CN1447058A - 利用阳光进行室内照明的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动跟踪太阳，将太阳直射光汇聚并滤除紫外线和红外线后传输到室内用做照明的阳光采光装置。装置由两维***、聚光器、二次反射器、两维调节反射器、安装在需要采光场所窗外的反射镜、太阳能光伏电池、感光传感器、编码器、中央控制器组成。聚光器将太阳直射光汇聚后，由二次反射器校正为平行光，两维调节反射器将光反射到固定地点，并由反射镜发散地反射入室内。装置的运动由中央控制器控制，执行电机上安装编码器以记录电机运行角度。装置将大面积聚光器汇聚后的光校正为平行光后利用反射原理进行长距离传输，成本低，充分利用建筑物顶部有限的空间，适合各种建筑形式的需求，具有广阔的推广前景。

Description

利用阳光进行室内照明的装置

                            技术领域

本发明涉及一种将阳光传导至室内的阳光采光装置，尤其是一种可以自动跟踪太阳，将太阳直射光汇聚并滤除部分紫外线和红外线后传输到室内用做照明的装置，属太阳能利用技术领域。

                            背景技术

在室内尽可能多地使用阳光不仅可以节省大量能源，而且可以提高室内的环境品质。伴随着人类建造房屋的历史，采光就一直是建筑领域在设计和建造时所必须考虑的重要因素。太阳光的照射角度是随着时间的变化不断改变的，并且不同的季节、不同的气候太阳光的照射情况都会变化，所以对于一个建筑，不同时间的采光量及光照角度是不同的。太阳光的这种变化特性不能满足人们在日间进行工作的需求，所以现代建筑物-尤其是城市建筑中，往往在外界阳光普照的时候，还在利用人造光源进行照明。另外，科学研究证实，自然光对人体健康非常有益，并且在自然光线照明的环境中人的工作效率会有较大的提高。因此，将太阳光用于照明，不仅可以节省大量的能源，而且有益于人体健康。

现有的主动型阳光采光装置一般由聚光器、驱动传动装置、传感器、控制器以及光传输装置等几个部分构成，这些装置往往成本较高，而且不能满足高楼层、大面积建筑内照明的需求，导致不适合市场化推广。经检索发现，日本三洋电机株式会社于1996年3月27日公开了在中国的专利申请，申请号为95107312.5，名称为“太阳光采光装置及控制该太阳光采光装置的太阳光采光控制装置”，文中介绍了该采光装置是将多块棱镜板按规定间隔安装在采光器内旋转，根据太阳的高度和方位控制棱镜板的棱镜角，使得太阳光始终按照一个固定的方向被折射。整个装置由棱镜板、同棱镜板相匹配的驱动装置、支持装置和采光控制装置构成。该装置的主要缺陷在于：只适用于直接处于建筑物屋顶下面楼层的房间；在早晨和黄昏时刻，阳光的光照强度相对较小，由于该装置光接收面同阳光直射光之间夹角较大，所以这些时刻能够导入室内的光很少，而这些时刻是建筑内采光最为不足的，主要是因为该装置的采光面只有一维方向的转动，不能最大限度利用采光面的有效面积。另外，该装置安装在建筑的顶部，为了获得较大的光收集量并将光传输到室内，需要在建筑顶部凿开与光接受面面积相等的孔洞，这将破坏建筑顶部的建筑结构，而且，开的孔洞越大，其成本也就越高，同时孔洞过大还带来安全隐患问题，因为盗贼很容易从装置的孔洞进入室内。所以，该项产品的市场化可行性较小。

日本的森敬在中国公开了申请号为89102552，名称为“太阳光线汇集装置”的专利，该装置利用自动控制原理使作为光线收集单元的透镜始终对准太阳，透镜将太阳的直射光汇聚到较小的面积，由光导纤维传输到建筑物内需要采光的场所。虽然光导纤维的光传输效率较高，而且比较柔软利于安装，但其成本高昂。目前一些研究机构采用塑料光导纤维或液芯光导纤维来代替传统的多组份玻璃光纤和石英光纤进行光的传输以降低光纤成本，但塑料光导纤维在阳光中紫外线的照射下易老化，寿命较短；液芯光纤耐温性较差，使用长度不能过长，效果亦不理想。

