CN102353014A - 光纤传导太阳能的室内应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传导太阳能的室内应用系统，包括设置在室外的聚光装置和设置在室内的光能利用装置，聚光装置与光能利用装置之间设有光传输装置；聚光装置包括聚光罩和用于实现聚光罩在水平及竖直两个方向的旋转的自动跟踪装置；光能利用装置至少包括太阳能灶具、太阳能供暖系统和光纤照明灯；光能利用装置上均设有光纤插口；光传输装置包括光纤、光转换器和光开关，光转换器位于聚光罩的中心位置，光纤连接于光转换器和光开关之间；太阳能灶具包括灶具外壳，设置在灶具外壳上的光纤插口，由顺次连接的第一透镜、反光镜、第二透镜和反光罩形成的一聚焦光路，该聚焦光路将光束聚焦到灶具的底部。本发明可有效提高对太阳能的利用率，适合在民用住宅推广。

Description

光纤传导太阳能的室内应用系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能利用系统，尤其涉及一种光纤传导太阳能的室内应用系统。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物资，但是目前人类面临着严峻的能源形势。自从能源危机被提出以来，人们逐渐的认识到了，以石油、煤炭等传统能源的蕴藏量不是无限的，容易开采和利用的储量已经不多，剩余储量的开发难度越来越大，到一定限度就会失去开采的价值。因此，我们就必须寻找新的能源结构，尽早地探索、研究开发利用新能源资源，否则就会是人类自身的生存受到威胁。当前，我国也提出了相应的能源战略，以节能减排为目标的能源战略在人们的日常生活中逐渐发挥重要的作用。本研究小组通过分析发现太阳以其无比巨大的能量辐射为人类提供了取之不尽用之不竭的能量源泉，有计划地、合理地开展太阳能利用，是人类社会走向可持续发展道路的必然选择，也是建设和谐社会、促进生态系统良性循环和实现节能减排的重要的途径。本发明主要是有计划地、合理地开展太阳能利用，并通过本发明提高太阳能的利用率，使太阳能逐渐代替人们在日常生活中的常规能源。这样就可以达到节能减排的目标。

但是目前的太阳能利用技术基本均为在室外利用太阳能加热工质，并用管道将工质传入室内，并且不可调整接收端的方位。这样就不可避免的有损失而不能达到最大利用效率。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种光纤传导太阳能的室内应用系统。本发明可以提高家用太阳能系统的效率，其基本思路是将自然光聚焦后的光能引入到室内的供热、照明及灶具使用。是利用光学原理使低品位的阳光通过聚焦达到800到1000摄氏度的高能光束后，再利用导耐高温的光纤将高能光束导向室内的供热、照明和炊具直接利用。

为了解决上述技术问题，本发明一种光纤传导太阳能的室内应用系统予以实现的技术方案是：包括设置在室外的聚光装置和设置在室内的光能利用装置，所述聚光装置与所述光能利用装置之间设有光传输装置；所述聚光装置包括聚光罩和用于实现聚光罩在水平及竖直两个方向的旋转的自动跟踪装置；所述光能利用装置至少包括太阳能灶具、太阳能供暖系统和光纤照明灯；所述的光能利用装置上均设有光纤插口；所述光传输装置包括光纤、光转换器和光开关，其中，所述光纤为10cm的石英光纤；所述光转换器位于所述聚光罩的中心位置，所述光开关位于室内，所述光纤连接于所述光转换器和所述光开关之间；所述光开关将来自于光转换器的高能光束分成若干个条输出光路，每条输出光路通过光纤连接至所述光能利用装置中的各光纤插口上；所述太阳能灶具包括灶具外壳，设置在所述灶具外壳上的光纤插口，由顺次连接的第一透镜、反光镜、第二透镜和反光罩形成的一聚焦光路，该聚焦光路将光束聚焦到灶具的底部；所述太阳能灶具还包括有用来调节所述第二透镜与灶具底部之间距离的调节结构，所述调节结构由调节旋钮、第二透镜固定板和升降传动机构构成；所述太阳能供暖系统包括蓄热装置和散热器，所述蓄热装置的蓄热工质为水，所述蓄热装置与所述散热器之间连接有循环管路；所述蓄热装置上设有一光纤插口，所述光开关的一条输出光路连接至该光纤插口上；所述循环管路上设有多条并列的旁路，所述循环管路与每条旁路之间设有阀门，每条旁路与散热器所在的路段为并联关系。

