CN104595842A - 大口径反射式光导机及其工作方法 - Google Patents

大口径反射式光导机及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于太阳能应用技术领域的一种大口径反射式光导机及其工作方法，大口径反射式光导机由方位角驱动器、高度角驱动器、聚焦镜组、太阳定位系统、调焦器和光纤束构成。调焦器将光纤束的接受端面调整到聚焦镜组的焦点上，聚焦镜组由方位角驱动器和高度角驱动器驱动，使得聚光镜组能够随巡日跟踪，聚焦镜组利用滤光镜消除入射光中的红外线，聚焦镜组的匀光腔实现聚焦光斑的强度均匀；太阳定位系统采用光敏元件提供太阳粗定位信号，用高温温度传感器提供聚焦光斑的精细位置信号。本发明消除了太阳聚焦光中的红外线，同时实现光斑的强度均匀化，大幅延长光纤束使用寿命，同时利用高温温度传感器提高了聚焦光斑位置检测的可靠性。

Description

大口径反射式光导机及其工作方法
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，特别涉及一种大口径反射式光导机及其工作方法。
背景技术
光导机是将阳光有效收集并利用光纤传输到需要照明的场所的装置，这种照明技术节能，且光电隔离，非常安全，其光谱也适合人类健康需求。此类技术的核心思想是利用聚光透镜或者聚光反射镜，将阳光聚焦到光纤上，利用光纤将阳光传输到需要照明的场所。然而在实际应用中，需要考虑光纤束寿命问题，又要有跟踪的可靠性问题，以及大的采光口径。到目前为止，相关的研究很多。
太阳光传导照明是本发明人长期研究的课题，此前已有两项发明专利授权(中国发明专利，“太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法”，ZL 200810020176.8，中国发明专利，“太阳光室内照明光纤传导装置及其工作方法”，ZL201210458926.6)。发明人在研究中发现，这两个专利中采用阵列透镜布置，每个透镜照射一根单芯细光纤，为了保证对焦精确，机械加工、装配的精度要求非常苛刻，不利于降低成本。同时，本发明人发现，由于太阳光非严格平行光，透镜产生的聚焦光斑区域内辐照强度分布严重不均，光斑中心的辐照度峰值可超过5000倍太阳水平，产生的高温严重威胁光纤束的安全和寿命。
对于太阳定位方法而言，太阳光光纤传输照明技术通常采用光敏元件或光伏器件直接检测聚焦光斑(中国发明专利“太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法”，ZL 200810020176.8；中国发明专利“太阳光光纤照明装置”，专利申请号011113529.8)。由于光敏元件、光伏器件中的半导体材料和塑料、树脂材质难以承受高温，它们对聚焦光斑进行检测的准确性和可靠度不够理想。本发明人的授权中国发明专利，“太阳光室内照明光纤传导装置及其工作方法”，ZL201210458926.6，采用光纤隔离聚焦光斑和光敏元件，一定程度上可以缓解光敏元件的高温问题。但是，由于聚焦光斑中心存在照度峰值，很容易在巡日跟踪过程中导致光纤烧毁。
因此需要一种保证聚焦光斑辐照度均匀，同时能够高温下可靠检测聚焦光斑的光导机，满足长寿命、高可靠度的实际需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种大口径折射式光导机及其工作方法，其特征在于，所述大口径折射式光导机由所述的驱动机构由底座1、方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4、包括透镜4、一级反射镜9、二级反射镜7和红外滤光片11的镜组、调焦器8、光纤束10构成，其中，在底座1上依次装配方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4和镜框5，在镜框5顶框由四根支撑将二级反射镜7固定在顶面中央，透镜6固定二级反射镜7下面；在镜框5底框上，由对角线支撑和短边支撑支撑着不同大小的方框，小方框在底框中央，大方框在底框和小方框之间的二分之一处，并且在底框长边中部两根短支撑与大方框长边连接；四块一级反射镜9固定在大、小方框上，N个光敏探头13以对称形式安装在一级反射镜9的四周；调焦器8由固定板80固定在小方框下面，Z轴套管12穿过小方框垂直固定在固定板80中央，其顶端正对透镜6中心；Z轴套管12顶端上安装红外滤光片11，红外滤光片11下面，Z轴套管12入口段为匀光腔14，光纤束10与调焦器8连接。
