CN105135356B - 一种太阳光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳光照明系统，其特征在于，包括太阳光聚焦装置，在太阳光聚焦装置的后端固定连接有可伸缩、弯曲的弹性柔变弯曲导光管结构，水平方向减速步进电机驱动太阳光聚焦装置绕其输出轴摆动，竖直方向减速步进电机驱动弹性柔变弯曲导光管结构伸缩、弯曲，水平方向减速步进电机及竖直方向减速步进电机均与控制单元相连，弹性柔变弯曲导光管结构与太阳光分配、转向导光管理系统光路相通。本发明提出的太阳光照明系统属于直接法太阳光照明，并且相比于现有产品，弥补了前述不足，其成本低廉、性能突出。

Description

一种太阳光照明系统

技术领域

本发明涉及一种将太阳光导入到需光环境中的系统装置，以满足这些环境对光和热的需求，更具体地说，本发明采用一组抛物线型凹/凸面反光镜对太阳光进行聚集，采用内反光管将前述聚集的太阳光按需分配、传输导入需光环境。

背景技术

对于需光环境(完全黑暗的，或有自然采光但仍需补充照明的)，通常采用耗电光源提供照明，此法需消耗宝贵的电能(由其他能源以较低的转换效率、付出巨大的环境成本获得的高品质能源)。众所周知，太阳光是一种健康、节能又环保的光。在白天太阳光充沛的情况下，采用耗电光源照明是不合理的，尤其在当前能源紧张、环境问题日益突出的今天，采用耗电光源照明就是一种能源浪费！因此，我们需要考虑采用太阳光照明以代替白天的耗电光源照明。

当前，太阳光照明的技术路线分为直接法和间接法两种。简言之，间接法就是采用太阳能电池板进行光-电转换，再将转换所得的电用于照明。太阳能电池板的光-电转换效率只有10％左右，这么低的效率注定了其在该领域推广价值不大。直接法，不涉及能量转换，运用光反射原理将太阳光导入需光环境。当前属于直接法的产品有两种型式：大口径导光管式光导照明系统以及光导纤维式太阳光照明系统。相比于间接法，虽然这两种型式效率有所提高，但也存在以下不足。第一，大口径导光管式光导照明系统没有太阳跟踪装置，其受光面固定不动，随着太阳方位、高度角的不同，照明效果变化很大。大口径管道穿过建筑墙面、屋顶，开孔过大对建筑结构不利。第二，光导纤维式太阳光照明系统所用光纤成本较高，并且受光端存在反射损失、光照发热问题，导致其光承载量不大，聚光规模较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉且照明效果好的直接法太阳光照明系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种太阳光照明系统，其特征在于，包括太阳光聚焦装置，在太阳光聚焦装置的后端固定连接有可伸缩、弯曲的弹性柔变弯曲导光管结构，由太阳光聚焦装置将太阳光聚集成一束平行光柱后引入弹性柔变弯曲导光管结构，水平方向减速步进电机驱动太阳光聚焦装置绕其输出轴摆动，从而使得太阳光聚焦装置随太阳高度角的变化而改变抬头角度，竖直方向减速步进电机驱动弹性柔变弯曲导光管结构伸缩、弯曲，从而带动太阳光聚焦装置保持面向太阳，水平方向减速步进电机及竖直方向减速步进电机均与控制单元相连，弹性柔变弯曲导光管结构与太阳光分配、转向导光管理系统光路相通，由太阳光分配、转向导光管理系统将由弹性柔变弯曲导光管结构引入的太阳光分配至各需光端。

优选地，所述太阳光聚焦装置包括同轴线同焦点的抛物线型聚光凸面镜及抛物线型聚光凹面镜，抛物线型聚光凸面镜固定在抛物线型聚光凹面镜的上方，在抛物线型聚光凹面镜的中心形成有孔洞，太阳光经抛物线型聚光凹面镜与抛物线型聚光凸面镜两次反射后聚集成一束平行光柱穿过孔洞后进入内反光锥筒体内，内反光锥筒体与所述弹性柔变弯曲导光管结构光路相通。

