CN107218576A - 一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统 - Google Patents

一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，包括聚光装置、导光装置和照明装置，聚光装置包括用于收集太阳光的聚光透镜和用于控制聚光透镜旋转的光电式追踪装置；光电式追踪装置控制聚光透镜活动以收集太阳光，太阳光入射聚光透镜后形成光斑，导光装置将光斑传输至照明装置实现照明。导光装置包括设置在聚光透镜中心下方的用于传输太阳光的第一光纤和用于连接第一光纤和照明装置的第二光纤，本发明采用锥形光纤作为导光装置，锥形光纤大端口径大于光斑的直径，即使光斑出现偏移，光线也能很好地进入锥形光纤，不会出现能量损耗；锥形光纤小端适配连接第二光纤，在提高了第二光纤出口光纤的亮度的同时也节省了制造材料，大大降低成本。

Description

一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用系统，尤其涉及一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统。
背景技术
随着全球经济的快速发展，人类对自然资源的消耗与日俱增。为了实现节能减排、保护环境和社会的可持续发展，世界各国都在寻找新能源来替代传统的化石燃料，而太阳能作为一种新型的能源，越来越受到各国的关注和重视。太阳能的储量丰富，取之不尽，用之不竭，目前人类对太阳能利用的最主要的方式还停留在光伏发电上。而人类用于照明的能源消耗非常大，高成本、低效率的方式显然不适合人类的发展。由于目前对于提高导光照明系统追光精度的研究都集中在追光装置的控制上，在导光装置上的创新及研究都不够深入。采用传统光纤作为光传输装置，由于追光装置存在一些误差，当误差产生时，聚光装置形成的光斑会出现偏移，光纤无法完全进入光纤，会造成能量损失，降低利用率。
发明内容
本发明的主要目的提供一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其克服了背景技术中存在的不足，进一步提高了导光照明系统的追光精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，包括聚光装置、导光装置和照明装置，所述聚光装置包括用于收集太阳光的聚光透镜和用于控制聚光透镜旋转的光电式追踪装置；所述光电式追踪装置控制所述聚光透镜活动以收集太阳光，太阳光入射聚光透镜后形成光斑，所述导光装置将光斑传输至照明装置实现照明，所述导光装置包括设置在聚光透镜中心下方的用于传输太阳光的第一光纤和用于连接第一光纤和照明装置的第二光纤，所述第一光纤为锥形光纤且采用光学玻璃制造，所述第一光纤呈圆锥形状，所述第一光纤大端端口的直径大于光斑的直径，所述第一光纤小端适配连接所述第二光纤。
一实施例之中：所述第一光纤的光锥长度为4-8cm，所述第一光纤大端端口的直径为2-5cm，所述第一光纤的小端端口直径为0.5-1.5cm。
一实施例之中：所述聚光装置还包括固定支架和用于支撑聚光透镜的环形支撑板，所述环形支撑板与所述聚光透镜相对固定，所述聚光透镜位于环形支撑板之上且聚光透镜与环形支撑板的内孔对应。
一实施例之中：所述固定支架包括支撑结构和固定支脚，所述环形支撑板安装在支撑结构上，所述锥形光纤设置在固定支脚的底部，所述锥形光纤大端端口朝向聚光透镜，所述固定支脚的底部与所述聚光透镜的中心上下对齐设置。
一实施例之中：所述光电式追踪装置包括一比较器、若干个光敏电阻和传动结构，光敏电阻用于检测太阳的照射位置及角度，比较器根据所述光敏电阻传递的信号驱动所述传动结构，所述传动结构连接固定支架以带动固定支架活动。
一实施例之中：所述比较器为LM324运算放大器，所述比较器安装在所述环形支撑板上；所述若干个光敏电阻以聚光透镜为中心对称地布置在所述聚光透镜的四周，用于检测太阳的方位角和高度角；