所述调焦器8由固定板80、X轴调节板81、Y轴调节板82、Z轴套管12、X轴调节螺栓I 8101、X轴调节螺栓II 8102、Y轴调节螺栓I 8201、Y轴调节螺栓II 8202、Z轴调节螺栓84、匀光腔14组成，其中，固定板80、X轴调节板81和Y轴调节板82之间由调节板滑块83连接；X轴调节板81通过调节X轴调节螺栓I 8101和X轴调节螺栓II 8102在固定板80上沿X轴的轴向移动；Y轴调节板82通过调节Y轴调节螺栓I 8201和Y轴调节螺栓II 8202在X轴调节板81上沿Y轴的轴向移动；Z轴套管12通过调节Z轴调节螺栓84作平行于Z轴的轴向移动。
所述匀光腔14由K个前表面反射镜15环绕而成；并且光纤束10顶端固定在匀光腔14下端；M个高温温度传感器16以对称形式安装在Z轴套管12顶端入口处。
所述底座1、方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4构成驱动机构；其中，方位角电机21输出端与方位角减速器22输入端连接，方位角减速器22输出端与方位角回转支承23的输入端相连，方位角回转支承23的输出端与U型架3相连。
所述高度角驱动器4由高度角电机41、高度角减速机42、高度角回转支承43组成，高度角电机41输出端与高度角减速器42输入端连接，高度角减速器42输出端与高度角回转支承43的输入端相连，高度角回转支承43的输出端与镜框5相连。
所述透镜6为菲涅尔透镜。
所述红外滤光片11为红外光反射而可见光通过的滤光片。
所述前表面反射镜15数量K范围为3～8。
所述光敏探头13数量N范围为3～8。
所述高温温度传感器16数量M为3～8，所述高温温度传感器16为热电偶、铂电阻或铜电阻。
所述的大口径反射式光导机的工作方法的操作步骤为：
步骤一：捕获太阳光，启动方位角电机21和高度角电机41，驱动镜框5转动，粗调镜框5的角度，直至由透镜6聚焦的太阳光照射到一个或一个以上的光敏元件13上，光敏元件13输出定位信号，方位角电机21和高度角电机41停止转动；
步骤二：读取高温温度传感器16的数值，如果各个高温温度传感器的数值全部显示为常温，判定太阳聚焦光斑未被捕获，返回步骤1；如果有一个或一个以上的高温温度传感器读数为高温，进入步骤三；
步骤三：如果各个高温温度传感器的数值全部显示为高温，判定太阳聚焦光斑对准Z轴套管12的入口，进行步骤五；如果个别高温温度传感器16的数值显示为常温，判定太阳聚焦光斑没有精确对准Z轴套管12的入口，进入步骤四；
步骤四：通过分析各个高温温度传感器16输出的信号大小，判断太阳聚焦光斑中心与Z轴套管12中心的偏差方向和大小，由方位角电机21或者由高度电机41细调镜框5的角度，进行偏差控制，直至所述偏差消除，进行步骤五；
步骤五：太阳光经透镜6聚焦，依次被一次反射镜9反射、二级反射镜7反射后通过滤光片11，进入匀光腔14，匀光腔14的前表面反射镜15对聚焦阳光进行多次反射和叠加，输出强度均匀的聚焦光斑并照射到光纤束10，聚焦太阳光经过光纤束10传导到室内实现照明。
本发明的有益效果，利用一级和二级反射镜使得聚光光路折叠，使得透镜纤束的直线距离压缩一半以上，解决了大口径透镜焦距过长带来的尺寸问题，与此同时透镜采光面积付出的牺牲可以很容易控制在10％以下，使得大口径长焦距透镜的使用称为可能。同时，滤光片可以滤除红外线，降低光纤束的温度，匀光腔可以进一步使得太阳聚焦光斑的强度均匀化，使得光纤束的各光纤负荷均一，大幅度延长光纤束的寿命。对太阳跟踪的定位方法中，对高倍聚焦光斑的位置检测采用热电偶或铂电阻等高温温度传感器，可以保证高温下长期安全工作，避免了传统方法中光敏元件中半导体材料的高温损毁的问题。本发明针对现有光导机以及太阳定位方法的缺陷，解决背景技术中所述的聚焦光斑辐照度不均匀问题和聚焦光斑检测中的高温问题，满足实际运行中要求的长寿命和高可靠度要求。
