CN101592309A - 太阳光导入采光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳光导入采光装置，包括装配在一起的光探测器，信号处理部分，导入光纤部分，以及用于驱动的机械传动部分，所述光探测器包括精跟踪传感器，粗跟踪传感器以及位于探测器顶部中心的小直径透镜，所述粗跟踪传感器由四个灵敏硅光电池或者光敏电阻组成，分布在探测器顶部以顶部中心为圆心的内接正方形四个顶点上，且与探测器顶部平面呈45度夹角，所述精跟踪传感器是一个四象限探测器，所述小直径透镜和四象限探测器的距离略小于该透镜的焦距。利用全光电跟踪模式实现对太阳光的大范围、高精度、廉价的跟踪聚焦，以进行采光照明。

Description

太阳光导入采光装置

技术领域

本发明涉及一种太阳光导入采光照明的装置，具体的说，是涉及一种可全自动或手动跟踪聚焦太阳光源进行光纤照明的太阳光导入采光装置。

背景技术

利用光纤做传输介质的阳光导入技术已经存在很多年，但一直因为价格昂贵，或者因为性能不好无法普及。该技术成本主要集中在跟踪阳光和传输用光纤。跟踪太阳装置主要有两种跟踪方式，一种是高稳定性、高精度方式，根据地球绕太阳运行规律计算太阳全年运行轨迹，含有太阳位置检测装置以及单片机等运算存储装置构成，再结合设备中央安装“光电传感器”，也就是太阳轨迹计算结合光电跟踪的混合跟踪模式。采用这种模式的有日本的“向日葵”太阳光导入采光装置，这种跟踪方式由于跟踪装置复杂，对安装的初始位置精度要求比较高，造成安装的不方便以及整个采光装置价格较高。这种跟踪方式的另一种缺点是当晴天太阳被云遮住一段时间再重新出现时，采光装置需先回到程序设定的初始位置，再进行一次全新的跟踪，这导致重新跟踪后所需要的时间比较长。另外一种是稳定性、精度都稍差一些的方式，实现方法很多，又分两类：一类是通过模拟方式比较光电信号，驱动直流电机，这种方式最简单廉价，但模拟信号处理精度有限、直流电机无法精确定位，所以精度很难做高。另外一类是采用把光电信号变成数字信号，通过单片机做数字处理，比如专利200710022259.6宣称的技术，虽然该发明采用数字单片机处理信号，但由于测光传感器结构和布局加上该发明仍然采用直流电机而不是步进电机，所以整体精度仍然不高。价格昂贵还需要降低光纤成本，由于采用光纤，该技术价格受制于光纤成本，国外技术采用昂贵的石英光纤，他们是考虑到性能，造成整机非常昂贵，很难普及，比如日本的“向日葵“，瑞典的”帕兰阳光系统”。而国内其他一些专利比如200710022259.6虽然采用了塑料光纤降低成本，但由于光路设计不合理，采用一个大透镜替代多个小透镜来降低精度要求和制造复杂度，但大透镜容易引起强烈的色散，造成出射光五颜六色，无法还原阳光，效果大打折扣。同时该专利中阳光耦合入光纤效率很低，通过大光斑射到小光纤上，损失效率来弥补系统精度不足。该专利也只提到通过隔离红外来降低温度，防止塑料光纤融化，并没有探索其他不破坏阳光成份，但可使用塑料光纤，保证其不融化的方法，从市场需求看有些客户是希望阳光全部成份能进来的。

综上所述，目前没有一种兼顾精度高，效果好，价格便宜这三者的可行方案，以用来全自动或手动跟踪聚焦太阳光源进行光纤照明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳光导入采光装置，晴天利用全光电跟踪模式实现对太阳光的大范围、高精度、廉价的跟踪聚焦，以解决高精度跟踪代价昂贵的技术问题。