所述传动结构包括驱动机构和云台，驱动机构传动连接固定支架绕第一轴线转动，驱动机构还传动连接云台以带动云台绕第二轴线转动，该第一轴线和第二轴线垂直。
一实施例之中：所述云台包括底盘、支撑面板和用于带动支撑面板旋转的第一滚轮，所述第一滚轮个数为四个，所述四个第一滚轮对称地布置在所述支撑面板下方且与所述支撑面板滚动连接，所述支撑面板采用亚克力板制造成型；
所述云台还包括旋转支架，所述旋转支架设置在支撑面板上，所述旋转支架上设有第二滚轮，所述驱动机构配合第二滚轮以带动所述固定支架转动。
一实施例之中：所述聚光透镜和所述第一光纤之间还设有可见光滤片。
一实施例之中：所述聚光透镜为菲涅尔透镜。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、本发明创新地采用锥形光纤作为导光装置，锥形光纤大端口径大于光斑的直径，即使光斑出现偏移，光线也能很好地进入锥形光纤，不会出现能量损耗；锥形光纤小端适配连接第二光纤，在提高了第二光纤出口光纤的亮度的同时也节省了制造材料，大大降低成本。另外，锥形光纤采用光学玻璃制造，耐温性较好，高密度光纤在经过锥形光纤时由锥形光纤内壁发射，降低光纤密度，一定程度上能降低温度，有效地保护了第二光纤的传输。
2、本发明采用菲涅尔透镜作为聚光透镜，菲涅尔透镜大多采用透明的塑料挤压成型，重量轻，加工方便，极大地降低了成本，而且菲涅尔透镜具有透射性能高、刚性强，抗打击能力强，不易破碎，耐腐蚀、耐高低温的特点。
3、本发明以LM324运算放大器为核心，采用光敏电阻检测太阳关的位置和角度来输出信号，以配合驱动机构驱动传动结构控制聚光透镜转动，从而实现聚光透镜平面始终垂直于太阳光线，从而获得最长时间的光照时间，有效地提高了太阳光的利用率。
4、本发明的环形支撑板与聚光透镜相对固定，聚光透镜位于环形支撑板之上且与环形支撑板的内孔对应，环形支撑板安装在固定支架的支撑结构上，锥形光纤设置在固定支架的固定支脚的底部，与聚光透镜的中心上下对齐设置，不仅保证了聚光透镜在旋转时的稳定性，而且使得太阳光在经过聚光透镜出射形成光斑后直接入射锥形光纤的大端端口，降低能量损耗，有效地提高了太阳光的利用率。
5、本发明的云台的支撑面板采用亚克力板制造成型，减小了滚轮和支撑面板之间的摩擦力，解决了云台带动支撑面板旋转时卡顿的问题；聚光透镜和导光装置中间设置了可见光滤光片，大大降低了光聚集的温度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的系统模拟图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明的锥形光纤的结构示意图；
图4为本发明的聚光装置的结构示意图；
图5为本发明的聚光装置和导光装置的立体结构示意图；
图6为本发明的光电式追踪装置的控制电路图；
图7为本发明一较佳实施例中光电式追踪装置的控制电路图；
图8为本发明的云台的侧视图；
图9为云台的支撑面板和滚轮的组合结构的俯视图。
具体实施方式
请查阅图1和图2,本发明提供了一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，包括聚光装置100、导光装置200和照明装置300，所述聚光装置100包括用于收集太阳光的聚光透镜101和用于控制聚光透镜旋转的光电式追踪装置102；所述光电式追踪装置102控制所述聚光透镜101活动以收集太阳光，太阳光入射聚光透镜101后形成光斑，所述导光装置200将光斑传输至照明装置300实现照明。所述导光装置200包括设置在聚光透镜中心下方的用于传输太阳光的第一光纤201和用于连接第一光纤和照明装置的第二光纤202，聚光透镜101和导光装置中间设置了可见光滤光片，大大降低了光聚集的温度。
请查阅图3，所述第一光纤201为锥形光纤且采用光学玻璃制造，所述第一光纤201呈圆锥形状。另外，所述第一光纤201大端端口的直径大于光斑的直径，所述第一光纤201小端适配连接所述第二光纤202。本实施例中,所述第一光纤的光锥长度为h,h＝5cm；所述第一光纤大端端口的直径为d1,d1＝3cm，所述第一光纤的小端端口直径为d2,d2＝1cm。
