CN201867653U

CN201867653U - 一种阳光智能入户装置

Info

Publication number: CN201867653U
Application number: CN2010202865111U
Authority: CN
Inventors: 李建敏; 任战雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-08-09

Abstract

本实用新型涉及一种阳光采集导入装置，具体公开了一种阳光智能入户装置。该装置在现有阳光采集导入装置基础上增加了接收卫星授时的GPS模块以及信号处理模块构成的跟踪单元，信号处理模块根据卫星授时信号计算得出一太阳方位角信号以及一太阳高度角信号，机械传动部分根据太阳方位角信号与太阳高度角信号转动以跟踪太阳运行轨迹。本实用新型中，GPS模块与信号处理模块构成的跟踪单元的跟踪模式，与天气变化、光线强弱无关。因此，在阴云、多云等光照不足的条件，本实用新型仍能够根据太阳运行轨道继续跟踪太阳轨迹，从而提高了本实用新型的太阳跟踪性能。

Description

一种阳光智能入户装置

技术领域

本实用新型涉及一种阳光采集导入装置，具体涉及一种阳光智能入户装置。

背景技术

随着建设用地的紧张和建筑功能的日趋复杂，城市建筑趋向高层化和密集化，仅依靠传统的采光方式已经不能满足建筑物内部的采光要求。即使户外阳光灿烂，但大部分办公室、住宅等室内场所也是昏暗阴沉，这在无形之中增加了人工照明的电能损耗，而且对长期在此环境中生活与工作的人们身心健康带来不良影响。

于是便出现了阳光采集导入装置，它能够将室外的阳光导入室内，进而节约电能。该技术核心部分主要包括阳光跟踪技术、阳光采集技术、以及光纤传输技术三部分。

对于固定在地球上的某一点，同一天的不同时刻、同一年的不同季节，太阳的高度角与方位角都不相同，那么阳光跟踪技术就特别重要。因为，只有阳光垂直照射到阳光采集装置上，阳光采集装置的采集效率才最高。

目前的阳光跟踪技术主要通过光探测器探测阳光的高度角与方位角，如我国专利申请号为：200910048562.2，在探测器顶部上安装四个光电传感器(灵敏硅光电池或者光敏电阻)，所述光电传感器分布在探测器顶部已顶部中心为圆心的内接正方形四个顶点上，光电传感器与探测器顶部平面呈45度夹角。当阳光垂直入射时探测器顶部时，相对的两个光电传感器感应到的强度正好相等。当光线与光探测器呈一定角度入射时，相对的两个光电传感器产生的信号出现差异，该差异信号传输给信号处理部分，信号处理部分根据该差异信号驱动机械传动部分转动，实现对阳光的跟踪。

但是，该阳光跟踪装置必须在光电传感器探测到的信号强度大于预先设定的阈值时才能启动。那么在阴云天气，阳光被遮住后光电传感器探测到的信号强度减小，该阳光跟踪装置停止动作，当阳光重新出现时，又需要重新跟踪，所耗时间较长。如果遇见阳光时隐时现的天气，该跟踪装置还容易在频繁的转换过程中损坏。

同时，一年四季的阳光强度差异很大，比如冬天正午的太阳可能还不如夏天的早晨阳光强。那么，启动阈值的设定也将成为该技术的难点，当然阈值设定越低越好，但阈值过低时，阳光采集装置采集到的阳光不足以提供室内照明需求，而且对于光电传感器的精度要求非常高。

由上可知，目前的阳光跟踪技术，在适应天气的复杂多变方面具有较大的不足。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型目的在于种提供一种在阴云、多云等光照不足的复杂天气变化下仍能准确跟踪太阳轨迹的阳光智能入户装置。

为了实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种阳光智能入户装置，包括装配在一起的阳光采集组件、光纤传导组件、光电探测器、信号处理模块以及机械传动部分；所述阳光采集组件与所述光纤传导组件连接；所述光电探测器与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述机械传动部分电连接；在所述信号处理模块上还连接有一接收卫星授时信号的GPS模块。

优选的，所述阳光采集组件包括支撑筒、光学透镜、紫外与红外滤光片以及光纤耦合器；所述光学透镜设置于所述支撑筒的开口处；所述紫外与红外滤光片设置于所述支撑筒的筒身或设置于光纤耦合器内；所述光纤耦合器设置于所述支撑筒的筒底。