本发明所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其中，所述自动跟踪装置包括一单片机、均布在聚光罩上的四个光敏电阻、竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构。所述四个光敏电阻以聚光罩中心对称地布置在所述聚光罩的上、下、左、右，用于采集聚光罩上下及左右两个方向的光强差值；所述竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构均分别设有一步进电机，所述单片机根据所述光敏电阻传递的数据向所述的步进电机发出指令。

本发明所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其中，所述升降传动机构包括传动齿轮、传动轴和凸轮，所述凸轮的转动带动所述第二透镜固定板上下移动。

本发明所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其中，所述聚光罩的表面积为2至4平方米。

与现有技术相比，本发明光纤传导太阳能的室内应用系统的有益效果是：

本发明扩展了现有技术中太阳能系统的功能和效率，将自然光聚焦后的光能引入到室内的灶具使用，利用光学原理使低品位的阳光通过聚焦达到800到1000摄氏度的高能光束后，再利用导耐高温的光纤将高能光束导向室内的灶具直接利用。本发明使用光纤传导高能光束，因此通过改变光纤的长度就能够满足高层建筑中不同高度楼层住户的使用，易于普及推广，具有广泛的应用前景。

本发明可有效提高对太阳能的利用率，具有显著的经济效益和社会效益，适合在民用住宅中推广使用。如：以住房面积按80平方米，每日需热水4.5L计算，以天津地区为例全年可利用太阳能辐射天数为199天，取200天计算，一般三人居家使用天然气和电能的一年费用是：

使用本发明之后一年可节省的费用预计：

全年预计节省费用715.4元，不仅为社会节约大量能量，还为家庭减少开支。如果进行大规模推广使用，将产生巨大的经济效益和环境效益。

附图说明

图1是本发明光纤传导太阳能的室内应用系统中室内部分的构成示意简图；

图2-1是本发明光纤传导太阳能的室内应用系统中室外部分的构成示意简图；

图2-2是图2-1所示室外部分结构示意图；

图3是本发明中太阳能灶具结构示意图；

图4是图3所示太阳能灶具A-A剖视示意图；

图5是图3所示太阳能灶具的俯视图。

图中：

1——光线插口             2——第一透镜           3——反光镜

4——第二透镜固定板       5——第二透镜           6——反光罩

7——锅底                 8——灶具外壳           9——凸轮

10——传动轴              11——传动齿轮          12——调节旋钮

31——热水管道            32——太阳能热水器      33——光纤导入口

34——冷水管道            35——太阳能照明灯      36——太阳能灶具

37——光开关              38——换热器            42——光转换器

43——支架                44——聚光罩            45——自动跟踪装置

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明光纤传导太阳能的室内应用系统，包括设置在室外的聚光装置和设置在室内的光能利用装置，所述聚光装置与所述光能利用装置之间设有光传输装置。

