過太陽繞地球(假想)旋轉形成的光線與地軸之間形成所有的那些角。在地軸的旋轉中可以看到通過其旋轉形成23.5度的錐體。
此時如果地軸和光線的位置互換，也就是光線在固定地軸上旋轉代替地軸相對固定光線旋轉，使得光線形成通過以上所述旋轉獲得的23.5度的錐體，得到通過以上地軸相對于固定太陽的旋轉形成的所有角度。
從以上獲得的準則是如果導向器棒在極軸棒上旋轉使得其形成23.5度的錐體，則其可以覆蓋太陽在一年中的所有位置。
然而又存在一個問題。太陽在6月22日到12月22日期間從北向南移動并在12月22日到6月22日期間從南向北移動，由此花費相等的時間，但其在從中心位置移動到北23.5度和回到中心位置花費不同的時間，并隨后在移動到南半球和回到中心位置上花費不同時間；其在第一移動中花費大致186天并在第二移動中僅花費179天。在設計方位角設定裝置的同時也考慮了這一情況。
23.5度錐體上述準則轉化成如下機構(如果需要請參見圖2)方位角設定裝置的目的是根據(jù)太陽方位角的變化移動導向器棒；這一點可以通過在極軸棒上移動導向器棒以形成從上面觀察其頂點在極軸棒軸線上的23.5度錐體來實現(xiàn)。但發(fā)明者已經(jīng)設計了另一裝置，通過為極軸棒提供零位置永久作為起始點的時間設定裝置，因此導向器棒在其圓錐移動中的東-西移動會干涉所述布置。因此需要另一裝置也就是時間設定裝置被設計成使得僅在二維平面上發(fā)生導向器棒的移動。因此增加了更多的部件使得僅獲得北-南-北的變化并消除了通過導向器棒的圓錐移動引起的其東-西變化。這一點按以下方式實現(xiàn)。
極軸棒分割成相等的兩塊，隨后框架沿垂線裝配在兩塊之間。裝配在框架上的棒沿極軸棒軸線上的垂線放置，使得這另一個棒的軸線與極軸棒的軸線形成直角。我們稱這另一個棒為方位角棒。該方位角棒可以沿其軸線自動移動。在方位角棒的中心具有孔。U形夾緊件通過穿過孔的釘裝配在該方位角棒上。細棒裝配在夾緊件上。此時如果細棒旋轉成圓形，則由于釘和夾緊件的結合效應方位角棒也旋轉。如果細棒旋轉使得其形成頂點在方位角棒軸線上的23.5度的錐體，則方位角棒將經(jīng)過導向器棒在一年中在北-南-北方向上所需的所有角度。為了實現(xiàn)這一目的采用以下布置。
在裝配方位角棒的框架上存在平行于方位角棒的另一帶，我們稱其為第二帶。在該第二帶的中心具有用于圓形端的樞軸。該圓形帶是從中心位于方位角棒的軸線上的假想圓上切出的弧，細棒以距其樞軸23.5度的距離緊固在圓形帶上的孔中。該圓形帶一年旋轉一整圈。在其規(guī)律的移動中產生方位角棒在一年中的所有角度。
然而，必須設置地球軌道繞太陽的偏心率，這樣經(jīng)歷太陽處于極軸上的中心位置179天到來一次，而后大約186天到來一次的獨特性。偏心率設置如下
圓形帶裝配在穿過第二帶的軸上。軸的另一端裝有另一帶。該帶具有孔，來自平行移動的齒輪盤的釘緊固在孔中。
在框架上具有第三帶，其也平行于方位角棒。在第三帶上裝有平行于方位角棒的圓周具有齒的盤。盡管齒輪平行于方位角棒放置，但其樞軸相對于圓形帶的樞軸偏心。釘裝配在該盤上，該盤緊固在裝于圓形帶另一側的帶上。釘具有盤樞軸的距離與圓形帶的樞軸與盤的樞軸之間的偏心量成比例并且這一距離必須設計成使得當盤移動時，通過盤移動177.2度完成導向器棒從中心位置移動到南半球和返回并通過盤移動182.8度完成導向器棒的向北移動。
當通過定時器而移動時，所述盤一年也就是365.25天完成一圈。為了在由故障等引起的修理之后安裝或恢復操作方便，在其圓周上具有日期標記的圓形薄片裝配在盤上并且可以被稱為日歷盤。(該日歷盤可以用于提醒注意閏年效應。)所述方位角設定裝置本身是一個完整的發(fā)明，然而其與本發(fā)明的機器形成整體，因為其有助于極軸跟蹤系統(tǒng)的自動化。
