CN105042502A - 太阳光同步照射室内特定区域的新方法 - Google Patents

太阳光同步照射室内特定区域的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，该方法首先通过聚光-调光器实现光路变换及定点输出增强平行太阳光，再由导光器把不同方向入射的增强平行太阳光穿过光洞和空气介质定向反射到预定区域上空，最后利用安装于光路上的漫反射镜组完成特定区域太阳光高效率的太阳光直接照射功能。本发明利用光路变换、定点输出以及定向反射等方法把太阳光直接通过空气介质传输到室内特定空间或者阴面房间，实现原生态太阳光低成本高效率直接照射功能，节能减排同时有效提高人们生活的质量。

Description

太阳光同步照射室内特定区域的新方法
技术领域
本发明涉及太阳能高效率应用领域，特别是把采集的太阳光高效率传输后直接实现房间内特定区域空间同步照射原生态太阳光的一种新方法。
背景技术
随着社会经济快速发展和人们生活水平不断提高，对于原生态太阳光同步照射房间内特定区域空间的要求也越来越迫切。试想若能够利用简单有效的新方法实现一定强度太阳光同步照射住房内特定区域空间：如阴面房间、盆景区、医院骨科床位以及客厅的会客区等，那么将使得阴面房间变换成阳面房间；盆景不再需要定期搬到室外而直接进行光合作用；行动不便的骨科病人也不再被艰难的抬到病房阳台或者室外晒太阳促进康复，而是躺在在自己病床上直接享受原生态太阳光照射来加快恢复健康；在会客厅与客人交谈的空间若处于一束自然太阳光照射下，那又将是使得客人显得多么的尊贵和惬意，…….。因为对于人类来说，太阳光是最好的自然光源，方便快捷的获取原生态太阳光照射对于有效提高人们在住宅内的生活质量至关重要。而取之不尽的太阳能本身就是以光能呈现的。而目前不管是光纤式或者光导管式阳光输送机直接采集太阳光同步照射的方式都由于传输过程中波长选择性损失导致其无法实现室内原生态太阳光照射，而更重要的是利用可见光部分实现同步照明功能。然而处于室内的生物不管是动物还是植物，不仅需要享受太阳光中的可见光实现直接照明使得室内更加亮堂，而且对于，病人更需要利用其中紫外光消毒杀菌，红外光取暖并促进体内钙的吸收等功能；盆景中的植物同样需要紫外光与红外光进行光合作用。并且此种方式大于40％的太阳能利用效率比目前普遍采用的通过光伏发电后再利用电光源来实施照射方法4％的效率大一个数量级。
另外，住宅房间内太阳光直接照射的需求实际上属于锦上添花型而非必须型，即是人们在购买房屋选择户型及位置朝向时所强调的阳面房间也仅是白天有太阳时段通过玻璃窗户实现比阴面房间有着更好的采光效果—太阳光照射；因此该系统作为一种理想的照射光源的同时，其本身存在着时有时无工作稳定性差的性能缺陷(如当在晚上或者尽管是白天但被云层遮挡时呈现无光状态)在此应用场合中作为锦上添花应用时则有效回避这一本身固有的技术问题。
再仔细分析住宅中房间自然采光情况。即使对于板式建筑结构来说，通常也有一半房间处于阴面位置；而且对于大城市中更多高层点式建筑结构的房间来说更突出，白天采集不到太阳光的阴面房间所占的比例更大，有些位置不好的一套房屋中阴面房间甚至高达3/4。但是如果通过一种高性价比的阳光输送机能够使得这些阴面房间一旦能够获得与太阳同步的自然阳光照射，就实现了把阴面房间变换成为阳面房间的目标，而这种基本需求又正是人们高质量生活所必然首先追求的，因此具有很大的市场需求。
然而目前其市场上的太阳光直接照明系统主要有光纤式和光导管式二种，分别为光纤式(图1a)和光导管式(图1b)。但是不管哪一种在市场竞争中由于都存在着传输效率低、成本高以及距离有限等致命缺陷而成为其推广应用中的技术瓶颈。如以光纤作为介质传输太阳光型的阳光输送机中，其塑料光纤(因其具有成本低优势)为50米长度时占到系统成本的2/3,且其传输效率仅20％左右；另外，对于常用的PMMA型塑料光纤仅能够传输波长为400-670nm的可见光，而将紫外光和红外光部分全部过滤掉而非原生态，如图2所示；而利用高反射率的光导管组成的太阳光照射系统除了传输距离受到限制外，传输效率低导致性价比低也直接限制了推广应用。