以上两种装置均不能满足高楼层、大面积建筑的需求，而这种高楼层、大面积的建筑是现代城市中最为普遍的建筑形式，也是对采光需求最迫切的建筑形式，所以以上两种装置并不能很好地适应目前市场需求。另外，阳光采光装置一般都需要安装在建筑物顶部，对于高楼层建筑，建筑内的单位场所平均分配到的建筑顶部面积是有限的，所以传统的安装在建筑背阳侧的反射型采光装置所采集的阳光资源就更加有限，不能满足大面积采光的需求。

在自动控制方面，现有的主动型阳光照明设备一般通过以下两种原理实现对太阳的跟踪：

一种是利用时钟计算控制。控制***按照预先设定的时钟程序驱动执行电机等驱动设备，实现采光设备对太阳高度角和方位角的两维跟踪。这种控制方法主要应用在对跟踪精度要求较低的场所，主要是因为控制***中的时钟一般同太阳时之间存在误差，而且这种误差有积累效应。

另一种目前应用比较广泛的方法是利用感光探测反馈控制来实时测定太阳的位置，通过反馈控制原理实现对太阳的跟踪，确切地说，是实现对最强光信号的跟踪。相对于时钟计算控制来说，这种控制方法比较准确，但也存在以下缺点：如果天空被云遮住，控制***得不到传感器的输入信号，将没有办法实现对太阳位置的连续追踪。在多云的天气状况时，云的边缘部分亮度可能成为最强光光远，这时***所追踪的将不是太阳位置，如果装置中所安装的传感器数量较少，所覆盖的方位角范围小，那么等到太阳出来后，控制***很可能没有办法继续追踪太阳的位置，而且这种跟踪方法容易使室内出现忽明忽暗的情况。

这两种两维跟踪控制方式均不能很好地满足本发明装置实现大面积采光控制的需求。

另外一个值得注意的事实是：现有的阳光照明装置对于引入室内太阳光光谱没有进行有效的控制。阳光中除了可见光以外，还含有大量的红外线和紫外线，其中红外线的热能较高，如果在天气炎热的季节将红外线不加选择地引导至室内，无疑会使室内温度升高，增加制冷能耗，在这种情况下不仅不能节省能源，反而会增加能源消耗；阳光中含有大量紫外线，如果不加选择地将紫外线引入室内，就会对人体造成伤害。

                            发明内容

本发明的首要目的是为了克服以上提及设备的问题和不足，提供一种经济实用的阳光采光照明装置，该装置不仅能够适应多种建筑形式，满足大面积建筑的采光需求，将阳光传输到任何需要的场所，而且可以最大限度地利用设备的光接收面积，同时最大限度地利用建筑物顶部或向阳侧墙壁的有限资源。装置运行稳定可靠，不会使室内出现忽明忽暗的现象。

本发明的另一个目的在于：对引入室内的阳光的光谱进行选择，避免在天气炎热的季节引入过多的红外线而引起室内温度的升高和引入过多的紫外线对人体造成伤害。

本发明的再进一步目的在于：提供一种将阳光中需要滤除的红外线转化为电能，为设备的驱动提供辅助能量来源的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的后通道式聚光采光装置由两维***、安装在两维***上的聚光器、安装在聚光器上的二次反射器、安装在聚光器上的两维调节三次反射器、安装在建筑物上的两维调节四次反射器、安装在需要采光场所窗外的五次反射镜、感光传感器、编码器、中央控制***组成。装置的主要功能是将大面积聚光器汇聚后的光校正为平行光后利用反射原理进行长距离传输。

聚光器的光反射面为抛物面，二次反射器安装在聚光器的焦点附近，平行于聚光器抛物面几何轴的太阳直射光线经过聚光器反射后发生汇聚，汇聚后的光通过反射面为抛物面的二次反射器的反射作用将汇聚后的光变为平行光，这束平行光以与太阳直射光相同的矢量方向传输到两维调节三次反射镜，两维调节三次反射器对反射镜面的光学角度进行调节，将光反射到两维调节四次反射器，通过两维调节四次反射器的反射镜反射到五次反射镜，通过五次反射镜将光分散地反射到室内的天花板上实现对室内的照明。建筑物边缘只安装面积较小的反射镜反射汇聚后的平行光，不仅可以有效降低成本，而且也充分利用了建筑物顶部有限的使用资源。