优选地，所述抛物线型聚光凹面镜固定在凹面镜固定部上，所述抛物线型聚光凸面镜通过调节装置固定在凸面镜固定部上，凸面镜固定部则固定在凹面镜固定部上。

优选地，所述凸面镜固定部采用成交叉状的聚光凸面镜支撑臂。

优选地，所述抛物线型聚光凹面镜或为整片镜片，或由至少两片镜片拼接而成。

优选地，所述竖直方向减速步进电机的输出轴与Y型支架，在Y型支架顶部的两个分叉上各开有一个轴孔，与所述太阳光聚焦装置相连的所述水平方向减速步进电机的输出轴穿入一个轴孔内，在另一个轴孔内穿入有支撑框架旋转轴，支撑框架旋转轴与所述太阳光聚焦装置固定连接。

优选地，所述弹性柔变弯曲导光管结构包括柔性细丝弹簧及多片反光片，通过螺旋上升的柔性细丝弹簧将多片反光片串联成整体。

优选地，在每片所述反光片的两个角部分别设有带孔短翅片及短窄槽，在每片所述反光片的中部设有长窄槽，在所有所述反光片中，当前一片反光片，定义为反观片一、与当前反光片在周向上相邻的一片反光片，定义为反观片二、与反观片一及反观片二在径向上均相邻的一片反光片，定义为反观片三为一组反光片，对于每组反光片而言：

在反观片一上的带孔短翅片穿入反观片二上的短窄槽后再穿入反观片三上的长窄槽，所述柔性细丝弹簧再由反观片一上的带孔短翅片上的孔内穿过。

优选地，所述反光片采用不锈钢反光片，优选为柱面弯曲、内表面抛光的不锈钢薄片。

优选地，所述太阳光分配、转向导光管理系统包括与所述弹性柔变弯曲导光管结构光路相通的主管路，多条支管路与该主管路光路相通，每条支管路分别与各自的所述需光端光路相通。

与当前最先进的光导纤维式太阳光照明系统相比，本发明具有以下优点：

1、在相同外形尺寸情况下，本发明具有受光面积大的显著优势，这意味着传输更大功率的太阳光，可以照亮更大面积的需光环境。

2、太阳光从空气进入光导纤维时，直射在分界面上的太阳光会反射一部分回去，存在反射损失。而本发明所提方案让太阳光一直在空气中传播，不存在将太阳光反射回去的损失，效率更高。

3、光纤成本较高，且存在老化问题。本发明所提方案采用抛物线型凹/凸玻璃反光镜、抛光不锈钢薄片、内反光玻璃镜面导光管材料，成本相对低廉，不存在老化问题，经久耐用。

附图说明

图1为本发明系统装置的正视图；

图2为本发明系统装置的侧视图；

图3为本发明系统装置的俯视图；

图4为本发明系统装置的等轴侧视图；

图5为本发明系统装置的详解最佳视图；

图6为室内照明端剖视图；

图7为弹性柔变弯曲导光管结构详解视图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明提出的太阳光照明系统，由以下5个重要功能零部件组成：

太阳光聚集装置，包含：抛物线型聚光凸面镜1、抛物线型聚光凹面镜2、聚光凹面镜支撑框架3、聚光凸面镜支撑臂4、聚光凸面镜调整杆5、支撑框架旋转轴6、内反光锥筒体7。各零件及其装配关系描述：抛物线型聚光凹面镜2可以是一块整体玻璃反射镜，也可以分成几块(例如8块镜片拼装)安装在聚光凹面镜支撑框架3上。聚光凹面镜支撑框架3由不锈钢条组焊成框架结构，起到固定相关零件的骨架作用。成交叉状的聚光凸面镜支撑臂4焊接固定在聚光凹面镜支撑框架3上，远端安置抛物线型聚光凸面镜1。同时抛物线型聚光凸面镜1固定连接聚光凸面镜调整杆5，可以采用螺纹紧固型式调整抛物线型聚光凸面镜1，使其与抛物线型聚光凹面镜2同轴线同焦点。如此，太阳光经抛物线型聚光凹面镜2与抛物线型聚光凸面镜1两次反射后聚集成一束平行光柱穿过抛物线型聚光凹面镜2的中心孔洞以及其后面的内反光锥筒体7。置于聚光凹面镜支撑框架3中心的内反光锥筒体7可以允许前述聚集的光柱微偏但仍反射于筒体中而不外泄。最后，整个太阳光聚集装置通过支撑框架旋转轴6与视日追踪控制装置中的Y型支架9形成轴-孔连接，由水平方向减速步进电机8驱动旋转，以使太阳光聚集装置随太阳高度角的变化而相应改变抬头角度。