時間設定裝置時間設定裝置基于對正午時分實際經(jīng)歷的差異。
該裝置具有兩種型式。
第一是基于應該具有固定的用于開始機器操作的零位置以及應該在太陽按照實際經(jīng)歷的特定日和其操作的特定地方處于期望地點時達到正午—太陽的正午位置的原理。零點是機器的停止點，直至其在早晨開始操作。根據(jù)實際經(jīng)歷，為每個操作位置形成數(shù)據(jù)并在在微處理器中設計和編程，以在一年中每天的規(guī)定時間啟動機器。這是一個簡單機構。
在第二種型式中，啟動機器的時間固定并且不需要任何數(shù)據(jù)或微處理器；因此這對于降低成本并使機器維修更容易來說是優(yōu)選。在該型式中，每天變換啟動點。
例如，如果機器固定在早6點啟動，在對于標準日也就是太陽在下午12.00實際達到正午點的日子里，極軸棒將移動90度，因為其以每24小時一圈的速度移動。所以啟動的基點將是正午點前的90度。平行于導向器棒的時間棒裝配在極軸棒上并且按如上所述決定基點。而后借助參照圖6所述的每天具有變化半徑的時間盤，時間棒按照實際經(jīng)歷達到適當?shù)膯狱c。該時間盤不是用于特定位置的，因為顯然太陽的慢和快移動是全球相同的。
兩部分即重定向系統(tǒng)與太陽跟蹤系統(tǒng)的結合如上所述，太陽跟蹤部分被設計成實現(xiàn)重定向系統(tǒng)的技術。在機器的實際設計過程中，必須剛好將在太陽跟蹤部分中描述的定向器棒放置在以上重定向系統(tǒng)中描述的系統(tǒng)的太陽臂位置。
然而，如圖1所示，在機器的實際設計中，盡管采用相同的原理，但目標臂是截頭的并且如圖1所示僅保留了微小的軸5-A。同樣，太陽臂盡管占據(jù)初始計劃的位置，但裝配在極軸棒上并因極軸棒的移動而獲得移動。
通過結合這兩個部分，已經(jīng)形成了參照圖1所述的完整機器。
部件的功能以及它們在操作時的組裝(請參見圖1)整個裝置通過臺架1支承。臺架1必須調節(jié)成使得支承弧形件7的軸7-A處于垂直位置。
弧形件7隨后放置在支承軸7-A上，使得極軸棒9達到平行于地球軸線的位置?；⌒渭?的圓形形狀確保了在旋轉棒9的任何位置導向器棒的樞軸點都與鏡子樞軸等距。
鏡子裝配在鏡子臂12上，使得其表面與軸4精確平行。在滑動件11裝配在鏡子臂12內以及機器執(zhí)行操作之前必須檢查軸4和5-A的自由移動。
借助方位角設定裝置8，導向器棒10設定在操作日期的位置。在該位置導向器棒與極軸棒9所成的角度與一年那一天太陽與地軸所成的角度相同。
時間設定裝置也用于調節(jié)操作日期，使得機器在第二天的所需時間啟動。還在時間設定裝置中采用了定時器。
在啟動定時器13之前，在鏡子臂12另一側具有延伸的導向器棒裝有棒盤14并且旋轉棒在任意一側旋轉，直至在盤上沒有任何棒的陰影。這樣確保導向器棒10符合太陽定向。
隨后弧形連接件3和6被調節(jié)成使得日光反射在所需目標區(qū)域上。必須再次檢查導向器棒10的太陽定向，如果需要調節(jié)弧形連接件和導向器棒。
此時必須采用定時器13，在方位角設定裝置中設置定時器以及時間設定裝置中設置定時器。
機器的工作當定時器13通電時，通過彈簧工作/電開始移動極軸棒9，導向器棒10也開始移動。導向器棒10的這種移動確保了其恒定符合太陽定向。通過導向器棒的移動，裝配在導向器棒10上的滑動件11開始移動鏡子臂。鏡子臂在兩個方向上移動并如上所述，其繼續(xù)占據(jù)三角形第三邊的位置，這樣確保了日光平行于目標臂方向的反射。只要定時器13使旋轉棒保持以每24小時一圈的速度移動，日光就連續(xù)地反射在目標區(qū)域直至太陽在西方落下。
