CN107023802B - 一种高效率的面板式自然光收集器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，具体为一种高效面板式自然光收集器。该自然光收集器的单元结构由主体平面面板、第二抛物面反射器、收光出射通道、第一抛物面反射器及调光反射器组成；第一抛物面反射器位于主体平面面板下表面，第二抛物面反射器位于主体平面面板上表面，其焦点与第一抛物面反射器焦点重合，第一抛物面反射器与第二抛物面反射器形状上相似，且第二抛物面反射器尺寸较小，调光反射器位于第一抛物面反射器正上方，其水平宽度与第二抛物面反射器水平宽度相同；收光出射通道位于平面面板一端，用于收集各个方向反射来的光线并将其导出收集器；通过若干个上述单元结构的排列组合实现将一定面积的自然光会聚起来，实现自然光的高效收集利用。

Description

一种高效率的面板式自然光收集器

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种对自然光进行收集并且提供高光能利用效率的光学系统。

背景技术

目前市场上出现的自然光收集器主要包括两类。一类是采用采光罩采光，在建筑顶部安装采光罩对光线进行收集，然后通过导光的管道穿过建筑将光线导入室内，从而实现配光；另一类是通过面板收光，在建筑顶部安置收光板进行收光，再通过导光管导入室内，之前的收光面板是通过底部呈45°的锯齿结构将光线转折90°后形成线光源，再通过侧面的45°锯齿将线光源变成点光源，经导光管导入室内。

现行自然光收集装置存在如下问题：1、通过采光罩采光后，在通过管道将光线导入室内的过程中，因为导光管道体积巨大，会严重破坏建筑的结构，占用大量建筑空间，并且安装不方便，造价也相当高，很难实现产业化；2、锯齿状的收光板结构由于各锯齿的高度相同，前一锯齿会遮挡到其后面锯齿传播过来的光线，造成大量的光损失，收光效率极其低下，成本高，无法满足日常照明及需要高光能量光的系统等要求。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高效的面板式自然光收集器。

本发明提供的高效面板式自然光收集器，是使用平面面板作为主体，通过第一抛物面反射器、第二抛物面反射器、调光反射器和收光出射通道实现对太阳光的高效收集。

本发明提供的高效面板式自然光收光器，其单元结构由主体平面面板、第二抛物面反射器、收光出射通道、第一抛物面反射器及调光反射器组成；所述第一抛物面反射器位于主体平面面板下表面，第二抛物面反射器位于主体平面面板上表面，其焦点与第一抛物面反射器焦点重合，第一抛物面反射器与第二抛物面反射器形状上相似，且第二抛物面反射器尺寸较小，主体平面平板的上表面除了第二抛物面反射器占据较少的面积之外，其余大部分平面用于入射的自然光入射窗口，调光反射器位于第一抛物面反射器正上方，其水平宽度与第二抛物面反射器水平宽度相同；所述的收光出射通道位于平面面板一端，用于收集各个方向反射来的光线并将其导出收集器；其中：

垂直入射的自然光透过主体平面面板在第一抛物面反射器反射会聚到焦点处，再经过第二抛物面反射器准直出射，再经过调光反射器反射至主体平面面板上表面，在其上表面全反射至收光出射通道处，或者调整调光反射器的反射面，使得每一个调光反射面的光直接会聚到出射通道，同时适当调整出射通道的光束出口适合光的出射；第一抛物面反射器与第二抛物面反射器主光轴重合，调光反射器的中点也位于上述主光轴上，从而实现对自然光的高效收集。

本发明中，根据光路的可逆性，在收光出射通道处放置光源，可在主体平面面板上表面全反射至调光反射器上，再经过调光反射器反射至第二抛物面反射器上，经第二抛物面反射器反射会聚在其焦点处，再经过第一抛物面反射器反射实现准直出射，形成面板式光源垂直配光；其余的未能经过主体平面面板全反射至调光反射器上的光束反射到下表面第一抛物面上，部分反射也从主体平面面板上表面出射，形成面板不同方位的照射。

本发明中，所述第一抛物面反射器与第二抛物面反射器，两者均是标准的抛物面反射器，为了增大收光角度，两个反射器或者两者均是自由曲面构成的反射器，或者一个是标准的抛物面反射器，一个是自由曲面反射器，两者的组合；结构上均是第一面的光聚集点与第二面的光聚集点重合，包括标准的抛物面反射器以及自由曲面构成的反射器；当自然光垂直入射或者有较小的入射角入射时，抛物面反射器可以采用标准的抛物面反射器；随着入射自然光的入射角增大与变化，为了收集到较大范围入射角的入射光束，抛物面反射器可以采用改进的抛物面反射器，在其焦点附近形成弥散斑较小的光斑，可以提高收光效率。