附图说明
图1为大口径折射式光导机结构示意图。
图2为大口径折射式光导机的驱动系统结构示意图。
图3为镜组结构示意图。
图4为镜组、调焦器和光纤束的装配示意图。
图5为调焦器与光纤束结构示意图。
图6为图5的调焦器的A-A剖面示意图。
图7为匀光腔和高温温度传感器示意图。
图8为为匀光腔剖面示意图。
图9为镜组聚光光路示意图。
图10为大口径折射式光导机的工作方法流程图。
图中，1—底座，2—方位角驱动器，3—U型架，4—高度角驱动器，5—镜框，6—透镜，7—上反射镜，8—调焦器，9—一级反射镜，10—光纤束，11—红外滤光镜，12—Z轴套管，13—光敏探头，14—匀光腔，15—前表面反射镜，16—高温温度传感器，21—方位角电机，22—方位角减速机，23—方位角回转支承，41—高度角电机，42—高度角减速机，43—高度角回转支承，80—固定板，81—X轴调节板，8101—X轴调节螺栓I，8102—X轴调节螺栓II，82—Y轴调节板，8201—Y轴调节螺栓I，8202—Y轴调节螺栓II，83—调节板滑块，84-Z轴调节螺栓。
具体实施方式
本发明提出一种大口径折射式光导机及其工作方法。下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1、图2所示为大口径折射式光导机结构示意图。图中所示大口径折射式光导机由所述的驱动机构由底座1、方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4、包括透镜4、一级反射镜9、二级反射镜7和红外滤光片11的镜组、调焦器8、光纤束10构成，其中，在底座1上依次装配方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4和镜框5，在镜框5顶框由四根支撑将二级反射镜7固定在顶面中央，透镜6(菲涅尔透镜)固定二级反射镜7下面；在镜框5底框上，由对角线支撑和短边支撑支撑着不同大小的方框，小方框在底框中央，大方框在底框和小方框之间的二分之一处，并且在底框长边中部两根短支撑与大方框长边连接；四块一级反射镜9固定在大、小方框上，N个光敏探头13以对称形式安装在一级反射镜9的四周(如图3所示)；调焦器8由固定板80固定在小方框下面，Z轴套管12穿过小方框垂直固定在固定板80中央，其顶端正对透镜6中心(如图3、图4所示)；Z轴套管12顶端上安装红外滤光片11(红外滤光片11为红外光反射而可见光通过的滤光片)，在红外滤光片11下面，Z轴套管12入口段为匀光腔14，光纤束10与调焦器8连接(如图4所示)。其中底座1、方位角驱动器2、U型架3、高度角驱动器4构成驱动机构；其中，方位角电机21输出端与方位角减速器22输入端连接，方位角减速器22输出端与方位角回转支承23的输入端相连，方位角回转支承23的输出端与U型架3相连；所述高度角驱动器4由高度角电机41、高度角减速机42、高度角回转支承43组成，高度角电机41输出端与高度角减速器42输入端连接，高度角减速器42输出端与高度角回转支承43的输入端相连，高度角回转支承43的输出端与镜框5相连。
图5、图6所示为调焦器与光纤束结构示意图。图中，所述调焦器8由固定板80、X轴调节板81、Y轴调节板82、Z轴套管12、X轴调节螺栓I 8101、X轴调节螺栓II 8102、Y轴调节螺栓I 8201、Y轴调节螺栓II 8202、Z轴调节螺栓84、匀光腔14组成，其中，固定板80、X轴调节板81和Y轴调节板82之间由调节板滑块83连接；X轴调节板81通过调节X轴调节螺栓I 8101和X轴调节螺栓II 8102在固定板80上沿X轴的轴向移动；Y轴调节板82通过调节Y轴调节螺栓I 8201和Y轴调节螺栓II 8202在X轴调节板81上沿Y轴的轴向移动；Z轴套管12通过调节Z轴调节螺栓84作平行于Z轴的轴向移动。
图7、图8所示为匀光腔和高温温度传感器示意图。所述匀光腔14由K个前表面反射镜15环绕而成；并且光纤束10顶端固定在匀光腔14下端；M个高温温度传感器(热电偶、铂电阻或铜电阻)16以对称形式安装在Z轴套管12顶端入口处。其中K、N、M均为3～8个。