二次反射镜和两维调节三次反射器的反射镜镜面进行冷镜镀膜(cold mirror coating)处理，通过这种镀膜方法使得90％的可见光被反射，80％的红外光透过反射镜面并被安装在反射镜面后方的光伏电池转化为电能。在两维调节三次反射镜设备的外部安装有防护罩，防护罩由可以吸收紫外线的透明物质制成，如玻璃、有机玻璃等，可以采用已经商品化的产品，利用防护罩吸收90％的紫外线。

后通道式聚光采光装置的聚光器安装在两维***上，***中包括两个执行电机，其中一个负责控制聚光器水平方向的运动，为水平电机；另一个执行电机负责控制聚光器俯仰方向的运动，为俯仰电机。控制***控制两个电机并通过机械传动机构使聚光器始终正对太阳直射光方向。执行电机为直流电动机或步进电动机。执行电机通过减速机构驱动***的机械机构，减速机构具有锁死功能，可以选择蜗轮蜗杆结构和丝杆螺母结构来实现。

后通道式聚光采光器中使用的两维调节反射镜的基本结构相同，根据安装位置的不同对外形和尺寸做相应的调整。反射镜由三个支撑点确定位置，其中两个支撑点通过万向节分别连接在两个安装在机座上的力矩型执行电机轴上，另外一个支撑点通过万向节连接在机座的固定支架上。电机能够顺应外力在两维方向改变位置，传动机构为丝杆螺母机构，其中螺母固定在执行电机转子上，当执行电机转动时丝杆垂直于电机转动方向前进或后退，通过万向节拉动反射镜，将反射镜反射面调整到预定角度。执行电机可以为直流电动机或步进电动机。

装置中使用的每个执行电机均安装编码器，编码器采用旋转变压器或光电编码器，编码器的作用是每当电机轴旋转一个固定的角度，编码器输出一个脉冲至处理器，处理器将脉冲数量对应于每个编码器进行存储，并根据这些累积的脉冲数来确定对应执行电机所带动机械机构的位置。

装置的工作是通过控制***的控制下完成的，具体控制方式如下：

***对太阳位置的跟踪是通过时钟计算控制和感光传感器反馈相结合实现双重控制的，主要的目的是提高装置的跟踪精度，防止室内出现忽明忽暗的情况。为了降低设备成本，可以采用单一的感光传感反馈控制或时钟计算控制达到使用效果。双重控制过程为：感光传感器平均分布安装在聚光器焦点附近，并且同汇聚后的光线距离相等。在晴朗的天气，多个感光传感器在聚光器垂直于太阳直射光时都不会接收到聚光器汇聚后的光线，所产生的光强度信号相同，当太阳位置发生变化后，聚光器汇聚的光偏离聚光器的光学轴，照射在其中一部分感光传感器上，这些传感器产生的电信号发生变化，中央处理器通过比较每个感光传感器发送信号的大小判断聚光器偏离太阳直射光的方向，然后给两维***相应的执行电机发送驱动信号，执行电机驱动两维***，使聚光器重新垂直于太阳直射光。同时，中央处理器接收到来自两维***执行电机上的编码器发回的脉冲，通过存储器中脉冲数的累积获得聚光器位置信息。中央控制器利用***时钟所提供的地方时间和以及当地纬度信息利用以下公式计算出每一时刻太阳的高度角和方位角：

sin(h)＝sina()×sin(δ)+cos()×cos(δ)×cos(ωt)                 (1)

太阳高度角h计算：

其中示当地纬度，δ表示赤纬角，ω表示太阳时角，t表示时间。

太阳方位角A计算： $\sin \left(A\right)=\frac{\cos \left(\mathrm{\δ}\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}{\cos \left(h\right)}----\left(2\right)$