优选的，所述光学透镜是菲涅尔透镜、球面透镜或非球面透镜。

优选的，在所述光学透镜上设置有一层可见光增透膜。

优选的，在所述机械传动部分上还架设有太阳能收集储能装置。

优选的，所述太阳能收集储能装置包括光伏电池板以及与所述光伏电池板相连的太阳能蓄电池。

优选的，所述光电探测器与所述阳光采集组件的光轴相互平行。

优选的，所述光纤传导组件中的光纤为大口径聚合物光纤、PMMA塑料光纤、石英光纤。

优选的，所述光电探测器包括一遮光筒；在所述遮光筒顶部中心安装有一小透镜；在所述遮光筒顶部的同心圆的内接正方形顶点上设置有四个室外照度传感器，所述室外照度传感器与所述信号处理模块连接；所述室外照度传感器与所述遮光筒顶部呈45度夹角；在所述遮光筒筒底的同心圆的内接正方形顶点上设置有四个精调跟踪传感器，所述精调跟踪传感器与所述信号处理模块连接。

优选的，所述室外照度传感器和精调跟踪传感器为光敏电阻或硅光电池。

本实用新型在现有阳光采集导入装置基础上增加了接收卫星授时的GPS模块以及信号处理模块构成的跟踪单元，信号处理模块根据卫星授时信号计算得出一太阳方位角信号、以及一太阳高度角信号，机械传动部分根据太阳方位角信号与所述太阳高度角信号转动以跟踪太阳运行轨迹。

由上可知，GPS模块与信号处理模块构成的跟踪单元的跟踪模式，与天气变化、光线强弱无关。在阴云、多云等光照不足的条件，本实用新型仍能够根据太阳运行轨道继续跟踪太阳轨迹。

同时，本实用新型还有光电探测器与信号处理模块构成的跟踪部分，它也可以对太阳轨迹进行跟踪。

由上可知，本实用新型同时拥有两个太阳跟踪部分，从而提高了本实用新型的实用性与跟踪精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型总体结构示意图；

图2为本实用新型阳光采集组件结构示意图；

图3为本实用新型光电探测器结构示意图。

图中：

1、外罩 2、高度角蜗杆减速器

3、高度角步进电机 4、阳光采集组件

5、光纤传导组件 6、方位角步进电机

7、方位角蜗杆减速器 8、光电探测器

9、光纤尾灯 10、俯仰板

11、GPS模块 12、光伏电池板

13、太阳能蓄电池 14、信号处理模块

15、俯仰支架 16、方位板

17、方位支架 18、光纤耦合器

19、光学透镜 20、紫外、红外滤光片

21、支撑筒 22、小透镜

23、室外照度传感器 24、遮光筒

25、精调跟踪传感器 26、信号线

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行示意性说明，实施例以及相关说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型公开了一种阳光智能入户装置，包括多个阳光采集组件4，阳光采集组件4安装在俯仰板10上，俯仰板10左右各伸出一个轴，这两个轴用轴承与俯仰支架15相连，俯仰支架15固定在方位板16上。俯仰支架15上设有高度角步进电机3和高度角蜗杆减速器2，高度角步进电机3通过高度角蜗杆减速器2驱动俯仰板10，实现太阳高度角跟踪，高度角步进电机3和高度角蜗杆减速器2受信号处理模块14的控制。

如图2所示，阳光采集组件4包括支撑筒21、光学透镜19、紫外与红外滤光片20以及光纤耦合器18。其中，光学透镜19设置于支撑筒21的开口处；紫外与红外滤光片20设置于支撑筒21的筒身，当然，该紫外与红外滤光片20还可设置在光纤耦合器内；光纤耦合器18设置于支撑筒21的筒底，光纤耦合器18与光纤传导组件5连接，在室内位于光纤传导组件5的末端连接有光纤尾灯9，从而将将室外的阳光导入室内。

需要说明的是，本实用新型不限于此，其中光学透镜19，可以是球面透镜，也可用非球面透镜或菲涅尔透镜替代；其中紫外与红外滤光片20，不仅仅可以设置于支撑筒21的筒身(即位于光学透镜19后)，还可以设置于光学透镜19前，同样可以设置在光纤耦合器内。