權利要求
1.一種日光重定向裝置，其特征在于，通過布置i)光線入射方向，ii)目標方向以及iii)移動鏡子的軸線沿等腰三角形的三邊來獲得日光在固定的目標上重定向的新技術。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，通過結合以下部件的尺寸和放置獲得以上權利要求1中所述的等腰三角形的所述布置a)裝配在極軸棒上并通過其移動的太陽跟蹤導向器棒是占據(jù)光線位置的等腰三角形的等邊之一，b)連接導向器棒的樞軸與鏡子軸線樞軸、長度等于導向器棒的長度的虛線占據(jù)等腰三角形第二等邊的位置，以及c)鏡子軸線形成等腰三角形的第三邊。
3.如權利要求1和權利要求2所述的裝置，其特征在于，i)裝配在太陽跟蹤導向器棒上的滑動件，ii)在鏡子軸線管/棒上用于容納滑動件并使其自由移動的凹槽，iii)用于確保鏡子軸線棒在兩個平面上自由移動的兩個相互垂直的軸，可以通過以下方式使權利要求1所述的技術生效i)使導向器棒自由移動以保持符合太陽定向，ii)在通過導向器棒移動時將鏡子臂調節(jié)到不同位置，以及iii)保持由以上權利要求1和權利要求2所述的三個臂形成三角形的等腰特性。
4.一種方位角設定裝置，其將極軸棒上的太陽跟蹤導向器棒的方位角準確設定為等于在通過特定尺寸、設計以及以下部件相應功能操作的那一天太陽與地球軸線所成的角度方位角棒、夾緊件、錐形棒、圓形帶、圓形帶和日歷盤的偏心定位、以及定時器。
5.一種時間設定裝置，其借助以下部件設定極軸棒的位置時間棒、時間盤以及定時器，使得當其開始通過鬧鐘工作時，特定日也就是在最后和到來的正午之間消逝的時間的增長或縮短—通常歸因于太陽或備選的地球的快或慢移動—通過由具有不等半徑的時間盤的移動而引起的時間點的移位來抵消，所述不等半徑根據(jù)實際經(jīng)歷特殊設計以在一種型式中產生上述效果，并借助得到編程的定時器在每天的不同時間啟動操作，同時啟動點根據(jù)使用者的需要得到固定。
6.如權利要求1和權利要求2所述的日光重定向裝置，其特征在于，固定極軸棒的可調節(jié)圓弧件可以在不同緯度的所有位置將極軸棒平行于地軸設置，并通過這一方式使機器全球適用而不需要機器的任何變化，同時保持導向器棒樞軸與鏡子臂樞軸之間的距離相等。
7.如權利要求1所述的日光重定向裝置，其特征在于，固定鏡子的兩個弧形連接件可以使目標臂在實際上的所有方向上移動，并保持導向器棒樞軸與鏡子臂樞軸之間的距離相等，由此可以用于將日光反射在任何方向上而無需對機器做出任何改變。
全文摘要
一種自動化日光重定向器包括將日光重定向到使用者選擇位置的裝置。這是一個通用的型式并且不需要數(shù)據(jù)和微處理器在不同緯度跟蹤太陽，也不需要任何計算機技術反射角。該裝置的工作根據(jù)按等腰三角形的邊布置入射光線、目標線和鏡子軸線的原理并通過太陽跟蹤導向器棒、裝配在該導向器棒上的滑動件、以及在鏡子軸線管/棒(5)上使導向器棒(10)自由移動的凹槽這些裝置來實現(xiàn)，這樣不僅跟蹤太陽而且可以連續(xù)調節(jié)鏡子的位置，使得光反射在固定的目標上。方位角設定裝置(8)和時間設定裝置(15)分別跟蹤太陽方位角和日長的每日變化。
文檔編號G01C21/02GK101069066SQ200480044504
公開日2007年11月7日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權日2004年11月29日
發(fā)明者阿倫·戈米提·尚卡爾·舒克拉 申請人:阿倫·戈米提·尚卡爾·舒克拉