当采用此公式计算出的结果大于1时，或sin(A)的绝对值较小时，改用下式计算：

每隔一定时间(30秒到30分钟)，中央控制器通过程序计算出此时太阳的方位角和高度角，与前一时间段太阳的方位角和高度角求差，如果在这段时间内感光传感器没有误差信号返回，则说明此时没有太阳直射光，太阳可能已经被云层遮挡，中央处理器根据这段时间的方位角和高度角的变化差值计算两维***中执行电机应该运行的角度，然后向两维***的执行电机发出驱动信号，并根据安装在电机轴上的编码器判断电机的运行位置情况。通过这种方式我们可以实现全天候对太阳位置的跟踪，尤其在多云的天气里，当太阳在一段时间内被云层遮挡后，装置仍然能够根据时钟计算控制原理继续对太阳位置进行追踪，等到太阳重新出来后，能够马上继续进行阳光的采集，不会有无法跟踪的情况发生，从而提高了设备的可靠性。

中央控制器在控制两维跟踪装置对太阳进行跟踪的同时，需要对两维调节三次反射器和两维调节四次反射器的反射镜进行光学角度的调节，这一调节动作是通过安装在两维调节反射镜上的两个执行电机带动丝杆实现的。中央控制器根据记录在存储器中两维***中俯仰电机和水平电机编码器累积的数值来判断当前聚光器的位置情况，通过固定的算法计算出每个两维调节器的每个电机应该所处位置，并通过驱动器驱动每个电机，并通过编码器反馈得到每个两维可调反射器反射镜位置。

装置的所有控制***均通过中央控制器控制。当一个建筑物中应用的聚光采光器数量和种类较多时，可以采用一个工业控制终端对所有设备进行统一管理，这样即可以降低整体拥有成本，而且可以实现对整栋建筑采光的统一控制；如果采用的设备较少时，可以采用每个设备安装一套单独的控制单元--单片机的方式，降低设备管理需求的同时也降低成本。这些控制所需硬件产品均有工业控制领域市场化产品，按照以上的控制原理可以方便地以多种方式搭建成控制***。

在后通道式聚光采光装置的基础上，本发明还为楼层数量较少，层面积大，有条件使用阳光采光管道采光的建筑设计了前通道式聚光采光装置。前通道式聚光采光器的光学部分由聚光器，安装在聚光器上的光学台锥，安装在光学台锥上的汇聚透镜，安装在光学台锥上的两维调节二次反射器，贯穿建筑物顶部的光路通道组成。抛物面聚光器将太阳直射光反射后汇聚，光学台锥放置在聚光器焦点附近，安装在光学台锥上的汇聚透镜将聚光器汇聚后的光折射为平行光，这束汇聚后的平行光经过两维调节二次反射器的反射镜反射到光路通道，经过光路通道进入室内发散后直接用做照明。前通道式聚光采光装置的两维调节二次反射器反射镜表面经过冷镜镀膜处理，并在光路通道接收光的部分使用可以吸收紫外线的透明物质，达到滤除红外线和紫外线的目的。

在本发明上述方案基础上的更进一步改进是：在前通道式聚光采光器的光通路管道入口处安装光导纤维束，由两维调节二次反射器反射来的光直接耦合进光纤，由光纤将光传输到需要的场所；在后通道式聚光采光器中用光纤耦合器取代五次反射镜，由两维调节四次反射器的反射镜传输过来的光由光纤耦合器的聚光镜汇聚后，耦合在光导纤维的入射端，通过光导纤维将光传输到需要的场所。光导纤维束的特点是柔软，光传输效率高，单位面积载光通量大，具有灵活的安装方式，可以满足不同的照明需求，对于没有门窗作为光传播途径的建筑尤其适合。按照这种改进设计，较完全使用光导纤维束进行光传输的方式可以节省大量光纤，降低了成本。同时通过光导纤维束传输的光已经滤除了大部分红外线和紫外线，这两种波长的光对光导纤维束的使用寿命影响较大，可以延长光导纤维束使用寿命。也正是由于这个原因，装置可以使用性能价格比最高的聚合物光导纤维。光导纤维束可以是多组份玻璃光导纤维、石英光导纤维、聚合物光导纤维、液芯光导纤维等。