为了保持光纤的耦合效率与传输效率，同时降低成本，所述光纤传导组件中的光纤为大口径聚合物光纤、PMMA塑料光纤或石英光纤。

为了提高阳光采集效率，在光学透镜19上设有可见光增透膜；为了减小光线的采集过程中的衰减，在所述支撑筒21内壁设置有一反射层。

为了防止雨水、灰尘等对本实用新型的影响，在阳光采集组件4外设有一个亚克力或ETFE半球形外罩1。

阳光采集组件4的光学透镜19将大面积的阳光通过折射、聚焦压缩导入光纤传导组件5，实现最大效率的阳光采集与传输。并通过紫外与红外滤光片20进行有害射线过滤，其利用透镜聚焦光谱分离原理，在光轴线上将阳光中紫外、红外及其它有害射线进行分离，通过光纤精确定位在可见光光谱上，让其进入光纤，物理排除绝大部分阳光中的有害成分。

本实用新型阳光采集传导原理是太阳光穿过亚克力球罩1，紫外与红外滤光片20后，绝大多数紫外和部分红外被滤除掉，可见光通过光学透镜19聚光后，在满足光纤数值孔径的基础上入射到光纤耦合器18，通过亚克力球罩1、光学透镜19、以及紫外与红外滤光片20和光纤材料实现紫外多级拦截，得到安全阳光和健康阳光，本实用新型独有的光学镜头设计可以实现99％的光纤聚光效能，使塑料光纤或聚合物光纤以最低的损耗传输，距离可达50米以上。

如图1所示，在俯仰板10上安装有光电探测器8，光电探测器8与阳光采集组件4的光轴相互平行，以保证太阳光线时刻都能垂直入射。

如图3所示，光电探测器8包括：小透镜22、四个室外照度传感器23、遮光筒24、四个精调跟踪传感器25。室外照度传感器23和精调跟踪传感器25为光敏电阻或硅光电池。小透镜22安装在遮光筒24顶部中心。四个室外照度传感器23安装在遮光筒24顶部的同心圆的内接正方形顶点上，该室外照度传感器23与信号处理模块14连接，将其感应到的信号传输给信号处理模块进行处理。室外照度传感器23与遮光筒24顶部呈45度夹角，以保证阳光垂直入射时，相对的两个传感器信号相等。四个精调跟踪传感器25安装在遮光筒24的筒底的同心圆的内接正方形顶点上，它们也与信号处理模块14连接，将其感应到的信号传输给信号处理模块进行处理。设置遮光筒24的目的是为了对外界环境的散射光及其他干扰光线进行屏蔽，使得外界的干扰光源对跟踪效果的影响降到最低，提高跟踪精度。

如图1所示，在俯仰支架15上还安装有GPS模块11，用于接收卫星授时信号。该GPS模块11通过信号线26与信号处理模块14连接，信号处理模块14可通过卫星授时信号完成初始化经纬度测定、以及太阳高度角和太阳方位角的计算，其中，太阳高度角和方位角的计算是根据太阳、地球公自转模型实时计算的，该计算方法在天文学上是公知技术。

如图1所示，本实用新型的机械传动部分主要包括安装在俯仰支架15 上的高度角步进电机3和高度角蜗杆减速器2，以及位于机械传动部分底部的方位角步进电机6和方位角蜗杆减速器7，它们都受信号处理模块的控制。

由上可知，可将本实用新型的太阳跟踪部分分为粗跟踪部分、以及精跟踪部分，所述粗跟踪部分包括GPS模块11、以及信号处理模块14，所述精跟踪部分包括光电探测器8、以及信号处理模块14。

本实用新型使用时，可配合室内开关以及室内光照感应器。首先，判断室内开关状态，当室内有阳光导入需求时，信号处理模块14采集室外照度传感器23的光照强度信号，当室外光照强度信号之和大于设定阈值时，***启动粗调模式：信号处理模块14自动获取GPS模块11的卫星授时信号，由信号处理模块14根据卫星授时信号，按照太阳、地球公自转模型实时计算太阳方位角和高度角，得到太阳高度角信号与太阳方位角信号；然后，信号处理模块14控制机械传动部分：高度角步进电机3、高度角蜗杆减速器2、方位角步进电机6和方位角蜗杆减速器7向太阳方向转动，实现粗调跟踪阳光的功能。

当粗跟踪到位后，跟踪模式转为精跟踪模式：小透镜22与四个精调跟踪传感器25垂直，四个精调跟踪传感器25的中心位于小透镜光轴上，精调跟踪传感器25与小透镜22的距离前向离焦。当入射光线与小透镜22有一微小夹角时，聚焦光斑将不在四个精调跟踪传感器25的中心，这将引起四个传感器的信号产生偏差，信号处理模块14将控制机械传动部分向信号弱的方向转动，使得太阳光线垂直入射到阳光采集组件4上。当光斑落到四个精调跟踪传感器25中心时，四个精调跟踪传感器25的偏差小于设定阈值，认为此时对准太阳，***暂停转动。

