CN107448900A - 阳光垂直朝下导向器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阳光垂直朝下导向器，包括圆基座、透明平板、带状螺纹透镜、半球形透明防护罩、追踪控制系统、机械传动装置、旋转板、反光镜、透明组合棱镜、感光探测传感器；感光探测传感器用于检测光照方向和亮度，配合使用追踪控制系统和机械传动装置，根据检测到的光线方向驱动机械传动装置带动透明组合棱镜和反光镜转动，使透明组合棱镜始终朝向太阳光。本发明使采集的光得到最大效果的利用，有效降低了成本；设施安装方便灵活，可以适应各种建筑形成的需要，尤其可以应用于高层建筑楼，利用屋顶阳光改善高楼内的光线；真正实现太阳光的全光谱利用；适合各种建筑的大面积采光需求，同时经济适用，采光效果高。

Description

阳光垂直朝下导向器

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，尤其涉及一种阳光自动追踪并通过透明组合棱镜和反光镜传输阳光垂直朝下的照明装置。

背景技术

照明是人类消耗能量最多的一项需求。据统计，发达国家的照明能耗占总能耗的9％以上，我国发达地区的照明能耗占总能耗的6％～9％。以美国为例，每天花在照明上的费用高达1亿美元以上，占全部发电量的1/4左右，而在照明用电中真正用于发光的不过25％，其余则变为了热能。

众所周知，太阳光是最典型、能量最强的自然光源，并且取之不尽，用之不竭。但实际上，仅有很少的太阳光通过玻璃窗、天窗，为人们用做室内照明，因此进一步开发利用太阳光不仅具有极大的潜力，可以有效节能，同时也符合人类追求高品质生活质量和生活环境的现代生活理念。

太阳光光纤采光照明技术由于具有系统体积小巧、照明方式特殊等优点，因此长期以来一直是国外的研究热点之一。这项技术通过聚光元件高效采集太阳光，借助柔软的光纤将太阳光很方便地传至任何所需场所使用，并且为提高采光效率，整机还配备有实时、精确跟踪太阳的装置。本发明申请人对该课题也进行了长期深入的研究，其核心技术成果曾向国家知识产权局提交过申请号为：200710022259.6、200810196402.8多项专利申请，其中已授权的200720037444.8《阳电采光器》公开了一种有聚光采光器、驱动聚光采光器转动的机械传动装置、控制机械传动装置的光信号反馈处理电路、向光信号反馈处理电路传送探测信号的光敏探测传感器组成的采光装置。该装置的具体情况可以参见已公开的专利文件，有光自动跟踪控制的基本过程为：当光敏探测传感器中的探测传感器件感知太阳光入射光线角度变化时，将向跟踪控制电路发出相应信号，在跟踪控制电路中信号经比较、放大处理后，控制机械传动机构向调整入射光线的相应方向运转，直至太阳光入射角度达到理想状态。

虽然本发明申请人经过对聚光、跟踪、传光等多项技术的成功攻关，使自行研制的自动跟踪太阳采光装置的性能价格比已处于国际领先水平，但由于该装置对光纤的长距离、低损耗传输性能和低成本制造技术要求都很高，而特定光纤的传输波长受到限制，加之国内家庭经济承受能力有限，因此尚未能在国内得到大面积推广应用。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中采用传光光纤存在的高传输性能与价格的矛盾，解决高层天井建筑的天井采光改善要求，利用屋顶阳光改善高楼内的光线，本发明提供一种阳光垂直朝下导向器。

技术方案：一种阳光垂直朝下导向器，包括圆基座、透明平板、带状螺纹透镜、环型盖板罩、半球形透明防护罩、追踪控制系统、机械传动装置、旋转板、反光镜、透明组合棱镜、感光探测传感器；所述圆基座包括底座与侧壁，透明平板位于圆基座内的底座上，透明平板上安装有多个带状螺纹透镜；环形盖板罩罩在圆基座外，半球形透明防护罩安装在环形盖板罩上；机械传动装置包括电机、小圆柱齿轮、环形大圆柱齿轮；所述环形大圆柱齿轮安装在圆基座侧壁的上边缘；反光镜与透明组合棱镜均安装在旋转板上，且位于半球形透明防护罩内，反光镜与透明组合棱镜均与水平面呈斜角，且反光镜与透明组合棱镜互相垂直；感光探测传感器安装在透明组合棱镜上；所述追踪控制系统用于检测光照角度并驱动电机工作，所述电机驱动小圆柱齿轮围绕环形大圆柱齿轮转动；旋转板的下方装有多个滚珠支承，多个滚珠支承沿环形大圆柱齿轮上的半圆形轨道滚动。

