CN101017219A

CN101017219A - 应用非成象聚光器的太阳光光导管系统

Info

Publication number: CN101017219A
Application number: CN 200710063715
Authority: CN
Inventors: 马重芳; 王伟; 吴玉庭; 李双菊
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2007-08-15

Abstract

本发明涉及一种应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，属绿色照明和可再生能源利用领域。该系统包括依次连接的透光装置(1)、非成象聚光器(2)、光导管(3)、散光装置(4)，非成象聚光器设置在屋顶(7)外，整个系统密闭增大了光导管的采光量，大大提高了太阳光光导管系统的照明效率；非成象聚光器根据边缘光线原理设计而成，光损失小，聚光效果好；本非成象聚光器设计为三维小型聚光器，与光导管本体紧密连接。非成象聚光器设置在屋顶外，不会增加屋顶内安装孔的尺寸；根据应用的场合不同，非成象聚光器的形式和光导管布置形式可灵活多样；该系统的结构简单，造价低廉，而且提高了光导管装置太阳能光能直接利用的效率。

Description

应用非成象聚光器的太阳光光导管系统

技术领域

本发明涉及一种应用非成象聚光器的太阳光光导管照明系统，属绿色照明和可再生能源利用领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，照明用电占全球总发电量的份额越来越大，照明能耗已成为人类所有能源消耗中重要的一项。照明用电的迅速增加，增大了电网负荷，使电力投资也随之增大，同时加速了能源的消耗和环境的污染。太阳光是最典型、能量最强的自然光源，取之不尽，用之不竭，且光色好，是最佳的照明光源。有效利用自然光，不但可以减少室内照明和空调用电，还可以改善视觉效果，提高舒适度。为此利用太阳光的绿色照明技术在室内照明领域具有很好的应用前景。

在自然光照明技术中，太阳光光导管技术是最有效的一种。它具有诸多令人们满意的优点。首先，太阳光光导管能够把太阳光有效地传递到室内阴暗的房间或者易燃易爆等不适宜采用电光源的房间，并能使光均匀的分布于空间内，可以取得良好的采光照明效果，还能有效地减少电能消耗。再有，采用太阳光光导管照明不会产生多余热量，利用光导管传输的太阳热量也比窗户少，夏天可减少房间的冷负荷，冬天可防止热量损失，对于建筑节能具有积极意义。另外，以太阳光为光源的光导管可以避免由于使用单一色光的电光源而造成的室内光污染即眩光问题，可以提高室内环境品质，改善视觉效果，提高舒适度。而且光导管整个系统的所有零部件全部采用可回收的材料制成，能做到全生命周期的环保。对于环境保护具有积极意义。光导管还可以用于办公楼、住宅、商店、旅馆等建筑的地下室或走廊的自然采光或辅助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太阳能光利用的一种有效方式。

然而目前在我国，太阳光光导管技术的市场推广还存在诸多困难，其中技术上很关键的一个问题就是光导管的传光效率较低。目前市场上的光导管产品没有安装专门的聚光装置，一般只是在室外采用半球形或钻石型等形式的采光罩，只能自然的、被动的收集自然光，这使得太阳光光导管系统的传光效率较低，为满足照明的要求，不得不采用更大尺寸的光导管装置，不仅增加了成本，还使得光导管装置的建筑一体化难度加大。而目前在太阳能光电利用、通信工程等领域所采用的二维或三维跟踪太阳的聚光系统，由于造价昂贵，聚光比很高，聚光后的热效应非常明显，也不适用于照明工程，所以目前市场上并没有适合光导管的聚光装置。因此，太阳光光导管技术要想进一步提高其市场推广的潜力就必须提高装置的光传输效率，而太阳光光导管系统各部分中最有提高潜力的就是采光部分，所以设计高效合理的聚光装置对光导管技术的实用化非常关键。而光导管所需要的聚光装置应具备有一定的聚光比、没有聚光后的热效应和价格低廉等特点，目前还没有能够满足这些要求的装置。