采用锥形光纤作为导光装置200，锥形光纤大端口径大于光斑的直径，即使光斑出现偏移，光线也能很好地进入锥形光纤，不会出现能量损耗；锥形光纤小端适配连接第二光纤202，在提高了第二光纤出口光纤的亮度的同时也节省了制造材料，大大降低成本。另外，锥形光纤采用光学玻璃制造，耐温性较好，高密度光纤在经过锥形光纤时由锥形光纤内壁发射，降低光纤密度，一定程度上能降低温度，有效地保护了第二光纤的传输。
请查阅图4，所述聚光装置100还包括固定支架103和用于支撑聚光透镜的环形支撑板104，所述环形支撑板104与所述聚光透镜101相对固定，所述聚光透镜101位于环形支撑板104之上且聚光透镜101与环形支撑板的内孔104’对应。
所述固定支架103包括支撑结构105和固定支脚106、所述环形支撑板104安装在支撑结构105上，所述第一光纤201设置在固定支脚106的底部，所述固定支脚106的底部与所述聚光透镜101的中心上下对齐设置。
一较佳实施例中，选用菲涅尔透镜作为聚光透镜101，菲涅尔透镜大多采用透明的塑料挤压成型，重量轻，加工方便，极大地降低了成本，而且菲涅尔透镜具有透射性能高、刚性强，抗打击能力强，不易破碎，耐腐蚀、耐高低温的特点。
请查阅图5，所述光电式追踪装置102包括一比较器107、若干个光敏电阻107’和传动结构108，所述光敏电阻用于检测太阳的照射位置及角度，所述比较器107根据所述光敏电阻传递的信号驱动所述传动结构108，所述传动结构108连接固定支架103以带动固定支架130活动。
所述传动结构108包括驱动机构109和云台110，驱动机构109传动连接固定支架103绕第一轴线转动，驱动机构109还传动连接云台110以带动云台绕第二轴线转动，该第一轴线和第二轴线垂直。
一较佳实施例中，采用LM324运算放大器作为比较器107，采用直流减速电机作为驱动机构109，所述比较器107安装在所述环形支撑板104上。所述若干个光敏电阻107’以聚光透镜101为中心对称地布置在聚光透镜的四周，用于检测太阳的方位角和高度角。通过四个光敏电阻107’在光照强度不同的情况下阻值不同，然后利用桥式比较电路，分别在不同的LM324的输出端输出不同的信号，进而控制直流减速电机来驱动传动结构108，实现聚光透镜平面始终垂直太阳光线，从而获得最长时间的光照时间，有效的提高太阳光的利用效率。这种跟踪方式的优点在于控制较精确,且电路也比较容易实现。
具体地，将所述四个光敏电阻107’分为两组，每组由两个光敏电阻107’组成，一组检测东西方向的光照，另外一组检测南北方向的光照。请查阅图6，所述位于东西方向的光敏电阻107’用于检测太阳的方位角，所述位于南北方向的光敏电阻用于检测太阳的高度角。所述光敏电阻随光照的变化产生电阻变化，然后转换为相应的电信号送至比较器LM324的输入端，LM324的输出端输出相应的控制信号来控制直流减速电机工作，及时调整聚光透镜与太阳光的夹角，从而实现对太阳光的实时跟踪。
一实施例中，就检测东西方向的太阳光照进行分析。如图7所示，电阻R1、R3和光敏电阻DONG、XI构成桥式比较电路，下方接电源正，上方接电源负。当太阳光光照强度在光敏电阻DONG、XI上不同时，两个光敏电阻中间点的偏置电压与两个电阻R1和R3产生的参考电压进行比较。当光敏电阻DONG受到的光照强度高于XI时，光敏电阻DONG的阻值比XI小，中间点的偏置电压大于6V，则比较器中的LM324(U1：A)输出0，LM324(U1：B)输出1，两个信号直接驱动直流减速电机转动，直到中间点偏置电压为6V为止；当光敏电阻处于相反的情况下时，检测电路输出相反的信号，控制直流减速电机做出相反方向的转动。另外，如图6和图7所示，R5和R6在电路中起到消除抖动的作用，防止机械结构因为惯性而产生来回摇摆的现象。
请查阅图8和图9，一较佳实施例中，所述云台110包括底盘111、支撑面板112和用于带动支撑面板旋转的第一滚轮113，所述第一滚轮113个数为四个，所述四个第一滚轮113对称地布置在所述支撑面板112下方且与所述支撑面板滚动连接，所述支撑面板112采用亚克力板制造成型；