本发明还解决了光纤成本高的问题，采用塑料光纤大幅度降低成本，使高能阳光与塑料光纤的高效耦合，不色散，保证太阳光在其中传输的安全性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种太阳光导入采光装置，包括装配在一起的光探测器，信号处理部分，导入光纤部分，以及用于驱动的机械传动部分，所述光探测器包括精跟踪传感器，粗跟踪传感器以及位于探测器顶部中心的小直径透镜，所述粗跟踪传感器由四个灵敏硅光电池或者光敏电阻组成，分布在探测器顶部以顶部中心为圆心的内接正方形四个顶点上，且与探测器顶部平面呈45度夹角，所述精跟踪传感器是一个四象限探测器，所述小直径透镜和四象限探测器的距离略小于该透镜的焦距。

所述信号处理部分采用多进一出的通道开关切换。

所述导入光纤部分是PMMA塑料光导纤维。

所述导入光纤部分在光纤端面设有热隔离片。

所述导入光纤部分的光纤入射端面处安装一个金属套筒，套筒内壁涂特殊反射层。

所述导入光纤部分的光纤头是锥形。

所述导入光纤部分还包括石英光纤头，所述石英光纤头和PMMA光纤体通过连接器连接。

所述导入光纤部分的光纤的表面镀银反射层或包覆一层铝箔反射层。

所述机械传动部分是由步进电机控制运动，传动方式是齿轮传动或螺杆传动。

所述太阳光导入采光装置的外壳带有乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)防尘薄膜。

应用本发明的技术方案，最大限度的提高太阳光导入采光装置对太阳的探测范围，提高了塑料光纤耐高温，防止光损失，以及耐磨损的能力，提高了太阳光导入采光装置的整体性价比。本装置以一种简捷，稳定可靠，实用，性价比高的方式实现了对太阳光的科学应用，适合做大面积的推广使用。可适用于矿井，易燃易爆危险品存储场所，地下车库，地下商场，地下室等不适合普通照明或者无自然光照的场所。

附图说明

图1：齿轮传动式太阳光导入采光装置的结构示意图；

图2：螺杆传动式太阳光导入采光装置的结构示意图；

图3：光探测器的结构示意图；

图4：导入光纤部分的光线传输示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

结合附图1-4，显示了本发明的太阳光导入采光装置，包括光探测器4、信号处理部分(图中未示出)、导入光纤部分16、以及用于驱动的机械传动部分5。光探测器4位于固定底板3的中心，上面有透镜固定板1，支撑杆2支撑在透镜固定板1和固定底板3之间。导入光纤部分16和机械传动部分5分别与固定底板3连接，信号处理部分为外联的单片机。

其中，光探测器结构如图3所示，包括凸透镜21，粗跟踪传感器22，套筒体23，精跟踪传感器24，外部套筒25。所述粗跟踪传感器22由四个光电传感器组成，所述光电传感器是灵敏硅光电池，或光敏电阻，或硒光电池，或砷化镓光电池，或锗光电池。所述四个光电传感器分布在探测器顶部以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，取45度夹角的目的是保证当阳光垂直入射到探测器顶部时，相对的两个粗测光电池信号强度正好相等，光线与探测头呈一定角度入射时相对的两个粗测光电池产生的信号有差异。四个光电池中央是一个位于光探测器顶部中心的小直径透镜21。精跟踪传感器24是一个四象限探测器，该四象限探测器是四象限光电池。透镜21和四象限探测器的距离略小于透镜的焦距，这样透镜将入射光聚焦以后形成大小合适的光斑投射到四象限探测器上。

