CN202048493U - 棱镜式阳光导向器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种棱镜式阳光导向器，属于太阳能应用技术领域；该装置主要由自动追踪阳光，并自动调节透明组合棱镜和反光镜的角度，以折射和反射效率的面积最大化传输光路垂直向下，并可射向配套的固定位置的二级方向反光镜上，再反射三级方向反光镜，通过漫射器将阳光传输到室内；装置含盖透明组合棱镜、反光镜、光导管、采光折射和反射传输***、感光探测传感器、追踪控制***、机械传动装置、阳光转化电能***、方向限位开关、通风器、半球圆柱形透明防护罩、透明平板；该装置适合高层建筑楼，利用屋顶阳光改善高楼内的光线，让高楼的内部各处变得如同室外一样明亮，具有阳光的长距离传输，节省了光纤，成本低，采光效率高的特点。
Description
技术领域：
本实用新型公开了一种阳光自动追踪并通过透明组合棱镜和反光镜传输阳光的照明装置，属于太阳能应用技术领域。
背景技术：
照明是人类消耗能量最多的一项需求。据统计，发达国家的照明能耗占总能耗的9％以上，我国发达地区的照明能耗占总能耗的6％～9％。以美国为例，每天花在照明上的费用高达1亿美元以上，占全部发电量的1/4左右，而在照明用电中真正用于发光的不过25％，其余则变为了热能。
众所周知，太阳光是最典型、能量最强的自然光源，并且取之不尽，用之不竭。但实际上，仅有很少的太阳光通过玻璃窗、天窗，为人们用做室内照明，因此进一步开发利用太阳光不仅具有极大的潜力，可以有效节能，同时也符合人类追求高品质生活质量和生活环境的现代生活理念。
太阳光光纤采光照明技术由于具有***体积小巧、照明方式特殊等优点，因此长期以来一直是国外的研究热点之一。这项技术通过聚光元件高效采集太阳光，借助柔软的光纤将太阳光很方便地传至任何所需场所使用，并且为提高采光效率，整机还配备有实时、精确跟踪太阳的装置。本实用新型申请人对该课题也进行了长期深入的研究，其核心技术成果曾向国家知识产权局提交过申请号为：200710022259.6、200810196402.8多项专利申请，其中已授权的200720037444.8《阳电采光器》公开了一种有聚光采光器、驱动聚光采光器转动的机械传动装置、控制机械传动装置的光信号反馈处理电路、向光信号反馈处理电路传送探测信号的光敏探测传感器组成的采光装置。该装置的具体情况可以参见已公开的专利文件，有光自动跟踪控制的基本过程为：当光敏探测传感器中的探测传感器件感知太阳光入射光线角度变化时，将向跟踪控制电路发出相应信号，在跟踪控制电路中信号经比较、放大处理后，控制机械传动机构向调整入射光线的相应方向运转，直至太阳光入射角度达到理想状态。
虽然本实用新型申请人经过对聚光、跟踪、传光等多项技术的成功攻关，使自行研制的自动跟踪太阳采光装置的性能价格比已处于国际领先水平，但由于该装置对光纤的长距离、低损耗传输性能和低成本制造技术要求都很高，而特定光纤的传输波长受到限制，加之国内家庭经济承受能力有限，因此尚未能在国内得到大面积推广应用。
发明内容：
基于上诉情况，本实用新型的目的在于：避开上述技术中采用传光光纤存在的高传输性 能与价格的矛盾，提出一种长距离、高效率、全光谱、低成本采集并传输太阳光的棱镜式阳光导向器，从而使其适合国情，得以推广。
为了达到上述目的，本实用新型采集阳光的一种棱镜式阳光导向器基本技术方案为：透明组合棱镜、反光镜、光导管、采光折射和反射传输***、感光探测传感器、追踪控制***、机械传动装置、阳光转化电能***、方向限位开关、通风器、半球圆柱形透明防护罩、透明平板、底座所组成；本装置在工作时，环境光感光探测传感器检测环境光的亮度以此来判断是否有太阳；方位角感光探测传感器向控制***提供太阳东西方向位置信息，通过方位角感光探测传感器的太阳位置的检测，驱动透明组合棱镜和反光镜围绕电机I轴作东、西平面方向角度调整；在透明组合棱镜上装有高度角感光探测传感器，向控制***提供太阳南北方向位置信息，通过高度角感光探测传感器对太阳位置和朝向的检测，驱动透明组合棱镜和反光镜围绕II号轴作南、北高度方向角度调整自动调节透明组合棱镜和反光镜的折射和反射角度；并在朝北向位置和侧面位置，各装有两个对应的方向限位开关；从而自动实现透明组合棱镜和反光镜完成跟踪太阳所需的任何空间角度的运动调整，工作稳定可靠，从而进一步提高整机性能；并以折射和反射效率的面积最大化传输光路垂直向下，并且可以使光路传输到固定位置的二级方向反光镜上，再反射三级方向反光镜，以及可以继续不断再反射到多级方向控制反光镜上，再通过漫射器将阳光传输到室内。
在本实用新型上述技术方案基础上的进一步改进是：
所述的透明组合棱镜为棱镜平面连接组合，材质采用聚碳酸酯加工性良好及耐气候性能良好的高折射材料；其表面形状为上面三角直齿横行组合，下面为平面。
所述的反光镜为冷光反射镜面，其材质为金属铝、不锈钢、玻璃、塑料，且工作表面均须经过真空镀银膜制镜处理；反光镜为平面反射镜也可为凹曲面聚光反光镜或凸曲面扩光反光镜。