值得一提的是，上述技术方案中的聚光器可以采用抛物面聚光器，也可以采用菲涅尔透镜或其他聚光器件作为聚光器。

本发明的有益效果是：本发明装置的大面积聚光器不必安装在建筑物顶部边缘，最大限度地利用建筑物顶部有效的资源；装置的聚光镜始终正对阳光，可以最大限度地利用汇聚器采集阳光，提高了设备利用效率；在设备中使用镀膜反射镜将红外线同可见光分离，利用防护罩滤除了阳光中的紫外线，使进入室内的光更符合人的需求；将红外线利用太阳能光伏电池转化为电能，提高了能量利用效率；采用感光传感器反馈控制和时钟计算控制双重控制，结合自适应控制原理使设备的运行更加稳定，能够适应各种天气变化；设备安装的位置更加灵活，可以适应各种建筑形式的需求，尤其可以应用于目前为数众多的塔楼，解决了现有阳光采光装置只能应用于低层建筑，并需要对建筑顶部结构破坏的状况；本发明的装置将阳光汇聚后进行传输，减少了次级反射装置的尺寸，避免或尽可能少地使用光导纤维，大幅度减低了成本。综上所述，本发明的设计方案科学合理，适合各种建筑形式的大面积采光需求，是一套完整的采光解决方案，推广后将产生较高的社会效益和经济效益。

                            附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本发明实施例一后通道式聚光采光装置建筑安装示例图。

图2是后通道式聚光采光装置聚光器侧视图。

图3是两维***外观图。

图4是两维***纵剖面构造示意图。

图5是后通道式聚光采光装置二次反射器构造图。

图6是后通道式聚光采光装置两维调节三次反射器结构原理图。

图7是两维调节反射器执行电机及光电编码器安装方式示意图。

图8是后通道式聚光采光装置两维调节四次反射器结构原理图。

图9是后通道式聚光采光装置五次反射镜结构示意图。

图10是实施例一后通道式聚光采光装置控制装置电路原理图。

图11是实施例二前通道式聚光采光装置同实施例一后通道式聚光采光装置建筑安装示意图。

图12是实施例二前通道式聚光采光装置结构示意图。

图13是实施例二前通道式聚光采光装置光学台锥纵剖面构造示意图。

图14是图12A-A剖视图。

图15是实施例三的采用菲涅尔透镜聚光器的后通道式聚光采光装置结构示意图。

图16是实施例四的前通道式聚光采光装置同后通道式聚光采光装置利用光导纤维传输光建筑安装示意图。

                            具体实施方式

实施例一：

在图1、图2中，后通道式聚光采光装置的两维***3固定安装在建筑物9的顶部，抛物面聚光器4安装在两维***3上，二次反射器5由三根支撑杆6固定在抛物面聚光器4的焦点，两维调节三次反射器8同二次反射器5均处于抛物面聚光器4的光学轴X-X，两维调节四次反射器由支撑杆15固定在建筑物9顶部的边缘，五次反射镜12、96分别由支撑杆16、94固定在需要采光的室内14、97的窗13、95外部。两维***3带动抛物面聚光器4始终正对太阳1，使太阳1的直射光线2平行于抛物面聚光器4的光学轴X-X，太阳直射光2经过抛物面聚光器4反射后汇聚在二次反射器5表面，二次反射器5光反射面为抛物面，表面经过冷镜镀膜处理，90％的可见光经过反射后变为平行光7照射到两维调节三次反射器8的反射镜17(图2)表面，两维调节三次反射器在控制***的控制下调整反射镜17的光学角度，将平行光7反射到两维调节四次反射器10的反射镜11，在控制***的控制下两维调节四次反射器10调整反射镜11的光学角度，将光反射到五次反射镜12，由五次反射镜12、96将光分别发散地通过窗13、95反射进室内14、97。在图1中，为了清楚地表示光线的行进路线，用虚线连续地表示了光线的路径并用箭头标明了方向。

在图3中，两维***3由连接板18同抛物面聚光器4连接，水平转动盘19的支撑臂20与连接板18铰链连接，限位板22固定在俯仰运动轴21上，连杆23的两边分别同限位板22和连接板18铰链连接。采用限位板22和连杆23这种连接方式可以将聚光器的俯仰运动限制在0～90°范围内。