光探测器的运行原理：

1：当粗跟踪的四个硅光电池信号和大于设定的阈值且时，粗跟踪启动。

2：当阳光的入射方向和跟踪器轴不平行，阳光以与探测器顶部呈大夹角入射，透镜的光斑还没有落到四象限光电池表面时，左右或上下两个光电池信号强度产生差异，粗跟踪启动。例如阳光从上方硅光电池方向入射，此时上方电池信号强度大于下方电池信号强度，此信号差经信号处理部分采集放大，单片机处理后，由控制器驱动步进电机带动太阳光导入采光装置向下方转动。阳光从另外几个方向入射时情况可照上述类推，不再赘述。(本发明在此所述的上下左右方向均以附图中的指示为例)

3：粗跟踪驱动太阳光导入采光装置转动到透镜光斑落入四象限光电池表面时，跟踪模式切换，太阳光导入采光装置由精跟踪控制。

4：四象限光电池与透镜垂直，电池中心位于透镜光轴上，电池与透镜的距离略小于透镜的焦距。当入射光线与透镜光轴有一微小夹角时，光斑没有落在四象限光电池中心，这引起电池四个独立探测电池有信号差，此信号差经采集放大，单片机处理后，由机械传动部分带动本装置向信号弱的方向转动。

5：当光斑落到四象限光电池中心，光电池信号差小于设定的阈值时，认为此时已经对准太阳，太阳光导入采光装置停止运转。

6：当环境光强小于设定的阈值时，认为此时是晚上，太阳光导入采光装置回到初始位置。当天亮或者是太阳被云遮住再次出现后，上述的跟踪过程再一次循环。

阳光探测器的粗跟踪和精跟踪组合设计能最大限度的提高太阳光导入采光装置对太阳的探测范围，最大探测角达到180度。

所述信号处理电路部分包括用于数据处理的单片机，并创造性地引入了通道切换技术，即采用一个多进一出的开关电路。采集信号后，电路部分原理是：光电感应的电信号采集之后，需要适当的放大，再做模数转化，然后用单片机处内设的程序处理数字信号，判断天气情况和太阳方位，再产生驱动步进电机的数字脉冲。由于外部4个加内部4个光电池，有8路模拟量，需要有8路模拟量放大电路，在传统的方式中，一般采用8路运算放大器，如果每路2级放大那就有16个运算放大器。这么做器件太多不方便，而且由于运算放大器存在零点漂移等问题，往往会出现各路零点不同，且随时间变化，基准不一准确度大幅度下降，采用这种方法放大过程带入误差，精度大打折扣。而本发明设备对跟踪精度要求很高，要求0.1度以下，因此在信号处理部分电路中，通道切换使用特殊的通道切换芯片，该芯片有8路输入，1路输出，内部有8个开关，有3个管脚接受二进制电平信号，从0到7，控制8个开关分别接通8路输入到1路输出。始终是1路接通，其余处于断开状态。3个管脚与单片机的输出端相连，由单片机中的程序控制哪一路接通。当8路微弱的模拟信号采集完毕后，单片机程序输出0，控制接通1路模拟信号到运算放大电路，其余7路处于断开状态，放大后模数转化成数字量。然后单片机程序输出1，控制通道接通2路，2路信号接通到放大电路，放大后模数转化进入单片机。依次循环，最终8路量都被放大并变成数字量进入单片机。8路信号1路放大，轮流切换通道，统一了基准，消除零点漂移误差，提高了信号放大准确度，使跟踪精度达到0.1度的要求。同时系统对信号的处理放在模数转化后，等所有量变成数字量后再数学处理，充分利用处理器的功能，进一步减小了处理误差。避免了传统多通道放大各通道基准不一，引入误差的缺点，同时多路放大变成一路放大，节省材料。

图4所示的是光线传输示意图，太阳光经透镜21进入导入光纤部分16，由光纤入射头17经光纤18传导到光纤出射头19，用于采光照明。光纤18可使用石英光导纤维，玻璃光导纤维，塑料光导纤维，液芯光导纤维等等。从性能和价格的综合考虑，优选PMMA塑料光导纤维。但由于塑料光纤耐热性较差，透镜聚焦光斑温度比较高，不做处理长时间使用会使光纤的入射端面发生热形变，光纤性能下降。本发明有以下四种解决方式：