视日追踪控制装置，包含：水平方向减速步进电机8、Y型支架9、带轴承的轴承座10、竖直方向减速步进电机11、三脚支座12。各零件及其装配关系描述：Y型支架9支撑臂末端安装水平方向减速步进电机8，驱动前述太阳光聚集装置改变抬头角度。Y型支架9中心旋转轴穿过两个带轴承的轴承座10后由竖直方向减速步进电机11驱动旋转，以使太阳光聚集装置随太阳方位角的变化而相应改变朝向角度。带轴承的轴承座10、竖直方向减速步进电机11均安装在三脚支座12上。单片机按预置程序根据当地时间、纬度计算出太阳方位角、高度角，控制水平方向减速步进电机8、竖直方向减速步进电机11转动，实现太阳光聚集装置在一定允差范围内总是面向太阳。

弹性柔变弯曲导光管结构，包含：柔性细丝弹簧13、不锈钢反光片14。各零件及其装配关系描述：不锈钢反光片14是一种柱面弯曲、内表面抛光的不锈钢薄片，并且结构上还有带孔短翅片23、短窄槽22、长窄槽24。如图7所示的三片不锈钢反光片14为一组，每组的安装顺序如下：不锈钢反光片一14的带孔短翅片23先穿过不锈钢反光片二14的短窄槽22，接着穿过不锈钢反光片三14的长窄槽24，三者串成整体后将柔性细丝弹簧13穿过不锈钢反光片一14的带孔短翅片23上的小孔。以此类推，重复前述过程，直至将所有不锈钢反光片14串满整个柔性细丝弹簧13。如此，得到一个以柔性细丝弹簧13为骨架定位各个不锈钢反光片14的导光管，该导光管一端固定在太阳光聚集装置末端，与内反光锥筒体7对口，一端固定在太阳光分配、转向导光管路系统的导光主管弯头15竖直端，与其对口。在太阳光聚集装置对准太阳而变换不同角度时，弹性柔变弯曲导光管结构可以伸缩、弯曲，均能保证由内反光锥筒体7反射来的太阳光经内部反射后进入导光主管弯头15中，进入太阳光分配、转向导光管路系统。

太阳光分配、转向导光管路系统，包含：导光主管弯头15、导光主管16、导光管路分支管节17、导光支管18、导光支管弯头19。各零件及其装配关系描述：按太阳光传输顺序以及实际布管需要，导光主管弯头15后接导光主管16，在需要的位置后续接入导光管路分支管节17，将导光主管16分支并后续连接导光支管18以及导光支管弯头19。前述管路零件按需组合搭配，直至接入照明端导光管20。整个管路外部套有刚性保护结构，起到保护及支撑管路作用。导光主管弯头15以及导光支管弯头19均为圆截面内反光弯管，具有较大的弯曲半径以满足太阳光传输要求。导光管路分支管节17结构描述以其中一个分支为例，是由导光主管16半圆截面逐渐放样过渡到导光支管18的圆截面，两分支夹角尽可能小，中间部位实现尽可能小的劈角，以满足太阳光传输要求。

室内照明端：包含照明端导光管20、照明灯头21。各零件及其装配关系描述：照明端导光管20与导光支管18或导光支管弯头19连接，将太阳光传输照射在末端连接的照明灯头21上。照明灯头21可以根据需要设计成聚光型灯头或漫射型灯头。

