CN108036271A - 一种太阳跟踪装置及具有其的光纤阳光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳跟踪装置及具有其的光纤阳光照明系统，属于光纤照明技术领域。本发明的太阳跟踪装置采用的是四个光敏元件结合遮挡块的设计，并且将设置在遮挡块相对侧的两个光敏元件标记为一对，进而根据光敏元件产生电信号的大小进行比较，再通过比较控制单元进行嵌入式程序控制，使得驱动系统转动采光面板的方位角及俯仰角，进而使得采光面板对准太阳光，进而使得具有其的光纤阳光照明系统，能够提高设备工作可靠性及运动性，同时，所标记的方位角及俯仰角的初始位置能够便于产品进行采光面板的位置初始化，便于设备进行调整，进一步保证阳光跟踪的准确性。

Description

一种太阳跟踪装置及具有其的光纤阳光照明系统

技术领域

本发明涉及太阳能照明技术领域，特别是涉及一种太阳跟踪装置及具有其的光纤阳光照明系统。

背景技术

近年来，由于经济建设的持续发展，节省能源和保护环境已成为当今社会的一大主题。当前，我们正面临环境恶化、全球气候变暖、能源紧缺等诸多问题，其中，想方设法利用可再生的绿色能源，成了当下研究的热门话题，也预示了未来科技的发展方向。针对于此，在20世纪末太阳能光纤照明系统这一概念被提出，其结合太阳跟踪、透镜聚焦等一系列专利技术，在焦点处大幅提升太阳光亮度，通过高通光率的光导纤维将光线引到需要采光的地方。

现有的太阳跟踪方案大体具有如下两种，所存在的缺点也比较明显：

1、视日运动轨迹跟踪：这种跟踪方式依据天文学公式利用计算机计算出当地日出至日落每一天每一时刻的太阳的方位角和高度角的参数，根据参数控制电机转动，驱动跟踪装置跟踪太阳。缺点是由于太阳位置的计算误差，机械结构的精度误差和整个跟踪过程中的误差积累引起跟踪精度不高；

2、光电跟踪方式：是通过光敏传感器进行太阳光的检测，安装时将光敏传感器按一定方式固定在跟踪装置上；当太阳偏移时，光敏器件接收到的电流偏差经过一系列放大整形，数模转换和计算处理后得到跟踪信号；通过跟踪信号驱动伺服机构动作，调整装置角度实现跟踪，光电跟踪器件的不同(如光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管等)构成了性能各异的太阳跟踪器。缺点是光敏传感器的一致性查，受外界环境影响比较大，尤其遇到多云天气时，云端的光亮点会引起跟踪器装置倾斜，严重影响正常工作。

而光纤照明系统中还存在设备组件易损坏的问题，就比如说，光纤照明中直接使用聚光透镜汇聚的光进入光纤，由而于汇聚的太阳光的温度高导致常规光纤老化严重，每3-5个月就要更换光纤，使用寿命受到严重影响，提高了设备工作成本，限制了产品的推广使用。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种太阳跟踪装置，其对于太阳的跟踪精度高、跟踪响应快，能够实时跟踪太阳，减少了外界天气状况对跟踪的影响，适应于全天候情况下对太阳光的自动跟踪，且投入的成本很低。

本发明一个进一步的目的是要提供一种光纤阳光照明系统，其不但实时调整采光角度、提高采光效率，还延长光纤的使用寿命，大大降低了产品工作成本，有利于产品的推广使用。

特别地，本发明提供了一种太阳跟踪装置，用于跟踪阳光使得采光面板直射阳光，包括：

遮挡块，呈长方体状，设置在采光面板上；

四个光敏元件，分别紧贴所述遮挡块的四个面设置，且固定在所述采光面板上，设置在所述遮挡块相对侧的两光敏元件分别构成一对光敏元件组，每对光敏元件组为两个同样规格的光敏元件；

比较控制单元，比较每对光敏元件组的输出电流并将每对光敏元件组的电流差值与设定的阈值进行比较，如大于设定阈值则发出控制指令驱动电机向每对光敏元件组中电信号强的光敏元件所在一侧转动，直至每对光敏元件组的电流差值不大于设定的阈值。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

