CN106885219A - 利用分光聚光技术与led并行互补技术的太阳能照明系统 - Google Patents

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黄斯豪
李艳
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Abstract

本发明公开了一种利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，包括太阳追踪单元、碟面聚光分光单元、光电传输控制单元、LED与光纤互补照明单元；碟面聚光分光单元设置在太阳追踪单元上，光电传输控制单元为碟面聚光分光单元和LED与光纤互补照明单元的连接结构；太阳追踪单元用于控制系统跟随太阳转动，使太阳光始终垂直入射在碟面聚光分光单元的碟面上，碟面上设置有分光薄膜，太阳光经分光薄膜分光，红外光透过分光薄膜被下层的太阳能电池吸收用于发电并被蓄电池储存，可见光被分光薄膜反射，经双曲面镜收集后通过光纤导入到室内进行照明；LED与光纤互补照明单元运用光控开关控制由蓄电池供电的LED阵列开启和关闭，使室内光强保持基本不变。

Description

利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，涉及一种高效利用太阳能实现照明的方案，尤其涉及一种利用分光技术实现太阳光全光谱聚光高效利用的太阳光与LED并行互补式照明系统。
背景技术
针对目前能源短缺的问题，但实际生活中又有许多场所如矿井、地下停车库、隧道、地下室等因不能直接被太阳光照射而急需照明，为了更充分利用储量巨大的太阳能，因此现在已有利用光纤将太阳光导入到应用场所实现利用太阳光直接照明的方案被提出，但这种方案仍存在缺陷，即一般照明只需占太阳光总辐射能约50%的可见光（太阳光谱380nm~760nm波段）即可，而占太阳光总辐射能约43%的红外光（太阳光谱大于760nm波段）因不能被我们的视觉所感知而被大量的浪费掉了，造成资源的浪费，因而上述方案中太阳能利用率不高，不仅如此，没有被充分利用的富含热能的红外光当被导入到应用场所时反而还会影响环境温度，对生产生活间接带来影响，同时由于传输温度过高也会加速光纤老化，使用于实际生活中传输太阳光的光纤不耐用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可将太阳光中的可见光与红外光分开利用，可见光通过光纤引导直接照明，红外光被太阳能电池吸收发电负载LED来补充照明的太阳光全光谱高效利用的方案。
本发明所采用的技术方案是：一种利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：包括太阳追踪单元、碟面聚光分光单元、光电传输控制单元、LED与光纤互补照明单元；
所述碟面聚光分光单元设置在太阳追踪单元上，所述光电传输控制单元为所述碟面聚光分光单元和LED与光纤互补照明单元的连接结构；
所述太阳追踪单元用于控制系统跟随太阳转动，使太阳光始终垂直入射在所述碟面聚光分光单元的碟面上，所述碟面上设置有分光薄膜，太阳光经分光薄膜分光，红外光透过分光薄膜被下层的太阳能电池吸收用于发电并被蓄电池储存，可见光被分光薄膜反射，经双曲面镜收集后通过光纤导入到室内进行照明；所述LED与光纤互补照明单元运用光控开关控制由蓄电池供电的LED阵列开启和关闭，使室内的光强保持基本不变。
本发明与现有技术相比，其有益的效果：一是实现太阳光全光谱中可见光和红外光被分开高效利用，极大地提高了太阳光的利用率；二是绝大部分红外光直接被太阳能电池吸收，不会经由光纤传导，因而可极大程度降低被光纤导入的光对应用场所温度的影响，并且也能减慢光纤老化的速度，适应面广。
附图说明
图1是本发明实施例的侧视图。
图2是本发明实施例的后视图。
图3是本发明实施例中贴附在碟面上的光学材料层的结构细分图。
图4是本发明实施例中太阳光经光学材料层分光和碟面汇聚可见光到双曲面镜上，再经其汇聚到输入接头中光纤束的光路示意图。
图5是本发明实施例中输入接头和光纤传输管顶部的结构示意图。