由上可知，本实用新型通过粗跟踪部分、以及精跟踪部分相结合，在阴云、多云等光照不足的条件，粗跟踪部分仍能够根据太阳运行轨道继续跟踪阳光，一旦室外照度传感器信号大于设定阈值时，进入精调模式，继续导入阳光，从而彻底解决其他技术解决不了的阴天、多云等复杂气象条件下的不足。

如图1所示，为了使得本实用新型更具有实用性，在机械传动部分上还架设有太阳能收集储能装置，太阳能收集储能装置包括光伏电池板12、以及与光伏电池板12相连的太阳能蓄电池13，以及安装在室内的依靠太阳能蓄电池13供电的辅助照明装置。

光伏电池板12在白天收集太阳能进行光伏发电，并将电能储存到太阳能蓄电池13中。夜晚来临时，当信号处理模块14发现室内照度不够时，向太阳能蓄电池13发布打开辅助照明指令，辅助照明装置利用太阳能蓄电池为室内提供基础照明。

本实用新型中的信号处理模块，除了连接GPS模块和光电探测器外，还是整个***的控制和管理中心，可以通过室内控制面板实现***的开关机；同时可以通过室内光照感应器探测室内照度以实现健康阳光入户***和室内传统照明***的混合控制和集成。当健康阳光入户***提供的阳光不足以提供基础照明时，信号处理模块可以探测房间人员占用情况，当有人员占用并且照度不够时，可自动打开灯光照明***并进行调光控制。混合照明控制时***优先使用太阳能蓄电池的能源。

本实用新型通过对跟踪部分(GPS模块、光电探测器以及信号处理模块)、采集部分(阳光采集组件)、以及传输部分(光纤传导组件)的改进，提高了本实用新型适应天气与气候变化的性能。同时，提高了本实用新型的跟踪精度、阳光采集效率以及传输效率。不仅如此，本实用新型还增加了太阳能收集储能装置和室内照明混合控制，提高了本实用新型的实用性。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种阳光智能入户装置，其特征在于：包括装配在一起的阳光采集组件、光纤传导组件、光电探测器、信号处理模块以及机械传动部分；所述阳光采集组件与所述光纤传导组件连接；所述光电探测器与所述信号处理模块连接，所述信号处理模块与所述机械传动部分电连接；在所述信号处理模块上还连接有一接收卫星授时信号的GPS模块。

2.根据权利要求1所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述阳光采集组件包括支撑筒、光学透镜、紫外与红外滤光片以及光纤耦合器；所述光学透镜设置于所述支撑筒的开口处；所述紫外与红外滤光片设置于所述支撑筒的筒身或设置于光纤耦合器内；所述光纤耦合器设置于所述支撑筒的筒底。

3.根据权利要求2所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述光学透镜为菲涅尔透镜、球面透镜或非球面透镜。

4.根据权利要求2所述的阳光智能入户装置，其特征在于：在所述光学透镜上设置有一层可见光增透膜。

5.根据权利要求1所述的阳光智能入户装置，其特征在于：在所述机械传动部分上还架设有太阳能收集储能装置。

6.根据权利要求5所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述太阳能收集储能装置包括光伏电池板以及与所述光伏电池板相连的太阳能蓄电池。

7.根据权利要求1所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述光电探测器与所述阳光采集组件的光轴相互平行。

8.根据权利要求1所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述光纤传导组件中的光纤为大口径聚合物光纤、PMMA塑料光纤或石英光纤。

9.根据权利要求1所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述光电探测器包括一遮光筒；在所述遮光筒顶部中心安装有一小透镜；在所述遮光筒顶部的同心圆的内接正方形顶点上设置有四个室外照度传感器，所述室外照度传感器与所述信号处理模块连接；所述室外照度传感器与所述遮光筒顶部呈45度夹角；在所述遮光筒筒底的同心圆的内接正方形顶点上设置有四个精调跟踪传感器，所述精调跟踪传感器与所述信号处理模块连接。

10.根据权利要求9所述的阳光智能入户装置，其特征在于：所述室外照度传感器和精调跟踪传感器为光敏电阻或硅光电池。