在图4中，俯仰电机24固定在隔板35上，齿轮28固定安装在俯仰电机24轴上，俯仰轴的传动为丝杆螺母传动机构，为了提高传动效率，可以采用滚珠丝杆机构，并配套使用超越离合器实现自琐功能。齿轮30固定连接丝杆31，螺母33固定在俯仰运动轴21内腔37中部，在俯仰运动轴21与隔板35之间嵌套丝杆31安装弹簧32。俯仰电机24转动时，通过齿轮28啮合齿轮30使丝杆31转动，进而使同螺母33固定连接的俯仰运动轴21在垂直方向运动。弹簧32的作用是在大俯仰角的时候抵消抛物面聚光镜重量对螺母的压力。俯仰电机35的电机轴上安装光电编码器组件29，为控制***提供反馈信号。水平电机25固定在机座36上，水平轴的传动采用蜗轮蜗杆传动机构，蜗杆27连接在水平电机25轴上，蜗轮34固定在水平转动盘19上。水平电机25的电机轴上安装光电编码器组件26，为控制***提供反馈信号。

在图5中二次反射器反射镜38为抛物面反射镜，按照图中安装线位置安装在二次反射器机座41上，在机座的四周均匀分布四个光传感器39a～39d，在二次反射器反射镜38的镜面后方安装太阳能光伏电池40。二次反射器反射镜38基体为透明材料，如玻璃、有机玻璃等，表面进行冷镜镀膜处理，能够反射90％的可见光，允许80％的红外线透过反射镜38，透过的红外光由太阳能光伏电池40转化为电能。

在图6中防护罩55由透明基体材料制成，可以为玻璃、有机玻璃等，本实施例中采用滤紫外有机玻璃制成，这种材料可以吸收90％的紫外线。机座57一端由支杆56支撑并固定在防护罩55上，另一端由固定杆51固定在防护罩55上，执行电机42、54以两维范围可旋转的方式安装在机座57上(安装方式见图7)。传动方式为丝杆螺母传动，螺母58(图7)固定在执行电机42、54转子上，丝杆44、43通过万向节46、45按照图中安装线的位置安装在两维调节三次反射器反射镜49的位置47、48，固定杆51通过万向节52按照图中安装线位置安装在两维调节三次反射器反射镜49的位置53。两维调节三次反射器反射镜49基体材料为透明物质，表面进行冷镜镀膜处理，透过反射镜49的红外光由太阳能光伏电池50吸收并转化为电能。经过二次反射器反射镜38和两维调节三次反射器反射镜49对阳光光谱的分解后，阳光中的红外线可以降到原强度的16％。

在图7中，螺母58与执行电机42的转子固定连接，执行电机通过Y方向旋转轴60与连接环67连接，连接环通过X方向旋转轴59与机座57连接，使执行电机42机提可以在X，Y两个自由度旋转。光电编码盘65同齿轮62固定连接并通过轴68安装于机座63，齿轮61通过轴69安装于机座63并同齿轮62啮合，两个光电传感器组件64安装在机座63上，机座63按照装配线安装在位置66并使齿轮61与丝杆44啮合。当执行电机42转动时，螺母58使丝杆44产生位移变化并带动齿轮61，齿轮61带动齿轮62使光电编码盘65转动，光电编码盘65上有均匀分布的槽口，每当一个槽通过两个光电传感器组件64时，传感器就产生一个脉冲，使用两个光电传感器组件是为了在检测位置的同时进行方向检测。

在图8中，两维调节四次反射器的原理及构造与两维调节三次反射器相同，在天气并不炎热的地区两维调节三次反射器的反射镜70可以不经过冷镜镀膜处理，不安装太阳能光伏电池。

在图9中，五次反射镜12安装在支撑杆16上，五次反射镜12反射面形状可以根据光发散的需求确定，本实施例中使用球面镜，反射镜的材料可以选择金属、玻璃镀银等多种材料。