综上所述，提出一种新方法，在有效解决太阳光传输低、系统成本高导致其性价比低的基础上，又能够对于阴面房间等特定区域实现原生态太阳光同步照射功能，则将对于有效提高人们的生活质量以及实施国家节能减排的战略目标有着重大意义。
发明内容
针对上述现有技术所存在的不足，本发明的目的是提供一种太阳光同步照射室内特定区域的新方法，利用光路变换、定点输出以及定向反射等方法把太阳光直接通过空气介质传输到室内特定空间或者阴面房间，实现原生态太阳光低成本高效率直接照射功能，节能减排同时有效提高人们生活的质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
1、把阴面房间变换成阳面房间
通过安装于室外墙壁上的聚光-调光器对于太阳光的汇聚变换后定点输出，再由处于定点位置的导光器实现增强平行太阳光定向穿过墙壁上的光洞通道与空气介质后输送到阴面房间上空，最后被安装于天花板且处于光路上的漫反射镜照射到室内空间，从而实现把不同位置的阴面房间变换成阳面房间的目标。技术路线图及光路图如图3、图4a、图4b所示。其中聚光-调光器定点输出依赖于配套的极轴式驱动的自动跟踪系统；而导光器的定向反射则依靠球关节驱动结构的自动控制系统(参考发明专利：太阳光极轴式自动跟踪器：发明专利授权号：201210090712.8)。
2、阳面房间特定区域(骨科床位、会客区、盆景)太阳光照射
通过安装于室外玻璃窗户上部墙壁上的导光器把连续变化入射方向的平行太阳光以定向反射方式穿过窗口或者玻璃窗户(取决于是否打开玻璃窗扇)和空气介质后，被安装于天花板上的一组(个)漫反射镜定向照射到特定区域空间，其技术路线和光路图如图3(其中一部分)、图5及图6所示，其中配备球关节驱动装置的导光器具有把不同方向入射的平行(增强)太阳光按照要求方向进行定向反射，其内容见发明专利：一种定向反射太阳光装置，专利申请号：201410625281.x。
系统组成如下：
1、用于阴面房间太阳光直接照射系统中的免光纤式阳光输送机主要由聚光-调光器、导光器和漫反射器以及相应的二套自动跟踪系统组成，如图4所示。
各部分具体功能如下：
1)聚光-调光器1主要功能是实现平行太阳光的汇聚基础上再调节成增强平行太阳光后定点输出给定向导光器。这里以透射式点聚光的菲涅尔透镜作为光路变换器件，并且要求聚光镜与调光镜具有同一焦点和相同光轴，还有，二者距离等于其焦距之和。而所配套的闭环自动控制系统则保证聚光-调光器的共用光轴始终处于与太阳光平行状态。另外，聚光-调光器驱动装置必须为极轴式结构，以保证把聚光后再调节成的增强平行太阳光定点输出给安装在O点的定向导光器的功能。其中输出增强平行太阳光的倍数就是聚光镜面积与调光镜面积之比。当然也可以利用反射式聚光镜同样完成平行太阳光的汇聚-调节后定点输出增强平行太阳光(图4a中的1b)，其工作原理相同，不再重述。
2)定向导光器主要功能是把来自于不同方向的增强平行太阳光按照房屋墙壁(外墙壁以及室内隔墙上专门开钻的光洞)上光洞中心轴方向穿过阳面房间高效率反射到阴面房间内上空；所以要求该驱动装置必须为骨关节式机械结构，太阳光反射面为平面反射镜，其面积至少应该大于增强平行太阳光的截面积与其水平面夹角正弦值之商。而且配套有闭环自动控制系统；且其骨关节结构的球心必须处于聚光--调光器定点输出O点。
3)安装于阴面房间内屋顶固定杆下端且处于增强平行太阳光路上的漫反射镜3的功能是把该增强平行太阳光根据实际需要反射到一定区域空间，从而完成阴面房间的太阳光在免光纤条件下与太阳同步直接照射功能。通常可以采用镀有反射膜的平面光伏玻璃或者凸面反射镜来实现，其面积(截面积)至少大于增强平行太阳光的截面积与其水平面夹角正弦值之商。
4)如果由于某些原因不方便通过正对着阳面房间提供同步太阳光照射(对应的阳面房间室外采光效果差或者房间结构障碍以及使用要求等原因)，那么可以很容易在正对着的阴面房间的增强平行光路中再安装一个反射平面法线与入射光(或者反射光)之间夹角为45°的拐弯平面反射镜，即可实现部分(或全部)增强平行太阳光90°的拐弯后穿过专门在隔墙壁打开的光洞后进入斜对着的阴面房间，然后同样通过安装于天花板固定杆下端的漫反射镜把太阳光照射在特定区域的目标，如图4b所示。