发明内容

本发明的目的是设计一种高照明效率的太阳光光导管照明系统。该系统的特点在于：聚光装置采用非成象聚光器，增大了光导管的采光量，大大提高了太阳光光导管系统的照明效率；非成象聚光器根据边缘光线原理设计而成，光损失小，聚光效果好；本非成象聚光器设计为三维小型聚光器，与光导管本体紧密连接；非成象聚光器设置在屋顶外，不会增加屋顶内安装孔的尺寸；根据应用的场合不同，非成象聚光器的形式和光导管布置形式可灵活多样；该系统的结构简单，造价低廉，而且提高了光导管装置太阳能光能直接利用的效率。

本发明设计的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统所采用的技术方案参见附图1、2，图1为系统示意图，图2为聚光器结构图。系统包括透光装置1、光导管3、设置在光导管上的散光装置4，其特征在于在透光装置1和光导管3之间采用非成象聚光器2，设置在屋顶7外，并和透光装置1和光导管3紧密连接，整个系统密闭。

所述的非成象聚光器2为不跟踪太阳的三维小型聚光器，其横截面为圆形。

所述的非成象聚光器2的形式为复合抛物面聚光器或者锥形聚光器。

所述的非成象聚光器2的入口垂直于聚光器的中心线；或者与聚光器的中心线成一锐角。

所述的聚光器内壁为对可见光具有反射率大于80％的反射膜。

所述的复合抛物面聚光器的复合抛物面方程为：

(rcosθ_max+zsinθ_max)²+2R(1+sinθ_max)²r-

2Rcosθ_max(2+sin_max)z-R²(1+sinθ_max)(3+sinθ_max)＝0

其中，纵坐标z为聚光器高度方向，横坐标r为聚光器宽度方向，坐标原点为聚光器出口的中心，聚光器的出口半径为R，等于光导管的半径，最大集光角为θ_max，等于当地的纬度值。

所述的透光装置1的形式包括拱顶型，平板型。

所述的透光装置1设置有防红外膜16。

所述的透光装置1的制作材料为透射系数系数为在0.7以上的无色的有机玻璃或玻璃钢。

本发明将非成象聚光器应用于太阳光光导管系统的采光，增大了系统的采光量，提高了系统的传光效率，减小了光损失；聚光器置于屋顶之上，可以减小光导管的尺寸，更有利于与建筑物结合；室内照度均匀，散热很少，可在白天完全替代人工照明。本发明设计的照明系统，有效的提高了太阳光光导管系统的照明效率。

附图说明

图1，应用非成象聚光器的太阳光光导管系统的系统示意图；

图2，应用非成象聚光器的太阳光光导管系统的复合抛物面聚光器示意图，Z轴为聚光器轴，Z轴与抛物面轴的夹角为θ_max；

图3，应用非成象聚光器的太阳光光导管系统顶采光平屋顶剖面示意图；

图4，应用非成象聚光器的太阳光光导管系统顶采光斜屋顶剖面示意图；

图5，应用非成象聚光器的太阳光光导管系统侧采光剖面示意图；

其中，图1～5中：1-透光装置；2-非成象聚光器；3-光导管；4-散光装置；5-防雨板；6-水泥砌块；7-屋顶；8-外墙；9-楼板；10-吊顶；11-自宫钉；12-密封圈；13-密封胶；14-拉铆钉；15-膨胀螺栓；16-防红外膜。

具体实施方式

本发明设计的照明系统，适合用于白天暗厅，走廊，地下空间，易暴空间以及办公场所，公共场所等的照明，本发明也可用于各种普通的室内照明。在具体实施方案中，屋外采光装置的位置和光导管的形式可根据实际情况确定。下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施方案1

方案参见图3，本实施例的系统应用在一间平屋顶的房间。包括建筑物的屋顶7和应用非成象聚光器2的光导管系统。该系统采用的非成象聚光器为对称的复合抛物面聚光器，聚光器出口直径即光导管直径为0.36m，入口直径为0.72m，该系统应用于北京地区，故θ_max取40°，所以抛物面的方程为：

(0.766r+0.643z)²+0.972r-0.729z-0.194＝0(-0.36≤r≤0.36)