优选的，所述透明组合棱镜的上表面为三角直齿横行组合，下表面为平面，透明组合棱镜为聚碳酸酯材料；所述反光镜为冷光平面反射镜、凹曲面聚光反光镜、凸曲面扩光反光镜中的一种，反光镜的材质为金属铝、不锈钢、玻璃、塑料中的一种，反光镜的表面经过真空镀银膜制镜处理。透明组合棱镜可以把太阳光的光线导向下，反光镜与透明组合棱镜的配合，最大程度将光线采集。

优选的，所述透明组合棱镜与反光镜的水平方向安装角度均为45°；反光镜顶部通过联接90°角板与透明组合棱镜固定。反光镜与透明组合棱镜垂直设置效果更佳。

优选的，所述感光探测传感器包括环境光感光探测传感器与方位角感光探测传感器，所述环境光感光探测传感器安装在透明组合棱镜的垂直方向中心轴线的上部；方位角感光探测传感器安装在透明组合棱镜的垂直方向中心轴线的中间位置处。

优选的，所述带状螺纹透镜为若干个整圆环带状螺纹透镜、半圆环带状螺纹透镜、四分之一圆环带状螺纹透镜中的一种。根据需求不同选择合适形状的带状螺纹透镜。

优选的，所述机械传动装置还包括垂直主轴、推力球轴承、轴承座、向心球轴承、滚珠支承，所述电机经向心球轴承通过联电机器固定在所述旋转板上，电机由追踪控制系统控制转动；小圆柱齿轮包括一个主动轮和若干从动轮，电机通过垂直主轴由平键连接主动轮，主动轮上方和下方采用一对推力球轴承支撑，从动轮通过轴承座、向心球轴承、垂直主轴、推力球轴承安装在旋转板上。

优选的，所述圆基座的侧壁内表面安装有下光导管，圆基座侧壁外表面安装有圆周防护板；圆基座的底座安装在支撑架上，所述支撑架与楼顶用地脚螺栓连接。

优选的，所述旋转板内壁安装有上光导管，且旋转板上还安装有两个限位开关，所述限位开关包括东方限位开关与西方限位开关，东方限位开关安装在东方偏南15°位置，西方限位开关安装在西方偏南15°位置；还包括两个限位保险开关，所述限位保险开关靠近限位开关位置设置且位于限位开关的南侧。

优选的，圆基座侧壁的内表面朝东方向中间位置装有限位碰停。

优选的，所述圆基座的底座上设有若干个通风器。

工作原理：该阳光垂直朝下导向器安装在建筑屋顶上，透明组合棱镜和反光镜折射和反射效率的面积最大化，其光路始终垂直朝下传输，再通过环带状螺纹透镜将阳光传输到需要光照的地方。配合使用追踪控制系统和机械传动装置，根据检测到的光线方向驱动机械传动装置带动透明组合棱镜和反光镜转动，使透明组合棱镜始终朝向太阳光。

有益效果：本发明提供一种阳光垂直朝下导向器，使采集的光得到最大效果的利用，有效降低了成本；设施安装方便灵活，可以适应各种建筑形成的需要，尤其可以应用于高层建筑楼，利用屋顶阳光改善高楼内的光线。综上所述，本发明不仅能传输可见光，还能传输红外光、紫外光，因此真正实现了太阳光的全光谱利用；具有设计方案科学合理，适合各种建筑的大面积采光需求，同时经济适用，采光效果高。是一套完整的采光解决方案，推广后将产生较高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是阳光垂直朝下导向器折射和反射结构正视示意视图；