一是在光纤入射头17端面加热隔离片。试验表明，PMMA对光线主要有三个吸收峰值：550nm，628nm，740nm，其中在740nm时达到了最大值。在POF中的损耗可分为两种类型：本征损耗和外在损耗。本征损耗代表了损耗极限，是不可避免的，而外在损耗是在理想的光纤中被忽略的。本征损耗主要是由于材料的吸收和瑞利散射造成的。材料的吸收由于C-H，N-H和O-H的振动引起的。C-H键的振动吸收在POF损耗中占了很大的比例。光纤对光线的吸收导致光纤温度的上升，因此使用隔热片滤掉400nm以下，700nm以上波长的光线，一方面减少光纤吸收，另一方面不会引起可见光部分滤掉太多引起光线颜色变化。

二是在光纤入射头17端面处安装一个金属套筒，套筒内壁涂反射层，比如镀银，或者包一层铝膜，透镜的聚焦光斑原本是直接照射在光纤端面，这样能量集中，由于PMMA耐热性差，长时间接受高强度阳光直接照射很容易变形。在光纤前端加金属套筒以后，将光线入射端面后移，这样可以避免光斑直接照射在端面，通过反射的方式使光线进入光纤，改变了透镜聚焦光斑的位置，减少了光线在端面的聚集，从而避免局部温度过高导致光纤热形变。

三是对光纤入射头17形状进行处理，在透镜大小一定的情况下，聚焦光斑越大光能量密度越低，将等量的光能通过更大的截面积通过，就能有效的减少能量在端面的聚集。但是如果做成通体圆柱形的光纤会大大提高光纤的成本，有效的解决办法是将光纤头做成锥形。根据计算，光纤的数值孔径正比于光纤小端和大端的比值，增大入射端直径会减小光纤数值孔径，此问题可通过增大聚光透镜焦距减小入射光线夹角，从而使光线夹角在锥形光纤数值孔径内的方法解决。

四是用石英光纤入射头替换PMMA光纤前端，石英光纤入射头17和PMMA光纤体18通过光纤连接器连接。石英光纤能比PMMA耐更高的温度，聚焦光线进入石英光纤头以后，通过在光纤壁上多次的全反射，光密度变的均匀，使得光入射到PMMA光纤后没有聚集现象，因此避免了PMMA光纤的热形变。

另外，光线在光纤中传输的过程中，如果由于光纤在走线或是加工的时候造成过度的弯曲，摩擦，光线会从有缺陷处漏出，造成光强损失。并且，由于阳光能量很强，光泄露会造成热量聚集，有安全隐患，必须要防止光外泄。解决的办法是在光纤的表面镀银或者包一层反射层。这样一方面能将漏出的光线反射回光纤，另一方面反射层对光纤外层具有保护作用，能避免光纤在组装，运输，安装过程中引起的磨损。

用于驱动该装置转动的机械传动部分5包括有两部分，一部分与光纤头固定底板3连接，驱动本装置垂直方向旋转，另一部分与圆形底座13连接，驱动本装置水平方向旋转。其中垂直和水平方向的运动均采用步进电机控制，运动精度高，可以锁定姿态，避免直流电机精度低，不能控制转动角度的，不锁定姿态不稳定的缺点。该机械结构最小转动0.05度，足够满足精密跟踪运动的需要。

所述机械传动部分主要有两种传动方式：齿轮传动和螺杆传动。

图1所示的是齿轮传动机械装置主要包括：带减速器的垂直步进电机8在控制器的驱动下，带动固定在电机轴上的横轴小伞齿7一起转动，与横轴小伞齿7啮合的固定在横轴上的横轴大伞齿6随小伞齿一起转动，从而带动太阳光导入采光装置做垂直方向的旋转。带减速器的水平步进电机10在控制器的驱动下，带动固定在电机轴上的底盘小伞齿11一起转动，与底盘小伞齿11啮合的固定在竖轴上的底盘大伞齿12随小伞齿一起转动，从而带动太阳光导入采光装置做垂直方向的旋转。

