CN104048251B - 基于太阳能光栅集光器的室内照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，包括：菲涅耳透镜、转动杆、光栅集光器、控制单元、导光光缆，光开关、太阳能蓄电池、灯罩；其中控制单元包括：控制器、步进电机、GPS模块、时钟模块、输入显示模块，光栅集光器包括光栅和波导。本发明采用了太阳能光栅集光器，该太阳能光栅集光器收集可见光范围的光，自动消除对人体不利的有害射线、紫外光以及红外光，从而可以达到隔热、隔紫外线的效果，解决了传统集光器体积庞大、系统复杂的问题或效率不高的问题；本发明既可对太阳光进行及时利用，又可将光能存储起来，以备后续利用，更为节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染的日益严重，开发再生能源已是人类文明发展的迫切需要。太阳能无污染、安全环保，并且取之不尽，用之不竭的特点使得太阳能清洁能源部分或全部取代传统能源已是必然的发展趋势。目前对于太阳能的照明应用一般是通过将太阳能首先转换为电能，在电能的驱动下提供室内照明。另外，在易燃易爆或者不宜直接接收光源场所，例如：矿井、油库、危险品生产地等场所直接使用用电照明均不安全，危险性大、易损坏。
对太阳能利用的研究中主要的研究内容是对太阳能集光器的研究。而前人提出的太阳能集光器绝大部分是大型笨重的装置，由几何光学中的菲涅耳透镜和反射镜组成，并且需要考虑成本和光线追迹问题；而另一部分是荧光集光器，它通常吸收光能量再发射出一个较大的波长(红移)，该波长在基板内通过全反射被引导到边缘收集，但是光在通过导光基板的顶部和底部时被染料分子再吸收的能量损耗大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，该装置安全可靠、节能环保、结构简单、亮度较高，并且应用范围广泛，适用于水下、矿井以及地下商场等需要照明的任何场所。该装置既可对太阳光进行及时利用，又可将光能存储起来，以备后续利用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，包括：菲涅耳透镜、两个转动杆、光栅集光器、控制单元、底座、导光光缆、光开关、太阳能蓄电池、灯罩；其中，所述控制单元包括：控制器、步进电机、GPS模块、时钟模块、输入显示模块；所述光栅集光器包括光栅和波导；每个转动杆由一根横杆和一根竖杆固定连接组成，两个转动杆的竖杆均支撑菲涅耳透镜，横杆均与控制单元的步进电机的输出轴相连；光栅集光器水平居中放置在控制单元上部的水平面上，底座支撑控制单元；波导的两个侧面通过导光光缆与光开关的输入端相连，光开关的一个输出端通过导光光缆连接灯罩，另一个输出端通过导光光缆连接太阳能蓄电池；GPS模块、时钟模块、输入显示模块、步进电机均与控制器相连，进行信息交互，控制器通过脉冲宽度调制控制步进电机的转速及转动方向，从而带动转动杆同步转动，使菲涅耳透镜的光轴平行于太阳光。
进一步地，所述光栅集光器的光栅周期L1为400nm；光栅集光器中光栅的斜高L2为1010nm；倾斜角θ为31度；梯形上下底之差的一半L3为30nm；梯形下底L4为320nm。
进一步地，所述光开关为二维微机械(MEMS)光开关。
本发明的有益效果是，本装置采用了太阳能光栅集光器，该太阳能光栅集光器收集可见光范围的光，自动消除对人体不利的有害射线、紫外光以及红外光，从而可以达到隔热、隔紫外线的效果，解决了传统集光器体积庞大、系统复杂的问题或效率不高的问题；本装置既可对太阳光进行及时利用，又可将光能存储起来，以备后续利用，更为节能环保。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中控制单元结构图；
图3是本发明中光栅集光器的原理图；
图4是本发明优选光栅集光器的结构示意图；
图中，菲涅耳透镜1，转动杆2，光栅集光器3，控制单元4，底座5，导光光缆6，光开关7，太阳能蓄电池8，灯罩9，光栅10，波导11。
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说明。
参照图1‐图3，本发明一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，包括：包括：菲涅耳透镜1、两个转动杆2、光栅集光器3、控制单元4、底座5、导光光缆6、光开关7、太阳能蓄电池8、灯罩9；其中，所述控制单元4包括：控制器401、步进电机402、GPS模块403、时钟模块404、输入显示模块405；所述光栅集光器3包括光栅10和波导11。
每个转动杆2由一根横杆和一根竖杆固定连接组成，两个转动杆2的竖杆均支撑菲涅耳透镜1，横杆均与控制单元4的步进电机402的输出轴相连；光栅集光器3水平居中放置在控制单元4上部的水平面上，底座5支撑控制单元4；波导11的两个侧面通过导光光缆6与光开关7的输入端相连，光开关7的一个输出端通过导光光缆6连接灯罩9，另一个输出端通过导光光缆6连接太阳能蓄电池8；GPS模块403、时钟模块404、输入显示模块405、步进电机402均与控制器401相连，进行信息交互，控制器401通过脉冲宽度调制控制步进电机402的转速及转动方向，从而带动转动杆2同步转动，使菲涅耳透镜1的光轴平行于太阳光。