除太阳光分配、转向导光管路系统、室内照明端外，室外设备整体置于透明保护罩中，防风、防雨、防尘。

Claims (8)

1.一种太阳光照明系统，其特征在于，包括太阳光聚焦装置，在太阳光聚焦装置的后端固定连接有可伸缩、弯曲的弹性柔变弯曲导光管结构，由太阳光聚焦装置将太阳光聚集成一束平行光柱后引入弹性柔变弯曲导光管结构，水平方向减速步进电机（8）驱动太阳光聚焦装置绕其输出轴摆动，从而使得太阳光聚焦装置随太阳高度角的变化而改变抬头角度，竖直方向减速步进电机（11）驱动弹性柔变弯曲导光管结构伸缩、弯曲，从而带动太阳光聚焦装置保持面向太阳，水平方向减速步进电机（8）及竖直方向减速步进电机（11）均与控制单元相连，弹性柔变弯曲导光管结构与太阳光分配、转向导光管理系统光路相通，由太阳光分配、转向导光管理系统将由弹性柔变弯曲导光管结构引入的太阳光分配至各需光端；

所述弹性柔变弯曲导光管结构包括柔性细丝弹簧（13）及多片反光片，通过螺旋上升的柔性细丝弹簧（13）将多片反光片串联成整体；

在每片所述反光片的两个角部分别设有带孔短翅片（23）及短窄槽（22），在每片所述反光片的中部设有长窄槽（24），在所有所述反光片中，当前一片反光片，定义为反光片一、与当前反光片在周向上相邻的一片反光片，定义为反光片二、与反光片一及反光片二在径向上均相邻的一片反光片，定义为反光片三为一组反光片，对于每组反光片而言：

在反光片一上的带孔短翅片（23）穿入反光片二上的短窄槽（22）后再穿入反光片三上的长窄槽（24），所述柔性细丝弹簧（13）再由反光片一上的带孔短翅片（23）上的孔内穿过；

所述太阳光分配、转向导光管理系统包括与所述弹性柔变弯曲导光管结构光路相通的主管路，多条支管路与该主管路光路相通，每条支管路分别与各自的所述需光端光路相通。

2.如权利要求1所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述太阳光聚焦装置包括同轴线同焦点的抛物线型聚光凸面镜（1）及抛物线型聚光凹面镜（2），抛物线型聚光凸面镜（1）固定在抛物线型聚光凹面镜（2）的上方，在抛物线型聚光凹面镜（2）的中心形成有孔洞，太阳光经抛物线型聚光凹面镜（2）与抛物线型聚光凸面镜（1）两次反射后聚集成一束平行光柱穿过孔洞后进入内反光锥筒体（7）内，内反光锥筒体（7）与所述弹性柔变弯曲导光管结构光路相通。

3.如权利要求2所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述抛物线型聚光凹面镜（2）固定在凹面镜固定部上，所述抛物线型聚光凸面镜（1）通过调节装置固定在凸面镜固定部上，凸面镜固定部则固定在凹面镜固定部上。

4.如权利要求3所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述凸面镜固定部采用成交叉状的聚光凸面镜支撑臂（4）。

5.如权利要求2所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述抛物线型聚光凹面镜（2）或为整片镜片，或由至少两片镜片拼接而成。

6.如权利要求1所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述竖直方向减速步进电机（11）的输出轴与Y型支架（9）相连，在Y型支架（9）顶部的两个分叉上各开有一个轴孔，与所述太阳光聚焦装置相连的所述水平方向减速步进电机（8）的输出轴穿入一个轴孔内，在另一个轴孔内穿入有支撑框架旋转轴（6），支撑框架旋转轴（6）与所述太阳光聚焦装置固定连接。

7.如权利要求1所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述反光片采用不锈钢反光片（14）。

8.如权利要求7所述的一种太阳光照明系统，其特征在于，所述不锈钢反光片（14）为柱面弯曲、内表面抛光的不锈钢薄片。