图2所示的是螺杆传动机械装置主要包括：带螺杆2’的垂直步进电机8’在控制器的驱动下，带动固定在图1中光纤固定底板3上的螺杆固定头1’沿螺杆径向做直线运动，从而带动太阳光导入采光装置做垂直方向的旋转。与图1中相同的带减速器的水平步进电机10在控制器的驱动下，带动固定在电机轴上的底盘小伞齿11一起转动，与底盘小伞齿11啮合的固定在竖轴上的底盘大伞齿12随小伞齿一起转动，从而带动太阳光导入采光装置做垂直方向的旋转。

这两种机械传动装置结构简单，运行稳定可靠，控制方便。

本发明的太阳能导入采光装置还包括外壳15，环绕在光探测器的周围，如图1和图2所示，外壳罩在透镜固定板1和固定底板3之外，外壳带有乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)防尘薄膜。现有的太阳能导入采光装置一般采用有机玻璃PMMA材料做外壳，但PMMA能与水浸润，雨水中的灰尘很容易附着在外壳上。PMMA还有很大的吸潮性，能吸收0.4％的水分而变形，变形后光线通过时发生扭曲，影响透镜聚焦光线的效果。由于该装置长期置于室外，需要很好的防雨、防尘效果，为此我们开发了ETFE防尘膜套。ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物，常用在新型建筑的外膜，具有非常好的耐候性，长期放置于室外，物理性能30年不变，ETFE做成膜后，具有非常好的透光性，在非常宽的光谱范围内，透光性可以＞95％，满足太阳能产品要求外罩必须透光的要求。ETFE膜水不浸润，灰尘站不住，具有非常好的自洁性，这点正好解决了太阳光导入采光装置采光部分要防尘，保持光学效果的要求。通过在塑料光纤前端加热隔离片，光纤头上套金属套筒，将光纤头制作成锥形，在光线体外层镀反射层等方法，大大提高了塑料光纤耐高温，防止光损失，以及耐磨损的能力，提高了太阳光导入采光装置的整体性价比。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳光导入采光装置，包括装配在一起的光探测器，信号处理部分，导入光纤部分，以及用于驱动该装置的机械传动部分，其特征在于，所述光探测器包括精跟踪传感器、粗跟踪传感器以及位于光探测器顶部中心的小直径透镜，所述粗跟踪传感器由四个光电传感器组成，分布在光探测器顶部以顶部中心为圆心的内接正方形四个顶点上，且与探测器顶部平面呈45度夹角，所述精跟踪传感器是一个四象限探测器，位于光探测器底部，所述小直径透镜和四象限探测器的距离略小于该透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述光电传感器是灵敏硅光电池，或光敏电阻，或硒光电池，或砷化镓光电池，或锗光电池。

3.根据权利要求1所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述信号处理部分采用多进一出的通道开关切换。

4.根据权利要求1所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述导入光纤部分是PMMA塑料光导纤维。

5.根据权利要求4所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述导入光纤部分在其光纤端面设有热隔离片。

6.根据权利要求4所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述导入光纤部分的光纤入射端面处安装一个金属套筒。

7.根据权利要求4所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述导入光纤部分的光纤头是锥形。

8.根据权利要求4所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述导入光纤部分还包括石英光纤头和PMMA光纤体，所述石英光纤头和PMMA光纤体通过连接器连接。

9.根据权利要求1所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，所述机械传动部分是由步进电机控制传动，传动方式是齿轮传动或螺杆传动。

10.根据权利要求1所述的太阳光导入采光装置，其特征在于，还包括外壳，环绕在光探测器的周围，所述带有乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)防尘薄膜。

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