所述前表面反射镜15数量K范围为3～8。
所述的大口径反射式光导机的工作方法的操作步骤为：
步骤一：捕获太阳光，启动方位角电机21和高度角电机41，驱动镜框5转动，粗调镜框5的角度，直至由透镜6聚焦的太阳光照射到一个或一个以上的光敏元件13上，光敏元件13输出定位信号，方位角电机21和高度角电机41停止转动；
步骤二：读取高温温度传感器16的数值，如果各个高温温度传感器的数值全部显示为常温，判定太阳聚焦光斑未被捕获，返回步骤1；如果有一个或一个以上的高温温度传感器读数为高温，进入步骤三；
步骤三：如果各个高温温度传感器的数值全部显示为高温，判定太阳聚焦光斑对准Z轴套管12的入口，进行步骤五；如果个别高温温度传感器16的数值显示为常温，判定太阳聚焦光斑没有精确对准Z轴套管12的入口，进入步骤四；
步骤四：通过分析各个高温温度传感器16输出的信号大小，判断太阳聚焦光斑中心与Z轴套管12中心的偏差方向和大小，由方位角电机21或者由高度电机41细调镜框5的角度，进行偏差控制，直至所述偏差消除，进行步骤五；
步骤五：太阳光经透镜6聚焦，依次被一次反射镜9反射、二级反射镜7反射后通过滤光片11，进入匀光腔14，匀光腔14的前表面反射镜15对聚焦阳光进行多次反射和叠加(如图8、图9所示)，输出强度均匀的聚焦光斑并照射到光纤束10，聚焦太阳光经过光纤束10传导到室内实现照明；具体如图10所示的大口径折射式光导机的工作方法流程图。
步骤110，启动；步骤120，方位角电机21和高度角电机41驱动镜框5转动，粗调镜框5的方位角和高度角，直至由一个或一个以上光敏探头13照射到太阳光，输出信号，粗调结束，进行步骤130；步骤130，判断是否有一个或多个高温温度传感器16检测到聚焦光斑，如果是，则转入步骤140，否则转入120；步骤140，判断是否全部的高温温度传感器16都检测到聚焦光斑，如果是，说明聚焦光斑中心已经对准Z轴套管12中心，进入步骤160，否则转入步骤150；步骤150，根据高温温度传感器16的输出信号计算出聚焦光斑中心与Z轴套管12的中心偏移量和偏移方向，由方位角电机21或者高度角电机41细调镜框5的角度，直至所述偏差消除，进入步骤160；步骤160，太阳光镜镜组聚焦和红外过滤后，聚焦光斑准确射入Z轴套管83上端匀光腔830，聚焦光斑的强度获得匀化，进而射入光纤束10，传输到室内照明，转入步骤170；步骤170，延时一定时间，常见的为5秒～30秒，转入步骤130。
本发明解决背景技术中所述的大口径透镜光导机的聚光光斑强度均匀化和高倍聚焦光斑的检测问题，解决实际运行中的光纤束的长寿命，消除高倍聚焦光斑检测中的高温问题，适用于背阴房间和地下室的自然光照明。

Claims (9)

1.一种大口径反射式光导机，其特征在于，大口径反射式光导机由所述的驱动机构由底座(1)、方位角驱动器(2)、U型架(3)、高度角驱动器(4)、包括透镜(6)、一级反射镜(9)、二级反射镜(7)和红外滤光片(11)的镜组、调焦器(8)、光纤束(10)构成，其中，在底座(1)上依次装配方位角驱动器(2)、U型架(3)、高度角驱动器(4)和镜框(5)，在镜框(5)顶框由四根支撑将二级反射镜(7)固定在顶面中央，透镜(6)固定二级反射镜(7)下面；在镜框(5)底框上，由对角线支撑和短边支撑支撑着不同大小的方框，小方框在底框中央，大方框在底框和小方框之间的二分之一处，并且在底框长边中部两根短支撑与大方框长边连接；四块一级反射镜(9)固定在大、小方框上，N个光敏探头(13)以对称形式安装在一级反射镜(9)的四周，其中N为3～8个；调焦器(8)由固定板(80)固定在小方框下面，Z轴套管(12)穿过小方框垂直固定在固定板80中央，其顶端正对透镜(6)中心；Z轴套管(12)顶端上安装红外滤光片(11)，红外滤光片(11)下面，Z轴套管(12)入口段为匀光腔(14)，光纤束(10)与调焦器(8)连接。