2、对于阳面房间室内特定区域太阳光照射，仅需要直接把自然太阳光定向反射后再根据需要散射于要求区域空间即可，所以系统仅由阴面房间太阳光直接照射系统中的定向导光器和漫反射镜组二部分构成，因而更为简单。其中安装于阳面房间外玻璃窗户上面墙壁上的C型固定杆下端的定向导光器与自动跟踪系统一起，把不同方向入射的平行太阳光按照设计的方向通过窗户玻璃反射进入房内，再根据需要使得平行太阳光被漫反射镜组以一定角度反射到要求的区域空间：会客区、会客区、盆景区以及医院骨科床位等需要原生态太阳光同步照射的地方，如图5、图6所示。
3、采用玻璃镜面反射方式以及通过空气介质(包括玻璃窗户)传输方式能够保证原生态太阳光输送而无紫外及红外波长太阳光部分损失掉。
有益效果：本发明利用光路变换、定点输出以及定向反射等方法把太阳光直接通过空气介质传输到室内特定空间或者阴面房间，实现原生态太阳光低成本高效率直接照射功能，节能减排同时有效提高人们生活的质量，而且采用玻璃窗户上面墙壁的C型架下端的安装定向导光器的方法，使得对于玻璃窗户原来的采光和视野影响最小。
附图说明
图1为常用光纤和光导管传输太阳光形成的二种阳光输送机系统，其中a为光纤式，b为光导管式；
图2为PMMA型塑料光纤传输太阳光的光谱特性(400-670nm)；
图3为阴面房间等特定区域太阳光直接照射系统原理图；
图4a为正对着的阴面房间太阳光直接照射系统实施效果图；其中1a为点透射式聚光-调节器，1b为点反射式聚光-调节器；
图4b为斜对着的阴面房间太阳光直接照射系统光路俯视图；和图4a相比较，仅增加了一个90°拐弯的平面镜将全部(或者部分增强平行太阳光)反射穿过光洞7后进入阴面房间2；
图5为阳面房间内会客区和盆景等特定区域太阳光照射示意图；
图6为医院骨科病人享受太阳光照射示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
1、以板式建筑结构房屋为例，为了实现把阴面房间变成阳面房间情况下又保证不影响房屋结构和安全性能，并且最好在免用光纤等传光介质实现降低系统成本条件下，通过光路变换方式完成阴面房间的太阳光直接照射目标，因为免用光纤等传光介质不但使得系统成本降低为光纤式阳光输送机的三分之一，而且太阳光传输效率近乎100％，从而同时从二个方面有效提高性价比，使得具有很强市场竞争力。
具体做法如下：通常把具有定点输出增强平行太阳光功能的聚光—调光器1和定向导光器2安装于室外阳面墙壁的三脚架上(对于北半球为南面)，然后在外墙壁和房内隔墙上分别打一直径为15㎝左右的光洞通道7，和直接利用导光器2通过玻璃窗口定向反射方式相比，这种安装方式既不影响阳面房间通过窗户的采光效果和室外的视野，所打光洞通道又不影响建筑物的牢固和室内安全性。还可以通过在外墙的光洞通道7中安装平面密封玻璃来防止灰尘进入室内。而漫反射镜组3则安装于阴面房间的天花板上的固定杆8的下端。对于不能够直接通过阳面房间2把太阳光引入的阴面房间2(因为阳面房间1外面的采光效果差或者本身装修、使用等不适不宜增强平行太阳光通过等客观原因)，还可以在原来方案的基础上再在阴面房间1的光路上安装一个拐弯反射镜，使其增强平行太阳光穿过隔墙上的光洞7进入阴面房间2内，具体如图4a和图4b所示。
2、对于阳面房间室内特定区域太阳光照射，仅需要直接把自然太阳光定向反射方式通过玻璃窗户和空气介质输送后再根据需要利用安装于天花板上的漫反射镜组3将其散射于要求区域：骨科床位、会客区、盆景空间即可。