所述的透明平板为浮法白玻璃或钻石白玻璃，以及亚克力材质的环带状螺纹透镜组合平板。
所述的追踪控制***是环境光感光探测传感器、方位角感光探测传感器和高度角感光探测传感器将东西南北方向的太阳能信号转换成电信号；中央处理电路：对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路：有驱动器、限位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器控制电机动作。
值得一提的是：为了防止灰尘聚集，装有半球圆柱形透明防护罩，其材质为亚克力或PC+UV透光板，表面至少被覆一层一定厚度的防止光线在表面上反射用的氟系列防反射膜。
本实用新型的有益效果是：透明组合棱镜和反光镜折射和反射效率的面积最大化其光路始终垂直朝向下传输，并且可以使光路传输到固定位置的二级方向反光镜上，再反射三级方向反光镜，以及可以继续不断再反射到多级方向控制反光镜上，再通过漫射器将阳光传输到室内；使采集的光得到最大效果的利用，有效降低了成本；设施安装方便灵活，可以适应各种建筑形成的需要，尤其可以应用于高层建筑楼，利用屋顶阳光改善高楼内的光线。综上所述，本实用新型不仅能传输可见光，还能传输红外光、紫外光，因此真正实现了太阳光的全光谱利用；具有设计方案科学合理，适合各种建筑的大面积采光需求，同时经济适用，采光效果高。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：
图1是棱镜式阳光导向器折射和反射结构正视示意视图；
图2是棱镜式阳光导向器折射和反射结构俯视示意视图；
图3是透明组合棱镜示意视图；
图4是透明组合棱镜俯视示意视图。
具体实施方式：
参见图1-4所示，示意了一种设施的结构与工作原理，图中的1是高度角感光探测传感器，2是夹持器，3是U形架，4是南北向A限位开关，5是光伏电池，6是I号轴电机，7是光导管，8是半球圆柱形透明防护罩，9是方位角感光探测传感器，10是漫射器，11是反光镜，12是南北向B限位开关，13是电机支架，14是透明组合棱镜，15是链轮，16是II号轴电机，17是链条，18是透明平板，19是底座，20是高层建筑，21是第二级方向反光镜，22是第三级方向反光镜，23是通风器，24是微机全自动程序控制器，25是蓄电池，26是环境光感光探测传感器，27是东西方向A限位开关，28是东西方向B限位开关，29是太阳，30是支撑架。由此可见：一种棱镜式阳光导向器，主要包括反光镜、透明组合棱镜、感光探测传感器、追踪控制***、机械传动装置、方向限位开关、阳光转化电能***、光导管、半球圆柱形透明防护罩所组成。
反光镜11和透明组合棱镜14安装在夹持器2上，夹持器可根据反光镜和透明组合棱镜的大小和形状任意调节，采集最大面积汇聚阳光，将阳光折射和反射传输光路垂直向下；并且可以使光路传输到固定位置的二级方向反光镜21上，再反射三级方向反光镜22，以及可以继续不断再反射到多级方向控制反光镜上，再通过漫射器10将阳光传输到室内。
感光探测传感器是在设有检测太阳光位置的传感器分为三组：环境光感光探测传感器26、方位角感光探测传感器9、高度角感光探测传感器1；环境光感光探测传感器26检测环境光的亮度以此来判断是否有太阳；方位角感光探测传感器9向控制***提供太阳东西方向位置 信息，通过方位角感光探测传感器的太阳位置的检测，驱动反光镜和透明组合棱镜围绕I号轴6作东、西平面方向角度调整；在反光镜下方透明平板18装有高度角感光探测传感器1，向控制***提供太阳南北方向位置信息，通过高度角感光探测传感器对太阳位置进行朝向的检测，驱动反光镜和透明组合棱镜围绕II号轴16作南、北方向角度调整自动调节反光镜和透明组合棱镜的折射或反射角度，并使反光镜和透明组合棱镜的反射和折射光路垂直向下；并在朝北向位置28、27和侧面位置4、12，各装有两个对应的限位开关；从而自动实现反光镜和透明组合棱镜完成跟踪太阳所需的任何空间角度的运动调整，工作稳定可靠，从而进一步提高整机性能；以折射和反射效率的面积最大化传输光路垂直向下；并且可以使光路传输到固定位置的二级方向反光镜21上，再反射到三级方向反光镜22，以及可以继续不断再反射到多级方向控制反光镜上，再通过漫射器10将阳光传输到室内。
追踪控制***是方位角感光探测传感器9和高度角感光探测传感器1将东西南北方向的太阳能信号转换成电信号；中央处理电路：对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路：有驱动器、限位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器控制电机动作；追踪控制***可以借用《太阳光聚光器控制***》专利号200910026741.6和《一种太阳聚光器的控制方法》专利号200910031297.7等专利的现有技术。