图6是本发明实施例中光纤束耦合进输入接头的俯视图和光纤束接头呈现六边形无缝镶嵌排列的放大示意图。
图7是本发明实施例中的光纤传输管和大圆螺母结构示意图。
图8是本发明实施例的灯座插管、输出接头和光纤灯座的结构示意图。
图9是本发明实施例的光纤束耦合进输出接头的底部结构示意图。
图10是本发明实施例的LED与光纤互补照明单元的结构示意图。
图11是本发明实施例的LED与光纤互补照明单元的底部结构示意图。
图12是本发明实施例的分光薄膜对太阳光中可见光和红外光透过率示意图。
其中： 11—底座；12—回转减速机；13—定心座子；14—支撑轴承；15—电动推杆；16—碟面支撑底座； 21—碟面支撑架；22—大圆螺母；23—碟面；24—光学材料层；241—贴附材料；242—下层电极；243—柔性太阳能电池；244—上层电极；245—分光薄膜；25—双曲面镜支撑杆；26—双曲面镜； 31—光纤束；32—输入接头；33—光纤传输管；34—灯座插管；35—输出接头；36—导线；37—蓄电池；38—光控开关； 41—灯座载体；42—光纤灯座；421—灯座圆螺母；422—圆台反光面；43—LED阵列。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
针对利用光纤将太阳光导入到不能直接被太阳光照射场所实现利用太阳光直接照明中，红外光未被完全利用，造成的太阳能利用率低、浪费掉的红外光影响应用场所环境温度和加速光纤老化等技术问题，本发明通过把可见光直接导入到应用场所，红外光被太阳能电池吸收发电负载LED来补充照明，使得太阳光全光谱中可见光和红外光被分开高效利用，极大地提高了太阳光的利用率，同时，绝大部分红外光直接被太阳能电池吸收，不会经由光纤传导，因而可极大程度降低被光纤导入的光对应用场所温度的影响，并且也能减慢光纤老化的速度。
请见图1-图11，本发明提供的一种利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，包括太阳追踪单元、碟面聚光分光单元、光电传输控制单元、LED与光纤互补照明单元；
本发明采用薄膜分光技术，平行太阳光照射到其膜层表面，经分光薄膜分光，红外光透过分光薄膜被下层的太阳能电池吸收用于发电并被蓄电池储存,可见光被分光薄膜反射，收集后用于直接对应用场所的照明，极大地提高了太阳光的利用率；采用自动追踪太阳技术，使平行太阳光垂直照射到贴附含有分光薄膜和太阳能电池的光学材料层的碟式反射聚光面表面；采用多反射镜聚光技术，一次碟式反射聚光面和二次双曲面对分光薄膜反射的可见光进行汇聚；采用光纤无缝耦合技术，使光纤束接头呈现六边形无缝镶嵌排列，减少因光纤耦合缝隙漏光，同时增加可见光在光纤中传播的均匀性，使从光纤传导出的并用于照明的可见光充足且均匀；采用LED与光纤照明互补技术，运用光控开关对由蓄电池供电的LED阵列明灭的自动调节，使应用场合的光强保持基本不变。
本实施例的太阳追踪单元从下至上依次包括底座11、回转减速机12、定心座子13、支撑轴承14、电动推杆15、碟面支撑底座16，回转减速机12和电动推杆15在单片机的控制下能够实现太阳追踪单元自动追踪太阳。
本实施例的碟面聚光分光单元从下至上依次包括碟面支撑架21、大圆螺母22、碟面23、光学材料层24、双曲面镜支撑杆25、双曲面镜26，碟面23受碟面支撑架21连接支撑，大圆螺母22对准碟面23中心圆孔连接在碟面支撑架21上，光学材料层24贴附在碟面23上，双曲面镜26由四支双曲面镜支撑杆25固定，使之上焦点与碟面23抛物面焦点重合；光学材料层24从下至上依次包括贴附材料241、下层电极242、柔性太阳能电池243、上层电极244、分光薄膜245。
本实施例的LED与光纤互补照明单元从外到内依次为灯座载体41、光纤灯座42、LED阵列43，四只光纤灯座42内嵌于灯座载体41四角，LED阵列43镶嵌在灯座载体41下表面；光纤灯座42从上至下依次包括灯座圆螺母421、圆台反光面422，灯座圆螺母421连接在圆台反光面422顶部，圆台反光面422内面镀银，为增大光在其表面的反射率；
