CN102072453A

CN102072453A - 基于光传播技术的室内自然光照明***

Info

Publication number: CN102072453A
Application number: CN2010106037942A
Authority: CN
Inventors: 葛爱明; 王珅; 王巍; 宋晓博
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2011-05-25

Abstract

本发明属于太阳能应用技术领域，具体为一种基于光传播技术的室内自然光照明***。该照明***包括太阳光采光器、导光管（光纤）式光导装置、采光器与导光管（光纤）的光束耦合器，室内自然光灯具、辅助光灯具（如LED照明灯）和光伏电***；自然光经过太阳光采集器会聚后，经过与导光装置的导光管（光纤）耦合，进入导光装置，然后进入室内自然光灯具，提供室内照明；同时红外、部分可见光和紫外光进入光伏电***的光伏板为蓄电池充电，蓄电池可以为夜间照明和辅助光灯具照明提供电能，从而能对地下建筑、无窗建筑和大型的建筑空间，提供舒适的照明光环境。本发明是一种光-光传播转换的真正的绿色照明***。

Description

基于光传播技术的室内自然光照明***

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，具体为一种通过聚集太阳光来为室内提供合适光线的照明设备，是一种光-光传播转换的真正的绿色照明***。

背景技术

随着人类环保意识的不断加强，各国科研机构已把太阳能的利用作为重点发展项目，而利用自然光照明的研究则是其中的一个主要课题，在欧美及日本等发达国家，已开发出一系列自然光照明***，并在公共设施及工业与民用建筑中广泛应用。目前自然光照明***的技术及产品正在快速发展中。

自然光导光管（光纤）照明***的结构主要分三部分，一是采光部分，采光器多由透明塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱；二是导光部分，一般是由三段导光管（光纤）组合而成，导光管（光纤）内壁为高反射材料，反射率可达92%--95%，导光管（光纤）可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度；三是散光部分，可避免眩光现象的发生。由于这种自然光导光管（光纤）照明***结构简单方便安装，成本较低，实际照明效果很好，因此在国外发展十分迅速，应用也十分广泛。

典型的管式天然光导入***由三部分技术组成，包括外部集光器、光导传输装置、内部照明器，其中的关键技术组成部分是连接内外的光导传输装置，即所谓的光导管。根据现有的技术研究和实践积累，可将光导传输方法和技术分为四类，即光线透镜式(beam/lens systems)、空腔镜面反射式(hollow mirrored guides)、空腔棱镜式(hollow prismatic light guides)、实体核心式(solid core systems)[1]。在实际应用中，主动式集光结合实体核心式、空腔棱镜式和空腔镜面式传输方式形成了几种较为成熟的综合***，包括以光纤方式传输的日本“采光向日葵”(Himawari)***、美国HSL(Hybrid Solar Lighting)***、德国Solux***，以空腔棱镜式传输的欧洲Arthelio***，以空腔镜面式传输的瑞士Heliobus***，柏林和马来西亚的定日镜(Heliostats)***。

在国内，从八、九十年代开始，有一些科研院所和企业从事类似的自然光导光管（光纤）照明***的研究。目前应用领域主要在住宅等小型室内照明，技术水平较国外还比较落后，应用还处在试验阶段，中国2008***的中心区地下车库安装了19套导光管（光纤）***，是我国利用此原理的***在大型地下空间的首次尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种与以往相比具有极高光通量、更低光衰的大型建筑室内空间自然光照明***，从而达到节能减排的效果，并为室内提供近乎完美的白光以及舒适的照明效果。

本发明提出的大型室内自然光照明***，包括太阳光采光器、导光管（光纤）式光导装置、采光器与导光管（光纤）的光束耦合器，室内自然光灯具、辅助光灯具（如LED照明灯）和光伏电***；自然光经过太阳光采集器会聚后，经过与导光装置的导光管（光纤）耦合，进入导光装置，然后进入室内自然光灯具，提供室内照明；其中：