2.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述调焦器(8)由固定板(80)、X轴调节板(81)、Y轴调节板(82)、Z轴套管(12)、X轴调节螺栓I(8101)、X轴调节螺栓II(8102)、Y轴调节螺栓I(8201)、Y轴调节螺栓II(8202)、Z轴调节螺栓(84)、匀光腔(14)组成，其中，固定板(80)、X轴调节板(81)和Y轴调节板(82)之间由调节板滑块83连接；X轴调节板(81)通过调节X轴调节螺栓I(8101)和X轴调节螺栓II(8102)在固定板(80)上沿X轴的轴向移动；Y轴调节板(82)通过调节Y轴调节螺栓I(8201)和Y轴调节螺栓II(8202)在X轴调节板(81)上沿Y轴的轴向移动；Z轴套管(12)通过调节Z轴调节螺栓(84)作平行于Z轴的轴向移动。
3.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述匀光腔(14)由K个前表面反射镜(15)环绕而成；并且光纤束(10)顶端固定在匀光腔(14)下端；M个高温温度传感器(16)以对称形式安装在Z轴套管(12)顶端入口处。
4.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述底座(1)、方位角驱动器(2)、U型架(3)、高度角驱动器(4)构成驱动机构；其中，方位角电机(21)输出端与方位角减速器(22)输入端连接，方位角减速器(22)输出端与方位角回转支承(23)的输入端相连，方位角回转支承(23)的输出端与U型架(3)相连。
5.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述高度角驱动器(4)由高度角电机(41)、高度角减速机(42)、高度角回转支承(43)组成，高度角电机(41)输出端与高度角减速器(42)输入端连接，高度角减速器(42)输出端与高度角回转支承(43)的输入端相连，高度角回转支承(43)的输出端与镜框(5)相连。
6.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述透镜(6)为菲涅尔透镜。
7.根据权利要求1所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述红外滤光片(11)为红外光反射而可见光通过滤光片。
8.根据权利要求3所述的大口径反射式光导机，其特征在于，所述前表面反射镜(15)数量K范围为3～8；所述高温温度传感器(16)数量M为3～8，其高温温度传感器(16)为热电偶、铂电阻或铜电阻。
9.一种大口径反射式光导机的工作方法，其特征在于，如权利要求1所述的大口径反射式光导机的工作方法的操作步骤为：
步骤一：捕获太阳光，启动方位角电机(21)和高度角电机(41)，驱动镜框(5)转动，粗调镜框(5)的角度，直至由透镜(6)聚焦的太阳光照射到一个或一个以上的光敏元件(13)上，光敏元件(13)输出定位信号，方位角电机(21)和高度角电机(41)停止转动；
步骤二：读取高温温度传感器(16)的数值，如果各个高温温度传感器的数值全部显示为常温，判定太阳聚焦光斑未被捕获，返回步骤一；如果有一个或一个以上的高温温度传感器读数为高温，进入步骤三；
步骤三：如果各个高温温度传感器的数值全部显示为高温，判定太阳聚焦光斑对准Z轴套管(12)的入口，进行步骤五；如果个别高温温度传感器(16)的数值显示为常温，判定太阳聚焦光斑没有精确对准Z轴套管(12)的入口，进入步骤四；
步骤四：通过分析各个高温温度传感器(832)输出的信号大小，判断太阳聚焦光斑中心与Z轴套管(12)中心的偏差方向和大小，由方位角电机(21)或者由高度电机(41)细调镜框(5)的角度，进行偏差控制，直至所述偏差消除，进行步骤五；
步骤五：太阳光经透镜(6)聚焦，依次被一次反射镜(9)反射、二级反射镜(7)反射后通过滤光片(11)，进入匀光腔(14)，匀光腔(14)的前表面反射镜(15)对聚焦阳光进行多次反射和叠加，输出强度均匀的聚焦光斑，并照射到光纤束(10)，聚焦太阳光经过光纤束(10)传导到室内实现照明。
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