透光装置1为拱顶型，表面为防红外膜16。室外日光通过透光装置1的集光并通过非成象聚光器2进行聚光，通过光导管3并通过散光装置4将太阳光均匀的导入室内，实现自然光照明。透光装置1与非成象聚光器2的固定采用自宫钉11固定，采用密封圈12和密封胶13密封，以便整个系统密封。聚光器2和光导管3的联接采用承插的方式，并用拉铆钉14固定。光导管的室外部分套有防雨板5，并用水泥砂浆和砌块现场施工制作水泥砌块6，使系统与屋顶紧密结合，以达到防水和防潮的作用。该系统为通用系统，可为任何纬度地区的建筑提供绿色照明的作用。

实施方案2

方案参见图4，本实施例的系统应用在一间坡屋顶的房间。包括建筑物的坡屋顶7和应用非成象聚光器2的光导管系统。该系统采用的非成象聚光器为锥形聚光器，聚光器的入口与聚光器轴有一定夹角，这样可提高聚光器的入口面积和减少聚光器尺寸；考虑到安装问题，透光装置1选用平板型，表面为防红外膜16。室外日光通过透光装置1的集光并通过非成象聚光器2进行聚光，通过光导管3并通过散光装置4将太阳光均匀的导入室内，实现自然光照明。透光装置1与聚光器2的固定采用自宫钉11固定，采用密封圈12和密封胶13密封，以便整个系统密封。聚光器2和光导管3的联接采用承插的方式，并用拉铆钉14固定。光导管的室外部分套有防雨板5，并用水泥砂浆和砌块现场施工制作水泥砌块6，使系统与屋顶紧密结合，以达到防水和防潮的作用。本实施方案将光导管引致吊顶10下，很好的与室内装修协调一致。此外，该方案未采用弯头，可有效的减少光损失，这与常规的光导管有很大不同。该系统适用于纬度较低的地区的房间提供绿色照明的作用。

实施方案3

方案参见图5，本实施例的系统应用在多层建筑中间层的一个房间。包括建筑物的外墙8和应用非成象聚光器的光导管系统。该系统采用的非成象聚光器为复合抛物面聚光器，聚光器的入口与聚光器轴有一定夹角，这样可提高聚光器的入口面积和减少聚光器尺寸；考虑到安装问题，透光装置1选用平板型，表面为防红外膜16。室外日光通过透光装置1的集光并通过非成象聚光器2进行聚光，通过光导管3并通过散光装置4将太阳光均匀的导入室内，实现自然光照明。透光装置1与聚光器2的固定采用自宫钉11固定，采用密封圈12和密封胶13密封，以便整个系统密封。聚光器2和光导管3的联接采用承插的方式，并用拉铆钉14固定。光导管的室外部分套有防雨板5，并用膨胀螺栓15固定在外墙8上。本实施方案将光导管引致吊顶10下，很好的与室内装修协调一致。该系统可为多层建筑的非顶层房间提供绿色照明的作用。

Claims

1、应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，包括透光装置(1)、光导管(3)、设置在光导管上的散光装置(4)，其特征在于：透光装置(1)和光导管(3)之间采用非成象聚光器(2)，设置在屋顶(7)外，并和透光装置(1)、光导管(3)紧密连接，整个系统密闭。

2、根据权利要求1所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的非成象聚光器(2)为不跟踪太阳的三维小型聚光器，其横截面为圆形。

3、根据权利要求1所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的非成象聚光器(2)的形式为复合抛物面聚光器或者锥形聚光器。

4、根据权利要求2所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的非成象聚光器(2)的入口垂直于聚光器的中心线；或者与聚光器的中心线成一锐角。

5、根据权利要求2所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的聚光器内壁为对可见光具有反射率大于80％的反射膜。

6、根据权利要求3所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的复合抛物面聚光器的复合抛物面方程为：

(rcosθ_max+zsinθ_max)²+2R(1+sinθ_max)²r-

2Rcosθ_max(2+sin _max)z-R²(1+sinθ_max)(3+sinθ_max)＝0

7、根据权利要求1所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的透光装置(1)的形式包括拱顶型，平板型。

8、根据权利要求7所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于：所述的透光装置(1)设置有防红外膜(16)。

9、根据权利要求7所述的应用非成象聚光器的太阳光光导管系统，其特征在于所述的透光装置(1)的制作材料为透射系数系数为在0.7以上的无色的有机玻璃或玻璃钢。