所述太阳光会聚装置由一次反射镜、二次反射镜以及***件组成，两个反射镜均为旋转抛物面；一次反射镜镀有宽光谱反射膜，二次反射镜镀有可见光谱反射膜，紫外、红外和部分可见光透射，使太阳光按波长分为可见光、红外和紫外光；一次反射镜与二次反射镜之间由支架固定，并由导线连接；***件为控制部分，设置在一可旋转的机件底座上，由两台小型电机分别从平面方向与垂直方向控制反射镜光轴始终与太阳光光线平行。阴天等情况自动停止跟踪，使用散射光进行会聚。

所述导光管（光纤）式光导装置由导光管（光纤）、滤光片以及透镜组成，导光管采用梯度折射率材料，对于空心导光管可以采取在内壁镀反射膜，导光管的直径在100mm-200mm，光线直径在>10mm为宜，管外有保护套。滤光片安置在导光管（光纤）的入口处，采用光学玻璃或光学晶体材料并镀膜，可以过滤红外线和紫外线，避免温度过高而造成导光管（光纤）的损坏，同时反射出的少量可见光仍可以在二次反射面与滤光片之间多次入射反射，达到效率最大化。透镜组安装在滤光片后，用于辅助光耦合进入导光管，提高光传导的效率。

所述室内发散出光灯具，采用分光反射镜，使得光线可以大面积均匀地分布到室内。每一套***可以有多个出光灯具。

所述辅助光灯具由LED器件和测光、控制电路等组成，LED器件与自然光灯具组装在一起。其作用是当自然条件不理想时，可以为室内提供合适的照度。

所述光伏电***包括光伏板、蓄电池、稳压器等。光伏板具有高功率密度(>=150W/m²)，安装在二次反射镜的后方，自然光线在会聚到二次反射镜时，380nm-780nm波长光线反射进入导光管（光纤），大部分红外线与紫外线，及部分可见光透过二次反射镜照射至光伏板上，为蓄电池充电；同时蓄电池为光线***件以及室内LED辅助光灯具供电，达到电力的完全自给自足，不依赖于市电。光伏板反面安装有散热设备，可以在能量过于集中时保护光伏板不被烧坏。

本发明中，所述太阳光会聚装置是一种大功率装置，其中，一次反射镜的直径在1000-3000mm为宜，焦距在350-1050mm为宜，二次反射镜直径在125-400mm为宜，焦距在300-850mm为宜，但不限于此。

本发明具有如下特点：

1.提出了光-光转换的太阳能照明方法，不同于光-电-光的常规方法，大大提高了太阳光的利用效率。并且可以达到完全不使用市电的日夜照明；

2.采用太阳自动跟踪技术，使双抛物面采光器的光轴始终与最强的直射太阳光方向保持一致；

3.采用二次透镜表面采用特殊反射膜，使太阳光种的可见光反射，部分可见光、红外和紫外光透射；大部分可见光用于照明，部分可见光、红外和紫外光用于光伏发电为***提供电能；

4.采用梯度折射率材料得到高内反射率的导光管或粗直径光纤作为传播自然光的导光器件；

5.使用室内测光电路，当天气情况导致室内照度不够时，大功率LED辅助灯具自动点亮，使室内照度维持在一定数值上；

6.使用自然光和动力电灯具混合照明，通过光伏发电存储的电能除少量带动自动***外，大部分为大功率LED辅助灯具组进行白天的辅助照明与夜间提供照明。

附图说明

图1 二次反射镜的拓扑图。

图2 自然光导光照明***结构图。

图3 自然光光谱图。

图中标号：1为光伏板，蓄电池，散热器结合部件， 2为球面二次反射器，3为抛物面一次反射器，4为导光管或光纤耦合接口，5为直射日光追踪装置， 6为导光管或光纤，7为（LED）辅助灯具， 8为自然光灯具。

具体实施方式

在本发明的自然光导光照明***中，采光器应用抛物面聚光反射器，一次反射镜面直径为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE001