图2是机械传动装置的结构示意图；

图3是阳光垂直朝下导向器折射和反射结构俯视示意视图；

图4是整圆环带状螺纹透镜安装状态示意视图；

图5是半圆环带状螺纹透镜安装状态示意视图；

图6是四分之一环带状螺纹透镜安装状态示意视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，阳光垂直朝下导向器，包括圆基座1、透明平板2、带状螺纹透镜3、半球形透明防护罩4、旋转板5、反光镜6、透明组合棱镜7、感光探测传感器、追踪控制系统、机械传动装置、环型盖板罩16；所述圆基座1包括底座11与侧壁12，透明平板2位于圆基座1内的底座11上，透明平板2上安装有多个带状螺纹透镜3；环形盖板罩16罩在圆基座1外，半球形透明防护罩4安装在环形盖板罩16上；机械传动装置包括电机91、小圆柱齿轮93、环形大圆柱齿轮98；所述环形大圆柱齿轮98安装在圆基座侧壁12的上边缘；反光镜6与透明组合棱镜7均安装在旋转板5上，且位于半球形透明防护罩4内，反光镜6与透明组合棱镜7均与水平面呈45°斜角，且反光镜6与透明组合棱镜7之间近似90°，反光镜6顶部通过联接90°角板61与透明组合棱镜7固定；感光探测传感器安装在透明组合棱镜7上，所述感光探测传感器包括环境光感光探测传感器81与方位角感光探测传感器82，所述环境光感光探测传感器81安装在透明组合棱镜7靠近半球形透明防护罩4顶部的位置，即透明组合棱镜7垂直方向中心轴线的上部，方位角感光探测传感器82安装在透明组合棱镜7垂直方向中心轴线的中心位置；所述追踪控制系统用于检测光照角度并驱动电机91工作，所述电机91驱动小圆柱齿轮93围绕环形大圆柱齿轮98转动；旋转板5的下方装有多个滚珠支承，多个滚珠支承沿环形大圆柱齿轮98上的半圆形轨道滚动，从而带动旋转板5绕圆基座1圆心转动。

所述透明组合棱镜7的上表面为三角直齿横行组合，下表面为平面，透明组合棱镜7为聚碳酸酯材料；所述反光镜6为冷光平面反射镜、凹曲面聚光反光镜、凸曲面扩光反光镜中的一种，反光镜6的材质为金属铝、不锈钢、玻璃、塑料中的一种，反光镜6的表面经过真空镀银膜制镜处理。

如图4至6所示，所述带状螺纹透镜3有若干个，可以是整圆环带状螺纹透镜、半圆环带状螺纹透镜、四分之一圆环带状螺纹透镜中的一种。根据不同的需求选择不同的带状螺纹透镜3。比如根据光线正中要求时透明平板上装7片整圆环带状螺纹透镜3，见图3；根据光线单面偏向要求时透明平板上装14片半圆环带状螺纹透镜31，见图4；根据光线偏向面要求时透明平板上装28片分之圆环带状螺纹透镜32，见图5。本实施例中安装的是7片整圆环带状螺纹透镜3，如图3所示。

追踪控制系统是方位角感光探测传感器82和环境光感光探测传感器81将东西方向的太阳能信号转换成电信号；中央处理电路：对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路：有驱动器、限位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器控制电机动作；追踪控制系统为现有技术。

如图1和2所示，所述机械传动装置包括电机91、垂直主轴92、小圆柱齿轮93、推力球轴承94、轴承座95、向心球轴承96、滚珠支承97、环形大圆柱齿轮98，所述电机经向心球轴承96通过联电机器99固定在所述旋转板5上，电机91由追踪控制系统控制转动；小圆柱齿轮93包括一个主动轮和若干从动轮，电机91通过垂直主轴92由平键连接主动轮，主动轮上方和下方采用一对推力球轴承94支撑，从动轮通过轴承座95、向心球轴承96、垂直主轴92、推力球轴承94安装在旋转板5上；环形大圆柱齿轮98固定在圆基座1的圆周上，旋转板5并装有多个滚珠支承97，多个滚珠支承97沿环形大圆柱齿轮98上的半圆形轨道滚动。如图3所示，追踪控制系统24安装在旋转板5上。

所述圆基座的侧壁12内表面安装有下光导管14，圆基座侧壁12外表面安装有圆周防护板12；圆基座的底座11安装在支撑架上，所述支撑架与楼顶用地脚螺栓连接。

如图3所示，所述旋转板5内壁安装有上光导管13，且旋转板5上还安装有两个限位开关，包括东方限位开关16与西方限位开关17，东方限位开关16安装在东方偏南15°位置，西方限位开关17安装在西方偏南15°位置；还包括两个限位保险开关18、19，所述限位保险开关18、19靠近限位开16、17位置设置。圆基座侧壁12的内表面朝东方向中间位置装有限位碰停19。限位开关的作用是当透明组合棱镜旋转到该位置时，就会发送信号给中央处理电路，因此只有在白天的时候，追踪控制系统工作。限位保险开关的作用是为了防止限位开关失效的情况下，还有限位保险开关做保障，这里限位保险开关的结构与限位开关相同。限位碰停19设在圆基座侧壁的内壁上，当旋转板上限位开关碰触到限位碰停19时，便不再继续旋转，这样可以防止旋转板旋转角度过大，或者旋转若干圈导致绕线的故障。