如图1-1和与1-2所示，所述聚光装置包括聚光罩44和用于实现聚光罩44在水平及竖直两个方向的旋转的自动跟踪装置45；为提高自动跟踪装置的精确度，可以选择通过一单片机来控制步进电机达到太阳跟踪的目的。本发明中的所述自动跟踪装置主要是控制聚光罩44在水平面和竖直面上的旋转运动。所述自动跟踪装置45包括一单片机、均布在聚光罩44上的四个光敏电阻、竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构，所述四个光敏电阻以聚光罩44中心对称布置在所述聚光罩44的上、下、左、右，用于采集聚光罩44上下及左右两个方向的光强差值，所述竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构均分别设有一步进电机，所述单片机根据所述光敏电阻传递的数据向所述的步进电机发出指令。其中左右两端的光敏电阻采集聚光罩44左右两端的光强差值，并通过单片机和一步进电机控制聚光罩44的水平转动；上下两端的光敏电阻采集聚光罩44上下两端的光强差值，并通过单片机和另一步进电机控制聚光罩44的上下转动，通过这样布置四个光敏电阻能够使聚光罩44与太阳正对，使光的收集达到最佳的效果。所述自动跟踪装置45工作时，竖直旋转传动机构的传动路线是：第一步进电机452——第一主动齿轮457——第一被动齿轮456——水平轴451带动聚光罩44在竖直平面内转动，同理，水平旋转传动机构的传动路线是：第二步进电机454——第二主动齿轮455——第二被动齿轮453——竖直轴458——支架43——带动聚光罩44在水平面内旋转。此外，还可以通过对聚光罩44设定一个初始位置，当太阳落山后聚光罩44回到最初的位置，使聚光罩44每天早晨都能够达到太阳入射的最佳位置。

如图1所示，所述光能利用装置至少包括太阳能灶具36、太阳能供暖系统和光纤照明灯35，所述的光能利用装置(太阳能灶具、太阳能供暖系统和每盏光纤照明灯)上均设有光纤插口。

如图1、图2-1所示，所述光传输装置包括光纤41、光转换器42和光开关37，其中，所述光纤41为10cm的石英光纤；所述光转换器42位于所述聚光罩44的中心位置，因为，在高能光束的传导过程中需要对光的通路进行调整，因此，在室内设有一所述的光开关37，所述光纤41连接于所述光转换器42和所述光开关37之间；所述光开关37将来自于光转换器42的高能光束分成若干个条输出光路，每条输出光路通过光纤连接至所述光能利用装置中的各光纤插口上，最后实现通过光开关37来控制室内各个光能利用设备的使用，即：通过操纵光开关37，可以根据使用环境和需求选择使用太阳能灶具、太阳能供暖系统和每盏光纤照明灯。

在日常生活中，由于光在光纤的传导损耗比电的传导损耗低得多，光纤可以把阳光送到各个角落，考虑到太阳光经聚焦后的光斑较大，因此需要设有一个光转换器42，将所述光转换器42设置在所述聚光罩44的聚焦中心位置，本发明中的聚光罩44是能够将较大面积的阳光聚焦到与光纤连接的光转换器42上，使光的密集度达到较高的程度，以满足室内炊事的能量要求。因此，聚光罩的反光镜面最好为镀银或镀铝的玻璃镜，也可采用铝抛光镜面和涤纶薄膜镀铝镜面，通常，一个700～1200瓦功率的聚光式太阳能灶具，其聚光罩的采光面积约为1.5至2.0平方米即可，因此，所述聚光罩的表面积为2至4平方米。所述光转换器42可以将聚焦后的太阳光转化为聚焦度更高的平行光，这样高能光束在传导至光纤内时可以减小捏菲尔效应，使高能光束的损失达到最小，并且使高能光在光纤另一端的光纤插口端产生的热效应降到最低。由于普通的塑料光纤不能满足传导高能光束的要求，因此，本本发明中的所述光纤41为10cm的石英光纤。本发明通过光纤传导高能光束，实现室外的聚焦后的太阳光斑传导至室内，然后再将高能光束导进太阳能灶具，通过设置在灶具底部的一聚焦光路，使光最终能够重新聚焦在位于灶具上的炊具的底部，这样就能够实现在室内使用太阳能灶具。

如图3所示，所述太阳能灶具36包括灶具外壳8，设置在所述灶具外壳8上的光纤插口1，由顺次连接的第一透镜2、反光镜3、第二透镜5和反光罩6形成的一聚焦光路，该聚焦光路将光束聚焦到灶具的底部，如图4所示；所述太阳能灶具36还包括有用来调节所述第二透镜5与灶具底部之间距离的调节结构，如图5所示，所述调节结构由调节旋钮12、第二透镜固定板4和升降传动机构构成；所述升降传动机构包括传动齿轮11、传动轴10和凸轮9，所述凸轮9的转动带动所述第二透镜固定板4上下移动。