本实施例的光电传输控制单元分为光电两路，光路按连接先后顺序依次为光纤束31、输入接头32、光纤传输管33、灯座插管34、输出接头35，剥去光纤束31中每一支光纤接头的外包层，经热压熔融和切割，每一支光纤接头呈现六边形并无缝镶嵌排列，光纤束31接头齐平，光纤束31接头穿过光纤传输管33内，并耦合进输入接头32并与输入接头32光纤入口处齐平，非透明的输入接头32拧合在光纤传输管33上端，并置于双曲面镜26下焦点处，光纤传输管33下端外螺纹处拧合固定在大圆螺母22处，另一端光纤束31接头在连接光纤灯座42处分成四簇，每一支光纤接头呈现六边形并无缝镶嵌排列，每一簇光纤束31接头齐平，穿过灯座插管34内，并耦合进输出接头35并与输出接头35光纤出口处齐平，透明的输出接头35拧合在灯座插管34下，灯座插管34外螺纹处拧合固定在灯座圆螺母421处；电路按连接的先后顺序依次为导线36、蓄电池37、光控开关38，导线36连接电极层243、蓄电池37、光控开关38和LED阵列43。
本实施例的光控开关安装在应用场所工作区域内，当光纤照明的光强不足低于设定的阈值时，光控开关导通由柔性太阳能电池层充电的蓄电池与LED之间的电路，补充照明，保持应用场所的光照强度基本不变，实现LED与光纤照明的自动互补。
在本发明实施例中，根据分光薄膜245的光谱特性曲线，柔性太阳能电池243的工作波长范围需大于经分光薄膜245透过的红外部分光的波长范围，在此条件下，可以满足柔性太阳能电池243吸收全部的透射光，图12给出本使用新型涉及到的分光薄膜的透过率曲线。为极大的满足光路反射条件，在碟面聚光分光单元2的焦点处放置双曲面镜26，双曲面镜26焦点与碟面聚光分光单元2的焦点重合，在双曲面镜26表面镀上高反射材料，反射可见光，实现光路逆转。图4给出双曲面镜26实现光路逆转的效果示意图。在实际中光线需要满足一定的条件才能实现在光纤中稳定传输，采用光纤耦合技术，使光纤束输入接头32呈现六边形无缝镶嵌排列，减少因光纤耦合缝隙漏光，同时增加可见光在光纤中传播的均匀性，使从光纤传导出的并用于照明的可见光充足且均匀，图5到图9给出了光纤传输和光纤排列的结构。在本系统中，光纤照明与LED互补式照明结构如图10，图11所示，结合光控开关38，可以智能型有效的调整光照明模式，如白天光照足够强，可以直接用光纤照明，太阳光照达到一定暗度LED灯自动工作，对室内补给照明，该工作模式可以高效率的利用太阳光能，还可以很好的满足室内照明条件。
本实施例的碟面聚光分光单元在太阳追踪单元支撑下对太阳进行自动追踪，太阳光垂直入射到碟面聚光分光单元上，分光薄膜层对太阳光进行分光，使红外光透过分光薄膜层被其下的柔性太阳能电池层吸收用于发电，电极层经导线连接蓄电池储存电能；可见光被分光薄膜层反射，照射到碟面焦点下的双曲面镜上，又被反射到双曲面镜的下焦点，在此点处放置着由光纤传输管支撑着的非透明的输入接头，可见光汇聚到贯穿于光纤传输管和输入接头所成管中的光纤中，再经过贯穿于灯座插管中的光纤，在透明输出接头处释放，并被内层镀银的圆台反光面汇聚于应用场所，产生充足且均匀的直接可见光照明。当应用场所光照强度低于所设定的阈值时，光控开关导通蓄电池与LED阵列间的电路，使LED阵列发光，补充照明，使应用场所的光照强度基本保持不变。从而实现太阳光全光谱中可见光和红外光被分开高效利用，极大地提高了太阳光的利用率，同时，绝大部分红外光直接被太阳能电池吸收，不会经由光纤传导，因而可极大程度降低被光纤导入的光对应用场所温度的影响，并且也能减慢光纤老化的速度。
本发明不仅能够将可见光导入到应用场所实现照明，而且能够充分利用大量的红外光发电负载LED来补充照明，从而减少资源的浪费，极大地提高了太阳光的利用率，并且减少太阳光辐射对应用场所环境温度的影响，减慢光纤老化的速度。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：包括太阳追踪单元、碟面聚光分光单元、光电传输控制单元、LED与光纤互补照明单元；
所述碟面聚光分光单元设置在太阳追踪单元上，所述光电传输控制单元为所述碟面聚光分光单元和LED与光纤互补照明单元的连接结构；