具体做法如下：把具有定向反射平行太阳光功能的导光器2安装于阳面玻璃窗户上头室外墙壁上的C型架6下端，直接把连续变化入射方向的平行太阳光定向的通过窗口(或玻璃窗户)和空气介质输送进入特定区域上空再利用安装于房间的天花板上的固定杆8的下端漫反射镜组3定向照射需要的空间，具体如图5和图6所示。这种安装于窗户上部墙壁上的方式在尽量减少施工量(如不需要打光孔)的同时，最大限度的减小对于阳面窗户采集太阳光和视野的不良影响。另外，是否直接穿过空气介质或者先通过玻璃窗户后再穿过空气介质传输到特定区域，具体根据需求以及气候环境来确定打开或者关上窗户状态下把太阳光输送进入室内，但是当窗户闭上时(如在冬天以便保温)太阳光穿过窗玻璃将损失10％左右，特别是对于目前普遍应用的中空玻璃损耗将达到15％。
虽然这种方式采用的系统结构简单，太阳光利用效率高；并且尽管其导光器安装于阳面玻璃窗户上头室外墙壁上，但是仍然会对原来通过窗户直接采光以及视野产生程度不同的影响。所以实际应用中应根据具体情况和要求设计实施方案，以达到住宅房间整体的最佳效果。

Claims (9)

1.一种太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：首先通过聚光-调光器(1)实现光路变换及定点输出增强平行太阳光，再由导光器(2)使其穿过光洞或窗户及空气介质定向反射到预定区域上空，最后利用安装于光路上的漫反射镜组(3)完成阴面房间、病人床位等特定区域太阳光高效率的直接照射功能。
2.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：所述的聚光-调光器(1)利用具有同一光轴与焦点、空间平行且距离为其焦距之和的两块菲涅尔透镜及配套的极轴式闭环自动跟踪系统组成的透射式点聚光型，或者由点聚光或者线聚光的反射式聚光-调光器与配套的极轴式自动跟踪系统组成，从而实现平行太阳光的光路变换并且定点输出增强平行太阳光给导光器，为定向反射创造条件。
3.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：所述的导光器(2)主要由平面反射镜(4)配套具有球关节驱动结构的闭环自动跟踪系统以及安装于设计光路中的传感器(5)组成，实现不同方向入射的太阳光或者增强平行太阳光按照设定方向以反射方式在空气介质中高效率传输的目标。
4.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：对于阳面房间中骨科床位等特定区域，直接利用安装于玻璃窗户上部墙壁上的C型挂杆(6)下端的导光器(2)直接把不同方向入射太阳光通过玻璃窗户定向反射进入设定空间上空。
5.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：对于阴面房间等比较远距离传输增强平行太阳光的情况，则首先需要在房屋外面阳面墙壁上安装聚光-调光器(1)和导光器(2)，并实现增强平行太阳光定点输出给导光器后，以定向平面反射方式通过光路对应内、外墙壁位置上分别开有的专用光洞通道(7)。
6.根据权利要求5所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：在光洞通道(7)中根据需要安装有平面密封玻璃。
7.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：在需要照射的空间上空利用天花板固定杆(8)下端安装漫反射镜组(3)完成对应空间的原生态太阳光同步照射功能，所述漫反射镜组(3)为镀有反射膜的光伏玻璃或者凸面反射镜。
8.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：利用处于光路上与入射光夹角为45°的拐弯平面反射镜(9)可实现全部或部分增强平行太阳光90°直角拐弯后穿过隔墙(2)上的光洞(7)而传输进阴面房间(1)隔壁的房间，完成处于斜对面位置的阴面房间(2)的太阳光同步照明。
9.根据权利要求1所述的太阳光同步照射阴面房间等室内特定区域的方法，其特征在于：系统中所有反射或者透射、漫反射的光学曲面或平面对于太阳光的波长均无选择性，即特定空间照射的太阳光仍然包含紫外光、可见光和红外光三部分且光谱曲线基本与原生态太阳光一致。
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