所述圆基座的底座11上设有若干个通风器111，本实施例中设有24个通风器，用于通风。

环境光感光探测传感器81检测环境光的亮度以此来判断是否有太阳；方位角感光探测传感器82向控制系统提供太阳东西方向位置信息，通过方位角感光探测传感器的太阳位置的检测，追踪控制系统接受感光探测传感器的信号后，判断光线的方位，并通过驱动机械传动装置驱动反光镜6和透明组合棱镜7围绕作东、西平面方向角度调整；其复合运动的结果使采光系统的透明组合棱镜的采光面可以始终朝向太阳，采集最大面积汇聚阳光，将阳光折射和反射、漫射的方式传输光路垂直向下。

实践证明，一种阳光垂直朝下导向器低耗电、长距离、高效率、全光谱、低成本地采集并传输太阳光，并且工艺简单，便于推广应用。

Claims (10)

1.一种阳光垂直朝下导向器，其特征在于，包括圆基座、透明平板、带状螺纹透镜、环型盖板罩、半球形透明防护罩、追踪控制系统、机械传动装置、旋转板、反光镜、透明组合棱镜、感光探测传感器；所述圆基座包括底座与侧壁，透明平板位于圆基座内的底座上，透明平板上安装有多个带状螺纹透镜；环形盖板罩罩在圆基座外，半球形透明防护罩安装在环形盖板罩上；机械传动装置包括电机、小圆柱齿轮、环形大圆柱齿轮；所述环形大圆柱齿轮安装在圆基座侧壁的上边缘；反光镜与透明组合棱镜均安装在旋转板上，且位于半球形透明防护罩内，反光镜与透明组合棱镜均与水平面呈斜角，且反光镜与透明组合棱镜互相垂直；感光探测传感器安装在透明组合棱镜上；所述追踪控制系统用于检测光照角度并驱动电机工作，所述电机驱动小圆柱齿轮围绕环形大圆柱齿轮转动；旋转板的下方装有多个滚珠支承，多个滚珠支承沿环形大圆柱齿轮上的半圆形轨道滚动。

2.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述透明组合棱镜的上表面为三角直齿横行组合，下表面为平面，透明组合棱镜为聚碳酸酯材料；所述反光镜为冷光平面反射镜、凹曲面聚光反光镜、凸曲面扩光反光镜中的一种，反光镜的材质为金属铝、不锈钢、玻璃、塑料中的一种，反光镜的表面经过真空镀银膜制镜处理。

3.根据权利要求1或2所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述透明组合棱镜与反光镜的水平方向安装角度均为45°；反光镜顶部通过联接90°角板与透明组合棱镜固定。

4.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述感光探测传感器包括环境光感光探测传感器与方位角感光探测传感器，所述环境光感光探测传感器安装在透明组合棱镜的垂直方向中心轴线的上部；方位角感光探测传感器安装在透明组合棱镜的垂直方向中心轴线的中间位置处。

5.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述带状螺纹透镜为若干个整圆环带状螺纹透镜、半圆环带状螺纹透镜、四分之一圆环带状螺纹透镜中的一种。

6.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述机械传动装置还包括垂直主轴、推力球轴承、轴承座、向心球轴承、滚珠支承，所述电机经向心球轴承通过联电机器固定在所述旋转板上，电机由追踪控制系统控制转动；小圆柱齿轮包括一个主动轮和若干从动轮，电机通过垂直主轴由平键连接主动轮，主动轮上方和下放采用一对推力球轴承支撑，从动轮通过轴承座、向心球轴承、垂直主轴、推力球轴承安装在旋转板上。

7.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述圆基座的侧壁内表面安装有下光导管，圆基座侧壁外表面安装有圆周防护板；圆基座的底座安装在支撑架上，所述支撑架与楼顶用地脚螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述旋转板内壁安装有上光导管，且旋转板上还安装有两个限位开关，所述限位开关包括东方限位开关与西方限位开关，东方限位开关安装在东方偏南15°位置，西方限位开关安装在西方偏南15°位置；还包括两个限位保险开关，所述限位保险开关靠近限位开关位置设置且位于限位开关的南侧。

9.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，圆基座侧壁的内表面朝东方向中间位置装有限位碰停。

10.根据权利要求1所述的阳光垂直朝下导向器，其特征在于，所述圆基座的底座上设有若干个通风器。