另外，所述云台110还包括旋转支架114，述旋转支架114设置在支撑面板112上，所述旋转支架114上设有第二滚轮115，所述驱动机构配合第二滚轮115以带动所述固定支架转动。
云台的支撑面板110采用亚克力板制造成型，减小了滚轮和支撑面板之间的摩擦力，解决了云台带动支撑面板旋转时卡顿的问题。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，包括聚光装置、导光装置和照明装置，所述聚光装置包括用于收集太阳光的聚光透镜和用于控制聚光透镜旋转的光电式追踪装置；所述光电式追踪装置控制所述聚光透镜活动以收集太阳光，太阳光入射聚光透镜后形成光斑，所述导光装置将光斑传输至照明装置实现照明，其特征在于：所述导光装置包括设置在聚光透镜中心下方的用于传输太阳光的第一光纤和用于连接第一光纤和照明装置的第二光纤，所述第一光纤为锥形光纤且采用光学玻璃制造，所述第一光纤呈圆锥形状，所述第一光纤大端端口的直径大于光斑的直径，所述第一光纤小端适配连接所述第二光纤。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述第一光纤的光锥长度为4-8cm，所述第一光纤大端端口的直径为2-5cm，所述第一光纤的小端端口直径为0.5-1.5cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述聚光装置还包括固定支架和用于支撑聚光透镜的环形支撑板，所述环形支撑板与所述聚光透镜相对固定，所述聚光透镜位于环形支撑板之上且聚光透镜与环形支撑板的内孔对应。
4.根据权利要求3所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述固定支架包括支撑结构和固定支脚,所述环形支撑板安装在支撑结构上，所述锥形光纤设置在固定支脚的底部，所述锥形光纤大端端口朝向聚光透镜，所述固定支脚的底部与所述聚光透镜的中心上下对齐设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述光电式追踪装置包括一比较器、若干个光敏电阻和传动结构，光敏电阻用于检测太阳的照射位置及角度，比较器根据所述光敏电阻传递的信号驱动所述传动结构，所述传动结构连接固定支架以带动固定支架活动。
6.根据权利要求5所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述比较器为LM324运算放大器，所述比较器安装在所述环形支撑板上；所述若干个光敏电阻以聚光透镜为中心对称地布置在所述聚光透镜的四周，用于检测太阳的方位角和高度角；
所述传动结构包括驱动机构和云台，驱动机构传动连接固定支架绕第一轴线转动，驱动机构还传动连接云台以带动云台绕第二轴线转动，该第一轴线和第二轴线垂直。
7.根据权利要求6所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述云台包括底盘、支撑面板和用于带动支撑面板旋转的第一滚轮，所述第一滚轮个数为四个，所述四个第一滚轮对称地布置在所述支撑面板下方且与所述支撑面板滚动连接，所述支撑面板采用亚克力板制造成型；
所述云台还包括旋转支架，所述旋转支架设置在支撑面板上，所述旋转支架上设有第二滚轮，所述驱动机构配合第二滚轮以带动所述固定支架转动。
8.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述聚光透镜和所述第一光纤之间还设有可见光滤片。
9.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤导光的光漏斗照明系统，其特征在于：所述聚光透镜为菲涅尔透镜。
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