进一步地，所述采光面板的中部设置有PCB板，所述遮挡块设置在所述PCB板的中心位置，所述遮挡块的表面为黑色。

更进一步地，所述光敏元件紧贴遮挡块的外侧底部设置在所述PCB板上，每一所述光敏元件分别固定在遮挡块每个侧面底部的中心点，四个光敏元件均匀排布。

优选地，所述光敏元件可采用光敏电阻、光敏二极管或者光敏三极管中的一种。

特别地，本发明还提供了一种光纤阳光照明系统，包括采光面板，所述采光面板上设有若干个聚光透镜，所述若干个聚光透镜采集阳光汇聚后经光纤传输至室内照明系统，所述采光面板通过驱动系统可调整其自身的方位角及俯仰角，在所述采光面板上设置有太阳跟踪装置，所述太阳跟踪装置如上文所述，所述光纤阳光照明系统根据太阳跟踪装置的反馈结果通过所述驱动系统调整所述采光面板的方位角及俯仰角。

优选地，所述采光面板通过U形支架设置在底座上，所述驱动系统包括第一减速电机和第二减速电机，所述第一减速电机设置在所述底座上，动力轴连接所述U形支架，用于带动所述U形支架转动进而调整所述采光面板的方位角，所述第二减速电机设置在所述U形支架的一条臂上，动力轴连接所述采光面板的外侧面，用于带动所述采光面板绕所述动力轴转动进而调整所述采光面板的俯仰角。

进一步地，系统还包括第一微动开关和第二微动开关，所述第一微动开关固定在所述底座上，用于检测所述U形支架另一条臂的位置作为方位角初始位置，所述第二微动开关固定在所述U形支架另一条臂上，用于检测所述采光面板的位置作为俯仰角初始位置。

更进一步地，所述底座上固定有用于密封保护的透明密封罩，所述透明密封罩为半球形，扣在所述底座上，所述采光面板、U形支架以及驱动系统均设置在所述透明密封罩内。

优选地，所述若干个聚光透镜的后端设置有红外滤光片，所述聚光透镜采集阳光经所述红外滤光片过滤再送至光纤进行传输。

进一步地，所述采光面板包括前固定板、后固定板以及固定连接前固定板与后固定板的侧板，所述侧板的外侧面通过转轴固定在所述U形支架的两臂之间，所述太阳跟踪装置固定在所述前固定板的中心位置，所述若干个聚光透镜均匀固定在所述前固定板上，所述红外滤光片设置在所述前固定板与后固定板所约束出的空腔内，用于滤除聚光透镜采集到的阳光中的红外光。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

本发明的太阳跟踪装置，采用的是四个光敏元件结合遮挡块的设计，并且将设置在遮挡块相对侧的两个光敏元件标记为一对，进而根据光敏元件产生电信号的大小进行比较，再通过比较控制单元进行嵌入式程序控制，使得驱动系统转动采光面板的方位角及俯仰角，进而使得采光面板对准太阳光，结构简单且成本低，但却能够很好地实现对于太阳的跟踪，还能够减少散杂光对跟踪精度的影响，不受天气条件的约束，使得产品更高效地工作。

进一步地，本发明在这一太阳跟踪装置的基础上提供了一种光纤阳光照明系统，能够提高设备工作可靠性及运动性，同时，所标记的方位角及俯仰角的初始位置能够便于产品进行采光面板的位置初始化，便于设备进行调整，进一步保证阳光跟踪的准确性。

除此之外，在聚光透镜的末端和光纤的输入端之间设置红外滤光片，这种滤波片的特点是滤去绝大部分红外光(热量占比最大)，而让其余波长的光通过，减少因汇聚太阳光产生的高温对光纤的损伤，也就能够延长光纤的使用寿命，大大降低了产品工作成本，有利于产品的推广使用。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的太阳跟踪装置的俯视结构示意图；