，焦距

，表面镀反射膜，在波长为380~780nm光谱范围内，表面反射率

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE003

，二次反射镜直径

，焦距

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE005

，表面镀反射膜，在波长为380~780nm光谱范围内，表面反射率

，光线与导光管（光纤）耦合处的通孔直径为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE007

，导光材料使用高梯度折射率的高透过率的粗芯光纤组，单根有效通光口径为

，包括包层的实际口径为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE009

，单根导光光纤的光衰为

，本实验使用的单根导光光纤长度为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE011

（长度可以根据具体照明***结构的不同而不同），每根光纤输出端都有单独配光，配光效率为

，光伏板面积与二次反射镜相同，能量密度为，辅助光灯具采用

的

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE015

灯具组，外部光线按照晴天平均地面照度，平均日照时间为8小时。

有效采光面积为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE017

；

初始的入射光通量为

；

由采光器会聚的光线与导光管（光纤）耦合的效率为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE019

；

则进入导光光纤的光通量为

；

***结构上可以安装的导光光纤数量为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE021

；

考虑结构和安装得限制等因素，取

；

单根导光光纤所分配得到的入射光通量为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE023

；

通过

的导光光纤传播后，单根导光光纤光传播到达用户剩余光通量为

；

经过配光，单根导光光纤光传播到达用户制成的每盏自然光灯具的光通量为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE025

；

***总有效光通量为

。

按飞利浦标准

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE027

型

电子节能灯计，光效为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE029

，总光通量为

，如果达到

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE031

光通量，则约需127盏

型

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE033

电子节能灯，耗电功率为

。

由于二次反射镜能量集中，考虑到光伏板为满载输出，输出功率为

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE035

；

按照平均日照时间为8小时计，每天可提供的总能量为

；

Figure 2010106037942100002DEST_PATH_IMAGE037

辅助灯具光功率为

，因此，可以提供该

的

辅助灯具点亮的时间为

，除去自动跟踪所需电量，可以提供该

的辅助灯具照明至少5小时。

Claims

1.一种基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于包括：太阳光采光器、导光管式导光装置、采光器与导光管的光束耦合器，室内自然光灯具、辅助光灯具和光伏电***；自然光经过太阳光采集器会聚后，经过与导光管耦合，进入导光装置，然后进入室内自然光灯具，提供室内照明；其中：

所述太阳光采集器由一次反射镜、二次反射镜以及***件组成，两个反射镜均为旋转抛物面；一次反射镜镀有宽光谱反射膜，二次反射镜镀有可见光谱反射膜，紫外、红外和部分可见光透射，使太阳光按波长分为可见光、红外和紫外光；***件为控制部分，由两台小型电机分别从平面方向与垂直方向控制反射镜光轴始终与太阳光光线平行；

所述导光管式光导装置由导光管、滤光片以及透镜组成，导光管梯度折射率材料，使得光在传播过程中全反射传播，减少光能量的损失，滤光片安置在导光管的入口处，透镜组安装在滤光片后；

所述室内自然光灯具，采用导光面板，或者条形导光棒，制成的灯具使得光线能大面积均匀地分布到室内。

2.根据权利要求1所述的基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于太阳光采集器包括球面或非球面反射器，以及通过棱镜制成的面板式的收光装置。

3.根据权利要求1所述的基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于所述辅助光灯具由LED器件和测光、控制电路组成，LED器件与自然光灯具组装在一起；辅助光灯具在自然条件不理想时，通过自身硬调光为室内提供合适的照度；

根据权利要求1所述的基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于所述光伏电***包括光伏板、蓄电池、稳压器；光伏板安装在二次反射镜的后方，自然光线在会聚到二次反射镜时，380nm-780nm波长光线反射进入导光管，大部分红外线与紫外线，以及部分可见光透过二次反射镜照射至光伏板上，为蓄电池充电；同时蓄电池为强光线自动***以及室内LED辅助光灯具供电。

4.根据权利要求1所述的基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于自然光灯具与辅助光灯具的集成应用。

5.根据权利要求1所述的基于光传播技术的室内自然光照明***，其特征在于所述的一次反射镜的直径在1000mm--3000 mm，焦距在350mm--1050 mm，二次反射镜直径在125mm--400mm，焦距为300mm--850 mm。