本发明中，所述第一抛物面反射器位于平面面板下表面，其焦距略低于平面面板厚度最大处；第二抛物面反射器位于平面面板上表面，其焦距为第一抛物面反射器的1/5～1/10；两改进抛物面反射器的有效组合与匹配。

本发明中，所述收光出射通道为基于光束分布设计的倾斜收光出射通道或基于内置抛物面反射器设计的竖直收光出射通道，使得收集的自然光可以沿着面板方向与导光管耦合，也可使收集的自然光沿着垂直于面板方向与导光管耦合，与后续的导光管耦合方式不同，光出射通道就不一样，相应的结构就不一样。

本发明中，所述调光反射器为斜面反射器或者自由曲面构成的反射器，或者为斜面反射器和自由曲面构成的反射器的组合；对于面板较大、远离出射口的调光反射面，可以采取自由曲面构成的反射器调光。

本发明中，所述的主体平面面板的材料为透光材料，以便于垂直入射的自然光透过。

本发明中，所述的收光出射通道的材料与平面面板材料相同，通道长度为30～50mm，通道半径一般为10～20mm。

本发明中，所述的主体平面面板的外径大小或者边长可以是任意大小，厚度可以是外径大小或者边长的1/5～1/10，一般地，面板厚度是30～80毫米。比如，收光面板的厚度是30毫米，收光面板的大小就是150～300mm。

本发明中，所述第一抛物面反射器的水平宽度为50～120mm；在第一抛物面反射器中部，设有宽度5～12mm，深度5-10mm的凹槽，根据调光面倾斜度与水平宽度，斜面长度与之匹配,靠近出光通道与远离出光通道的调光反射器斜面倾斜度不一样, 靠近出光通道的调光反射器斜面倾斜度(θ角)较小,斜面长度较短；在第一抛物面反射器的内表面采用高反射率镜面镀膜，可以有效地提高第一抛物面反射器的反射率。

本发明中，所述第二抛物面反射器的水平宽度为5～12mm；在第二抛物面反射器的内表面采用高反射率镜面镀膜，可以有效地提高第二抛物面反射器的反射率。

本发明中，所述的调光反射器，位于第一抛物面反射器中部设置的凹槽上，水平宽度5～12mm，根据调光面倾斜度与水平宽度，斜面长度与之匹配,靠近出光通道与远离出光通道的调光反射器斜面倾斜度不一样, 靠近出光通道的调光反射器斜面倾斜度(θ角)较小,,斜面长度较短，斜面的角度与斜面中点到出光通道的距离相关，如果收集光是通过上表面一次反射到达光出射通道，出射光通道中心与斜面中心在同一高度，其具体的计算公式为：

如果收集光是直接到达光出射通道，出射光通道中心与上表面在同一高度，其具体的计算公式为：

如果收集光是直接到达光出射通道，出射光通道中心在d/2高度，其具体的计算公式为：

其中，θ为斜面与水平面的夹角，L为调光反射器中点到出光通道的水平距离，d为调光反射器中点到平面面板上表面的垂直距离；调光反射器内表面采用高反射率镜面镀膜，可以有效提高斜面反射器的反射率。

本发明中，所述的主体平面面板、第一抛物面反射器、第二抛物面反射器、调光反射器，经过旋转、拉伸、拼接方式形成扇形或矩形不同的形状，在收光出射通道处形成点状、线状不同形式的出射光束。即本发明所述面板式自然光收光器，可以以单元结构对光进行收集，也可以由多个单元结构经过有效组合后对光进行收集，即多个单元结构经过旋转、拉伸、拼接等方式形成扇形、矩形等不同形状的组合式自然光收集器。

具体来说，扇形的角度、半径或者矩形的长宽均可根据实际需要进行灵活地调整，玻璃面板上有第一抛物面反射器、第二抛物面反射器、调光反射器、收光出射通道等构造，其中，抛物面、调光反射面的形成方式可以为旋转或者水平拉伸，具体要根据平面面板的形状而定，例如扇形面板对应采用旋转的方式，矩形面板对应采用水平拉伸的方式。