所述太阳能供暖系统包括蓄热装置32和散热器38，所述蓄热装置32上设有一光纤插口，所述光开关37的一条输出光路连接至该光纤插口上，所述蓄热装置32的蓄热工质为水，通过管路将蓄热装置32中的热水导向暖气片，所述蓄热装置32与所述散热器38之间连接有循环管路，通过管路将蓄热装置32中的热水导向散热器，室内其他的用水设施连接，从而停止对室内供暖。所述循环管路上设有多条并列的旁路，所述循环管路与每条旁路之间设有阀门，每条旁路与散热器38所在的路段为并联关系。旁路可以连接到淋浴器和热水器上，通过阀门的开关可以根据需求方便的选择旁路的导通或断开。当室内使用水的时候，整个供暖系统中的循环管路中的热流就会流动，这样就可以实现室内供暖和热水的供应。当不用对室内供暖的时候，通过调节阀门的开关，就可以将热水直接与室内的其他用水设施连接，从而停止对室内供暖。

至于光纤照明灯35的结构属于现有技术中公知的常识，在此不再赘述。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种光纤传导太阳能的室内应用系统，包括设置在室外的聚光装置和设置在室内的光能利用装置，所述聚光装置与所述光能利用装置之间设有光传输装置；所述聚光装置包括聚光罩(44)和用于实现聚光罩(44)在水平及竖直两个方向的旋转的自动跟踪装置(45)；其特征在于：

所述光能利用装置至少包括太阳能灶具(36)、太阳能供暖系统和光纤照明灯(35)，所述的光能利用装置上均设有光纤插口；

所述光传输装置包括光纤(41)、光转换器(42)和光开关(37)，其中，所述光纤(41)为10cm的石英光纤；所述光转换器(42)位于所述聚光罩(44)的中心位置，所述光开关(37)位于室内，所述光纤(41)连接于所述光转换器(42)和所述光开关(37)之间；

所述光开关(37)将来自于光转换器(42)的高能光束分成若干个条输出光路，每条输出光路通过光纤连接至所述光能利用装置中的各光纤插口上；

所述太阳能灶具(36)包括灶具外壳(8)，设置在所述灶具外壳(8)上的光纤插口(1)，由顺次连接的第一透镜(2)、反光镜(3)、第二透镜(5)和反光罩(6)形成的一聚焦光路，该聚焦光路将光束聚焦到灶具的底部；所述太阳能灶具(36)还包括有用来调节所述第二透镜(5)与灶具底部之间距离的调节结构，所述调节结构由调节旋钮(12)、第二透镜固定板(4)和升降传动机构构成；

所述太阳能供暖系统包括蓄热装置(32)和散热器(38)，所述蓄热装置(32)的蓄热工质为水，所述蓄热装置上设有一光纤插口，所述光开关(37)的一条输出光路连接至该光纤插口上；所述蓄热装置(32)与所述散热器(38)之间连接有循环管路；

所述循环管路上设有多条并列的旁路，所述循环管路与每条旁路之间设有阀门，每条旁路与散热器所在的路段为并联关系。

2.根据权利要求1所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其特征在于：所述自动跟踪装置(45)包括一单片机、均布在聚光罩(44)上的四个光敏电阻、竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构。

3.根据权利要求2所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其特征在于：所述四个光敏电阻以聚光罩(44)中心对称地布置在所述聚光罩(44)的上、下、左、右，用于采集聚光罩(44)上下及左右两个方向的光强差值；所述竖直旋转传动机构和水平旋转传动机构均分别设有一步进电机，所述单片机根据所述光敏电阻传递的数据向所述的步进电机发出指令。

4.根据权利要求1所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其特征在于：所述升降传动机构包括传动齿轮(11)、传动轴(10)和凸轮(9)，所述凸轮(9)的转动带动所述第二透镜固定板(4)上下移动。

5.根据权利要求1所述的光纤传导太阳能的室内应用系统，其特征在于：所述聚光罩的表面积为2至4平方米。

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