本发明的工作过程如下：太阳光通过长焦距的菲涅耳透镜1进行汇聚，将大范围的光聚集到小范围处，由光栅集光器3耦合到波导11的侧面进行收集，从而滤过红外光、紫外光及有害射线，光栅集光器3替代了大型反射镜和透镜的使用，大大减少了空间利用范围；通过波导11的两个侧面收集的可见光由导光光缆6传送到光开关7处，当光开关7处于导通状态时，将导光光缆6与灯罩9连通，此时可见光可通过灯罩9直接用于室内照明；当光开关7处于断开状态时，将导光光缆6与太阳能蓄电池8连通，光能将转化为电能并储存起来，以备后续使用，从而提高了可见光的利用率。控制单元4中的控制器401可以通过时钟模块404获取当前时间信息、通过GPS模块403获取当前位置信息，或者通过输入显示模块405手动输入时间及位置信息，并将视日运动轨迹方式中太阳的公转、地球的自转和公转轨迹集成在内，根据所获取的时间及位置信息，计算当前太阳的高度角和方位角，通过脉冲宽度调制PWM控制步进电机402的转速及转动方向，从而带动转动杆2同步转动，使菲涅耳透镜1的光轴始终平行于太阳光，实现全方位、全时段自动跟踪太阳运动轨迹，从而实现了集光的最大效果。
本发明中，光开关7可以采用二维微机械(MEMS)光开关。二维微机械光开关由一种受静电控制的二维微小镜面阵列组成，光束在二维空间传输。其微反射镜具有两种状态：通和断，当光开关处于断的状态时，反射镜处于由输入光纤准直系统射出的光束传播通道内，将光束反射至相应的输出通道并经准直系统进入目标输出光纤(本发明中指的是光开关7另一端与太阳能蓄电池8连接的通道光缆)。当光开关处于通的状态时，微反射镜不在光束传播通道内，由输入通道光纤射出的光束直接进入其对面的光纤(本发明中指的是光开关7另一端与灯罩9连接的导光光缆)。
如图3所示，光栅集光器3的主要原理是：通过在波导11上集成相应亚波长微结构的相位光栅10，可以引导可见光在波导11的侧面进行出光汇集。正入射的太阳光通过光栅集光器3的光栅结构时发生透射衍射，而保证衍射光能够在波导11(或光纤)内不断地传播的必要条件是衍射光的衍射角大于全反射角，可推得光栅周期必须小于等于衍射级次与光在空气中的波长的乘积。显然零级衍射光无法满足全反射条件，而对于±1的衍射光能够在波导(或光纤)内传播的条件是光栅的周期要小于光在空气中的波长，即d≤λ0。又因为光栅周期必须大于光在介质中的波长，所以当光栅周期一定时，能耦合到波导(或光纤)的衍射光的波长在光栅周期和介质折射率与周期乘积的值之间。因此，选取一定的光栅周期和波导材料就可以耦合可见光范围。
实施例1
如图4所示，本发明一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，其中光栅集光器3的光栅周期L1为400nm；光栅集光器3中光栅的斜高L2为1010nm；倾斜角θ为31度；梯形上下底之差的一半L3为30nm；梯形下底L4为320nm。
在太阳光光谱中，波长400nm-780nm的可见光成分占了太阳辐射的绝大部分，其峰值为波长500nm，可以选择适当的光栅周期来耦合这部分的可见光。
本实施例选用的光栅10及波导11的材料为普通的玻璃SiO2(折射率为1.46)。通过时域有限差分软件(FDTD)优化仿真斜梯形相位光栅的上下底的宽(上底随着下底的改变而改变)、斜高和倾斜角，确定光栅周期L1值为400nm、梯形上下底之差的一半L3为30nm时，衍射效率达到最大的光栅结构参数。结果表明：梯形下底L4为320nm、倾斜角θ为31度、斜高L2为1010nm时，能够得到最高的衍射效率48.836％。在此结构下，对不同波长的衍射效率进行了仿真，在400nm-500nm的波长段，其±1级平均衍射效率均高于60％，对于TE波，在460nm-490nm波段的±1级衍射效率接近100％。从透射光、反射光和总光强随波长的变化可以看出，光栅的透射光接近于总光强，其反射光很小，材料对光的吸收也很小，效果较好。
本发明中的光栅集光器可选择折射率更高的玻璃或其它材料来耦合更宽的光谱范围，也可以选择其它面型的光栅结构。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，其特征在于，包括：菲涅耳透镜（1）、两个转动杆（2）、光栅集光器（3）、控制单元（4）、底座（5）、导光光缆（6）、光开关（7）、太阳能蓄电池（8）、灯罩（9）；其中，所述控制单元（4）包括：控制器（401）、步进电机（402）、GPS模块（403）、时钟模块（404）、输入显示模块（405）；所述光栅集光器（3）包括光栅（10）和波导（11）；每个转动杆（2）由一根横杆和一根竖杆固定连接组成，两个转动杆（2）的竖杆均支撑菲涅耳透镜（1），横杆均与控制单元（4）的步进电机（402）的输出轴相连；光栅集光器（3）水平居中放置在控制单元（4）上部的水平面上，底座（5）支撑控制单元（4）；波导（11）的两个侧面通过导光光缆（6）与光开关（7）的输入端相连，光开关（7）的一个输出端通过导光光缆（6）连接灯罩（9），另一个输出端通过导光光缆（6）连接太阳能蓄电池（8）； GPS模块（403）、时钟模块（404）、输入显示模块（405）、步进电机（402）均与控制器（401）相连，进行信息交互，控制器（401）通过脉冲宽度调制控制步进电机（402）的转速及转动方向，从而带动转动杆（2）同步转动，使菲涅耳透镜（1）的光轴平行于太阳光。
2.根据权利要求1所述基于太阳能光栅集光器的室内照明装置，其特征在于，所述光开关（7）采用二维微机械光开关。
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