机械传动装置包括I号轴电机6机构、II号轴电机15、16、17机构；电机支架13安装I号轴电机6并固连U形架3，II号轴电机16固定在U形架3上，II号轴电机16固连链轮15，反光镜11、透明组合棱镜14通过链条17连接，反光镜11、透明组合棱镜14安装在夹持器2上，要使反光镜11、透明组合棱镜14以最大面积折射和反射阳光传输光路垂直向下；并且可以使光路传输到固定位置的二级方向反光镜21上，再反射三级方向反光镜22，以及可以继续不断再反射到多级方向控制反光镜上，再通过漫射器10将阳光传输到室内；特在带底座19朝北方向对中左右位置，装有27、28、两个东西方向A、B限位开关，链轮15侧面位置，装有4、12两个南北方向A、B限位开关，U形架3安装上方位角感光探测传感器9和环境光感光探测传感器26，底座19下方安装透明平板18，透明组合棱镜14上装有高度角感光探测传感器1，这样，当太阳位置发生变化时，太阳光追踪传感器将太阳位置信号传递给追踪控制***，驱动机械传动装置动作，即I号轴电机6通过U形架3围绕I号轴的轴线作东西向位置调整，同时II号轴电机16，并经链轮15链条17的驱动下，反光镜11、透明组合棱镜14采光折射和反射传输***还围绕II号轴的轴线作南北向倾角调整，其复合运动的结果使采光***的采光面可以始终正对太阳，保持最有效的采光折射和反射。
阳光转化电能***是由光伏电池组件5、蓄电池25、控制器、构成；由太阳能光伏电池板组件5将太阳能辐射直接转化为电能，作为发电***，让电池板电源经过控制***给蓄电池充电，当蓄电池电源达到一定程度时，控制***内设的自动保护***动作，电池板自动切断电源，实行自动保护；用作电机驱动。
实践证明，一种棱镜式阳光导向器不耗电、长距离、高效率、全光谱、低成本地采集并传输太阳光，并且工艺简单，便于推广应用。
本实用新型提供了一种棱镜式阳光导向器结构原理的思路，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本实用新型和保护范围。
Claims (5)
1.一种阳光自动跟踪的棱镜式阳光导向器的传输照明装置，由透明组合棱镜、反光镜、采光折射和反射传输***、感光探测传感器、追踪控制***、机械传动装置、阳光转化电能***、方向限位开关、光导管、通风器、半球圆柱形透明防护罩、透明平板所组成；其中：透明组合棱镜和反光镜的位置近似90°相对转动状态；所述的采光折射和反射传输***包含透明组合棱镜、反光镜、光导管、透明平板；所述的感光探测传感器为环境光感光探测传感器、方位角感光探测传感器、高度角感光探测传感器；追踪控制***包含太阳光追踪感光探测传感器、微机全自动程序控制器、以及机械传动装置；其特征在于：通过设有检测太阳光位置的感光探测传感器、方向限位开关、由控制***向机械传动装置的电机输送控制指令，控制驱动透明组合棱镜、反光镜作东西方向、南北方向转动调整，将采集最大面积汇聚阳光，折射和反射传输到指定位置上；电机供电来源于太阳能光伏电池转化的电能。
2.根据权利要求1所述棱镜式阳光导向器，其特征在于：I号轴电机直接安装在电机支架中心，通过I号电机轴芯的平键与U形架固连，夹持器用螺钉连接在U形架上，透明组合棱镜、反光镜装在夹持器上，U形架侧面安装II号轴电机，II号轴电机由平键连接链轮，通过链条连接透明组合棱镜和反光镜，底座内壁装有光导管，底座底部装上透明平板，半球圆柱形透明防护罩和通风器装在底座上部，底座装在支撑架上，支撑架与楼顶用地脚螺栓连接，在朝北方向对中左右位置，装有两个东西方向A、B限位开关，链轮侧面位置，装有两个南北方向A、B限位开关，U形架上安装方位角感光探测传感器和环境光感光探测传感器，透明组合棱镜上装有高度角感光探测传感器，光伏电池组件、蓄电池、微机全自动程序控制器安装在支撑架上。
3.根据权利要求1所述棱镜式阳光导向器，其特征在于所述的设有阳光转化电能***是由光伏电池组件、蓄电池、控制器、驱动负载构成。
4.根据权利要求1所述棱镜式阳光导向器，其特征在于所述的透明组合棱镜采用聚碳酸酯材料；其表面形状为上面正三棱柱体组合平行透明板，下面为平面；所述的反光镜为冷光平面反射镜也为凹曲面聚光反光镜或凸曲面扩光反光镜；其材质为金属铝、不锈钢、玻璃或塑料，且工作表面均须经过真空镀银膜制镜处理。
5.根据权利要求1所述棱镜式阳光导向器，其特征在于所述的追踪控制***是方位角感光探测传感器和高度角感光探测传感器将东西南北方向的太阳能信号转换成电信号；中央处理电路：对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路：有驱动器、限位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器 控制电机动作。
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