本发明提出的高效面板式自然光收集器，同样适用于其他平行光线，对于垂直面板入射的平行光，收集效率约为80%以上，具有很高的收光效率，并且相对轻薄，便于安装，其收集的光可经光纤或导光管等导入室内，几乎不破环建筑结构。

附图说明

以扇形面板式自然光收集器为例。

图1是本发明所述光学体系结构的正视图。

图2是本发明所述光学体系结构的侧视图。

图3是本发明所述光学体系结构的俯视图。

图4是本发明部分自然光依次经第一抛物面反射器、第二抛物面反射器、调光反射器反射后在平面面板上表面全反射至收光出射通道的光路图。

图5是本发明所述的高效面板式自然光收集器的一个单元结构光路图。

图6是本发明部分自然光依次经第一抛物面反射器、第二抛物面反射器后，经过调光反射器反射至收光出射通道的光路图。

图7是本发明所述的60°的扇形高效面板式自然光收集器的实例三维视图。

图8是本发明所述的半圆高效面板式自然光收集器的实例三维视图。

图9是本发明所述的整圆高效面板式自然光收集器的实例三维视图。

图10是本发明所述的60°的扇形高效面板式自然光收集器在收光出射通道处的照度平面分布图。

图中标号：1为平面面板，2为第二抛物面反射器，3为收光出射通道，4为第一抛物面反射器，5为调光反射器。

具体实施方式

本发明提供的高效面板式自然光收光器，包括：主体平面面板1、第二抛物面反射器2、收光出射通道3、第一抛物面反射器4和调光反射器5；其中，所述的第一抛物面反射器4位于平面面板1的下表面，第二抛物面反射器2位于平面面板1的上表面，第一抛物面反射器4和第二抛物面反射器2的焦点重合，主光轴重合，且第一抛物面反射器4和第二抛物面反射器2在形状上保持相似，调光反射器5位于第一抛物面反射器4正上方，其中点位于主光轴上，调光反射器5与第二抛物面反射器2水平宽度相等；垂直入射的自然光透过主体平面面板1在第一抛物面反射器4反射会聚到焦点处，再经过第二抛物面反射器2准直出射，再经过调光反射器5反射至主体平面面板1上表面，在其上表面全反射至收光出射通道3，从而实现对自然光的高效收集，或者调整调光反射器5的反射面，使得由每一个调光反射器反射的光直接会聚到出射通道3出射，同时适当调整出射通道3以适合光的收集出射。

实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示的，是本发明高效面板式自然光收集器的结构示意图；平面面板厚度30mm，包含了11组第一抛物面反射器、第二抛物面反射器、调光反射器和一个收光出射通道，第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的相似比为10：1，主体平面面板是通过旋转得到的角度为60°的扇形，扇形半径约为600mm。

本发明有以下特点：

1.主体平面面板的厚度随着第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的焦距长度变化，当两个抛物面反射器的焦距之和较小时主体平面面板的厚度也较小；

2.整个高效面板式自然光收集器的收光效率与第一抛物面反射器和第二抛物面反射器的相似比有关，当相似比减小时，其收光效率会增大，因此在工业条件允许的情况下可以通过增大相似比来提高收光效率，而当相似比一定时，收光效率仅仅与反射器的反射率有关；

3.第一抛物面反射器上的凹槽的深度与第一抛物面反射器两端高度和距离收光出射通道的距离有关，一般的，凹槽深度等于第一抛物面反射器两端的高度，当凹槽距离收光出射通道的距离增加时，应适当增加凹槽的深度以避免经调光反射器反射后的光线被第一抛物面反射器遮挡；

4.本系统除了最初光垂直入射系统之外全部采用的是反射，因为不存在折射所以光线的路径与光的波长无光，因此整个系统适用于各种波长的单色光及复色光。

以上所述的本发明实施方式与特点，并不构成对本发明保护范围的限定。凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的简单修改、等同变化与修饰，外形结构的更改等均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种高效面板式自然光收集器，其特征在于，其单元结构由主体平面面板、第二抛物面反射器、收光出射通道、第一抛物面反射器及调光反射器组成；所述第一抛物面反射器位于主体平面面板下表面，第二抛物面反射器位于主体平面面板上表面，其焦点与第一抛物面反射器焦点重合；第一抛物面反射器与第二抛物面反射器形状相似，且第二抛物面反射器尺寸较小，主体平面平板的上表面除了第二抛物面反射器占据较少的面积之外，其余大部分平面用于入射的自然光入射窗口，调光反射器位于第一抛物面反射器正上方，其水平宽度与第二抛物面反射器水平宽度相同；所述的收光出射通道位于平面面板一端，用于收集各个方向反射来的光线并将其导出收集器；其中：