在图10中，装置电路由两维***控制电路区A、感光传感电路区B、两维调节反射器控制电路区C、中央处理器电路区D组成。本实施例中，两维***水平电机25和俯仰电机24为直流伺服电机，两维调节三次反射器8和两维调节四次反射器10使用的执行电机42为步进电机，单片机采用MCS8051。控制***工作时，当抛物面聚光器4反射面正对太阳1时，汇聚在二次反射器5表面的光不会照射到感光传感器39a～39d，此时感光传感器接收到的是太阳散射光，而且产生的信号强度相等，没有差动信号传送到中央处理器105；当太阳位置发生变化时，由抛物面聚光器4汇聚后太阳直射光将偏离光学轴X-X，感光传感器39a，39b，39c，39d中的一个或两个传感器将接收到汇聚后光线的照射。

例如，39a与39c代表聚光器4光学轴X-X与太阳高度角偏差方向，当感光传感器39a受到汇聚后光线照射时，感光传感器39c接收到的仍然是太阳散射光的照射，说明抛物面聚光器4光学轴X-X的俯仰角度大于太阳高度角，39a和39c输出的电压值不同，差动放大器112将差值信号放大后经过A/D转换器109传输至中央处理器105，中央处理器105发出控制数据，并将控制数据送到D/A转换器108，将数字量转换成模拟电压，并经过运放器IC107输送到脉宽调制型功率放大器(PWM)106，由PWM106驱动俯仰电机24调整抛物面聚光器4的俯仰角度，直到感光传感器39a与39c输出电压信号值相等，电机转动过程中光电编码器组件29向中央控制器105输出编码信号，由中央控制器记录，并通过编码计算抛物面聚光器4的俯仰位置。同时，中央控制器105根据预先设定的算法向两维调节三次反射器和两维调节四次反射器的步进执行电机42发出驱动信号，本实施例中步进电机的驱动采用由L297和L298组成的集成模块式步进电机驱动器110，步进执行电机42运动时两维调节反射器的光电编码器组件64向中央控制器105发送编码信号，以记录两维调节反射器反射镜的位置。

如果在一个设定的时间内中央控制器没有接收到感光传感器的差动信号，说明太阳已经被云层遮挡，抛物面聚光采光器接收不到太阳直射光线的照射，此时中央控制器将根据内部程序计算此时太阳的高度角和方位角，然后计算此时的高度角及方位角同前一时刻的差值，并利用此差值计算两维***的水平电机及俯仰电机应该运行方向及角度以及两个两维调节反射器的各个电机的运行方向及运行角度，然后利用这些计算结果驱动各个执行电机。

中央处理器同时要计算当日的日出角和日落角以及下一日的日出角，并根据计算结果设定两维***跟踪方位角的极限值，当位置反馈信息提示装置已经达到极限值时，如果感光传感器在设定时间内没有差动信号传送，装置将抛物面聚光器4调整到下一日日出角度后停止，等待下一日日出后继续实现跟踪。

值得说明的是，为了提高设备运行的可靠性，可以在大角度范围内安装多个感光传感器，而且感光传感器可以利用对太阳直射光的感光产生差动信号。

实施例二：

本实施例的前通道式聚光采光装置是为距离建筑物顶部近的楼层设计的。

在图11中，前通道式聚光采光装置和后通道式聚光采光装置77共同安装在建筑物9顶部。

本实施例如图12、13和14所示，前通道式聚光采光装置的实质结构与实施例一基本相同，其组成部分有抛物面聚光器71、两维***3、光学台锥72、光路通道73以及感光传感器39a～39d、编码器以及中央控制***组成。抛物面聚光器71安装在两维***3上，光学台锥72由三根支撑杆6固定在抛物面聚光器71的光学轴X-X上，光路通道73贯穿建筑物9顶部。光路通道由透明顶罩74，反射板75，反射管道76，发散器78构成，反射管道内壁采用镀铝抛光以提高反射效率，也可采用镀银的反射管道。太阳直射光线2经过抛物面聚光器71反射后汇聚，由安装在光学台锥72上的聚光透镜79校正为平行光，平行光中的红外线透过经过冷镜镀膜处理的两维调节二次反射器80的反射镜81被太阳能光伏电池板82吸收并转化为电能，平行光中的可见光被反射镜81反射到光路通道73的反光板，由光路通道73进入室内并由发散器78发散。感光传感器39a～39d均匀分布安装在聚光透镜79是四周。