所述太阳追踪单元用于控制系统跟随太阳转动，使太阳光始终垂直入射在所述碟面聚光分光单元的碟面上，所述碟面上设置有分光薄膜，太阳光经分光薄膜分光，红外光透过分光薄膜被下层的太阳能电池吸收用于发电并被蓄电池储存，可见光被分光薄膜反射，经双曲面镜收集后通过光纤导入到室内进行照明；所述LED与光纤互补照明单元运用光控开关控制由蓄电池供电的LED阵列开启和关闭，使室内的光强保持基本不变。
2.根据权利要求1所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述太阳追踪单元包括底座（11）、回转减速机（12）、定心座子（13）、支撑轴承（14）、电动推杆（15）、碟面支撑底座（16）；所述底座（11）、回转减速机（12）、定心座子（13）、支撑轴承（14）和碟面支撑底座（16）顺序连接；所述电动推杆（15）一端与所述碟面支撑底座（16）固定连接、另一端与所述支撑轴承（14）固定连接；所述碟面支撑底座（16）与所述碟面聚光分光单元的碟面固定连接，所述回转减速机（12）和电动推杆（15）用于控制所述碟面聚光分光单元在水平和竖直方向转动，自动追踪太阳。
3.根据权利要求1所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述碟面聚光分光单元包括碟面支撑架（21）、大圆螺母（22）、碟面（23）、光学材料层（24）、双曲面镜支撑杆（25）、双曲面镜（26）；所述碟面（23）为若干，均组合安装在所述碟面支撑架（21）上，所述碟面（23）一端固定在所述碟面支撑架（21）外沿上，另一端通过所述大圆螺母（22）固定在所述碟面支撑架（21）圆心处；所述光学材料层（24）贴附在碟面（23）上；所述双曲面镜（26）通过四支双曲面镜支撑杆（25）固定在所述碟面支撑架（21）外沿上，位于所述碟面（23）抛物面焦点处。
4.根据权利要求3所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述光学材料层（24）从下至上依次包括贴附材料（241）、下层电极（242）、柔性太阳能电池（243）、上层电极（244）、分光薄膜（245）。
5.根据权利要求1所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述光电传输控制单元分为光路和电路；
所述光路按连接先后顺序依次为光纤束（31）、输入接头（32）、光纤传输管（33）、灯座插管（34）、输出接头（35）；所述输入接头（32）拧合在光纤传输管（33）上端，并置于所述碟面聚光分光单元的双曲面镜（26）下焦点处；所述光纤传输管（33）下端外螺纹处拧合固定在所述碟面聚光分光单元的大圆螺母（22）处；所述光纤束（31）一端穿入光纤传输管（33）内，并耦合进输入接头（32）并与输入接头（32）光纤入口处齐平；所述光纤束（31）另一端穿过灯座插管（34），耦合进输出接头（35），连接到灯座载体（41）上；所述灯座插管（34）外螺纹处拧合固定在灯座圆螺母（421）处；所述光纤束（31）在灯座载体（41）处分成若干簇，连接到若干光纤灯座（42）内；
所述电路按连接的先后顺序依次为导线（36）、蓄电池（37）、光控开关（38）；所述导线（36）分别连接蓄电池（37）、光控开关（38）、LED阵列（43）和所述碟面聚光分光单元中光学材料层（24）的电极层（243）。
6.根据权利要求1所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述LED与光纤互补照明单元包括灯座载体（41）、光纤灯座（42）、LED阵列（43），若干光纤灯座（42）内嵌于所述灯座载体（41）内，所述LED阵列（43）镶嵌在所述灯座载体（41）下表面。
7.根据权利要求6所述的利用分光聚光技术与LED并行互补技术的太阳能照明系统，其特征在于：所述光纤灯座（42）从上至下依次包括灯座圆螺母（421）、圆台反光面（422），灯座圆螺母（421）连接在圆台反光面（422）顶部，圆台反光面（422）内面镀银，为增大光在其表面的反射率。
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