垂直入射的自然光透过主体平面面板在第一抛物面反射器反射会聚到焦点处，再经过第二抛物面反射器准直出射，再经过调光反射器反射至主体平面面板上表面，在其上表面全反射至收光出射通道处，或者调整调光反射器的反射面，使每一个调光反射器的光直接会聚到出射通道，同时适当调整出射通道的光束出口适合光的出射；第一抛物面反射器与第二抛物面反射器主光轴重合，调光反射器的中点也位于上述主光轴上，从而实现对自然光的高效收集；

其中，所述的调光反射器，位于第一抛物面反射器中部设置的凹槽上，水平宽度5～12mm，根据调光反射器倾斜度与水平宽度，斜面长度与之匹配,靠近收光出射通道与远离收光出射通道的调光反射器斜面倾斜度不一样, 靠近收光出射通道的调光反射器斜面倾斜度较小,斜面长度较短，斜面的角度与斜面中点到收光出射通道的距离相关，如果收集光是通过上表面一次反射到达光出射通道，收光出射通道中心与斜面中心在同一高度，其具体的计算公式为：

如果收集光是直接到达收光出射通道，收光出射通道中心与上表面在同一高度，其具体的计算公式为：

如果收集光是直接到达收光出射通道，收光出射通道中心在d/2高度，其具体的计算公式为：

其中，θ为斜面与水平面的夹角，L为调光反射器中点到收出光通道的水平距离，d为调光反射器中点到平面面板上表面的垂直距离；调光反射器内表面采用高反射率镜面镀膜。

2.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，根据光路的可逆性，在收光出射通道处放置光源，在主体平面面板上表面全反射至调光反射器上，再经过调光反射器反射至第二抛物面反射器上，经第二抛物面反射器反射会聚在其焦点处，再经过第一抛物面反射器反射实现准直出射，形成面板式光源垂直配光；其余的未能经过主体平面面板全反射至调光反射器上的光束反射到下表面第一抛物面反射器上，这部分反射光也从主体平面面板上表面出射，形成面板不同方位的照射。

3.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述第一抛物面反射器与第二抛物面反射器，两者均是标准的抛物面反射器；或者，两个反射器均是自由曲面构成的反射器，或者一个是标准的抛物面反射器，一个是自由曲面反射器，两者的组合；结构上均是第一抛物面反射器的光聚集点与第二抛物面反射器的光聚集点重合。

4.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述第一抛物面反射器位于平面面板下表面，其焦距略低于平面面板厚度最大处；第二抛物面反射器位于平面面板上表面，其焦距为第一抛物面反射器的1/5～1/10；使两抛物面反射器有效组合与匹配。

5.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述收光出射通道为基于光束分布设计的倾斜收光出射通道或者基于内置抛物面反射器设计的竖直收光出射通道，使得收集的自然光沿着面板方向与导光管耦合，或者使收集的自然光沿着垂直于面板方向与导光管耦合。

6.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述调光反射器为斜面反射器或者自由曲面构成的反射器，或者为斜面反射器和自由曲面构成的反射器的组合；对于面板较大、远离光束出口的调光反射器，采取自由曲面构成的反射器调光。

7.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述的主体平面面板的材料为透光材料，其外径大小或者边长为任意大小，厚度是外径大小或者边长的1/5～1/10；所述的收光出射通道的材料与平面面板材料相同，通道长度为30-50mm，通道半径为10～20mm。

8.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述第一抛物面反射器的水平宽度为50～120mm；在第一抛物面反射器中部，设有宽度5～12mm，深度8～12mm的凹槽，用于形成调光反射器；在第一抛物面反射器的内表面采用高反射率镜面镀膜；所述第二抛物面反射器的水平宽度为5～12mm；在第二抛物面反射器的内表面采用高反射率镜面镀膜。

9.根据权利要求1所述的高效面板式自然光收集器，其特征在于，所述的单元结构的主体平面面板（1）、第一抛物面反射器（4）、第二抛物面反射器（2）、调光反射器（5），经过旋转、拉伸、拼接方式形成扇形或矩形不同的形状，在收光出射通道（3）处形成点状、线状不同形式的出射光束。