本实施例中控制***、执行器件以及传动机构同实施例一的后通道式聚光采光装置中的基本结构相同。

实施例三：

在图15中，本实施例以菲涅尔透镜代替后通道式聚光采光装置的抛物面聚光器作为光汇聚元件。两维***3安装在基座板92上，菲涅尔透镜组83由支架93固定安装在基座板92上，聚光透镜84安装在菲涅尔透镜83的焦点，反射镜86安装在透明防护罩85内，太阳能光伏电池板87安装在透明防护罩85底部，二次反射器88固定在基座板92上，两维调节三次反射器90通过三根支撑杆91同基座板92连接。太阳直射光线98镜菲涅尔透镜83汇聚到聚光透镜84，由聚光透镜84校正为平行光，经反射镜86反射到二次反射镜88，再由反射镜88反射到两维调节三次反射器的反射镜89，然后经过两维调节四次反射器、五次反射镜进入室内。本实施例的两维调节四次反射器、五次反射镜、中央控制***、执行器件以及传动机构同实施例一的后通道式聚光采光装置实质结构基本相同。

值得说明的是，本实施例中的聚光器还可以采用低成本的中间充油透镜来代替菲涅尔透镜。

实施例四：

在图16中，本实施例与上述实施例的主要区别在于，采用与实施例一、二和三相同的光收集装置将光汇聚后，在进入室内之前使用光耦合器99、102将光耦合入光导纤维100、103，由光导纤维100、103将光传输至室内后由发散器101、104发散。本实施例中，后通道式聚光采光装置由光耦合器及光纤器件代替实施例一中的五次反射镜，前通道式聚光采光装置由光耦合器及光纤器件代替实施例二中的光路通道。本实施例由于光的长距离传输主要通过反射装置进行，所以同完全使用光导纤维的采光装置相比大大减少了光导纤维的使用数量和长度，可以大幅度降低使用光纤照明的成本。而且，由于光纤长度缩短，所以可以使用液芯光纤作为光传输介质。

除了上述实施例外，本发明还有许多其他实施方式，例如在两维***中采用步进电机代替直流电机，用谐波、行星减速器代替蜗轮蜗杆传动；在两维调节反射器中用凸轮、缆绳、杠杆结构代替丝杆螺母结构；使用PLC或其他种类中央控制器及执行电机驱动器代替本发明实施例的控制元件等。这类等同替换或等效变换形成的技术方案均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自动跟踪太阳，将太阳直射光汇聚并滤除紫外线和红外线后传输到室内用做照明的阳光采光装置。装置由两维***、安装在两维***上的聚光器、安装在聚光器上的二次反射器、安装在聚光器上的两维调节三次反射器、两维调节四次反射器、反射镜、太阳能光伏电池、感光传感器、编码器、中央控制器组成。其特征在于：聚光器将太阳直射光汇聚后，由二次反射器校正为平行光，两维调节反射器将光反射到固定地点，并由反射镜发散地反射入室内，反射镜将红外线和紫外线同可见光分离并将红外线转化为电能。装置的运动由中央控制器控制，执行电机轴上安装编码器以记录电机运行角度。装置将大面积聚光器汇聚后的光校正为平行光后利用反射原理进行长距离传输。

2.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述两维***机械传动机构采用蜗轮蜗杆和丝杆螺母结构，两维调节反射器机械传动机构采用丝杆螺母或绳轮。

3.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述中央控制器利用感光传感器反馈和时钟计算双重原理控制装置跟踪太阳位置。

4.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述执行电机上安装光电编码器或旋转变压器记录执行电机运行角度。

5.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述中央控制器根据聚光器位置控制两维调节反射器运动。

6.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述二次反射器及两维调节反射器的反射镜采用冷镜镀膜处理，将红外线与可见光分离，利用滤紫外防护罩滤除紫外线。

7.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述太阳能光伏电池将红外线转化为电能。

8.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述聚光器采用抛物面反射聚光器或菲涅尔透镜聚光器。

9.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述两维调节反射器将光反射到固定地点后，由光导纤维将光传输进室内并发散。

10.根据权利要求1所述的阳光采光装置，其特征在于：所述两维调节反射器将光反射到光路通道，光通过光路通道进入室内。

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