图2是图1所示太阳跟踪装置的侧视结构示意图。

图3是根据本发明另一个实施例的光纤阳光照明系统的结构示意图，其中未示出后端的光纤；

图4是根据本发明另一个实施例的光纤阳光照明系统的光路图；

图5是图3所示的光纤阳光照明系统中第一微动开关的工作原理示意图，第一微动开关的工作原理与第二微动开关的工作原理相同。

其中：

1、PCB板；2、遮挡块；31、32、33、34、光敏二极管；4、太阳跟踪装置；5、底座；6、采光面板；61、前固定板；62、后固定板；63、侧板；7、聚光透镜；8、红外滤光片；9、第一减速电机；91、第一减速电机的动力轴；92、第一减速电机的转轴臂；10、第二减速电机；11、第一微动开关；12、第二微动开关；13、透明密封罩；14、太阳光；15、光纤连接器；16、光纤。

具体实施方式

实施例1：

本实施例1描述了一种太阳跟踪装置，用于跟踪阳光使得采光面板直射阳光，所述采光面板的中部设置有PCB板1，太阳跟踪装置结构如图1、图2所示，其一般性地可以包括遮挡块2、四个光敏二极管31，32，33，34和比较控制单元，所述遮挡块2设置在所述PCB板1的中心位置，所述遮挡块2的表面为黑色，而四个光敏二极管紧贴遮挡块2下部固定在所述PCB板1上，四个光敏二极管31，32，33，34与所述比较控制单元分别相连并反馈经阳光照射所产生的电信号，比较控制单元综合处理四个光敏二极管31，32，33，34的数据并向驱动采光面板运动的驱动系统发出控制信号。

其实，将光敏二极管替换成其它的光电元件也是可以的，如光敏电阻、光敏三极管等，只要能实现光强检测，在此不再赘述。

具体说来，本实施例中的遮挡块2，一般可为长方体状，本实施例中采用的是方块状的遮挡块2，也就是各个侧面的宽度相等，而遮挡块2的外表面经过处理为黑色，该黑色方块状的遮挡块2的外侧面分别紧贴光敏二极管的，这样可以减少散杂光对跟踪精度的影响，而且太阳跟踪器与挡块的高度有关，挡块高度越高，跟踪精度会越高，具体情况可依实际情况进行调整。

然后，四个光敏二极管31，32，33，34分别紧贴所述遮挡块2的四个面设置在所述PCB板1上，且固定在所述采光面板上，每一所述光敏二极管分别固定在遮挡块2每个侧面底部的中心点，四个光敏二极管均匀排布。设置在所述遮挡块2相对侧的两光敏二极管分别构成一对光敏二极管组，每对光敏二极管组31,32或者33,34为两个同样规格的光敏二极管，如此才能够对其光强差距进行评断，否则光敏二极管的精度不同的话就会影响比较结果。最终，经所述比较控制单元，比较每对光敏二极管组31,32或者33,34的输出电流并将每对光敏二极管组31,32或者33,34的电流差值与设定的阈值进行比较，如大于设定阈值则发出控制指令驱动电机向每对光敏二极管组31,32或者33,34中电信号强的光敏二极管所在一侧转动，直至每对光敏二极管组31,32或者33,34的电流差值不大于设定的阈值。

当有太阳光照射时，如果太阳的光线不与PCB板1垂直时，在每对光敏二极管31,32或者33,34中必然至少有一只光敏二极管会被太阳光照射，而另一只光敏二极管则会存在光照面积差或者光照强度差，那么由于太阳光照射在两光敏二极管31,32或者33,34的接收面积不同，光信号变成电信号的强弱也不一样，通过设置在比较控制单元比较这一对光敏二极管31,32或者33,34的电信号大小，再通过驱动嵌入式程序控制方位角电机和俯仰角电机的转动，驱动采光面板向电信号强的光敏二极管所在方向转动，当对应的一对光敏二极管31,32或者33,34之间的电信号差在预先设定的范围内时则认为这一对光敏二极管31,32或者33,34对准了太阳光。当两对光敏二极管31,32和33,34都分别对准太阳光时，聚光透镜也就与太阳光垂直，实现了对于太阳光的实时跟踪。

也就是说，本实施例的太阳跟踪装置，采用的是四个光敏二极管结合遮挡块2的设计，并且将设置在遮挡块2相对侧的两个光敏二极管标31,32或者33,34记为一对，进而根据光敏二极管产生电信号的大小进行比较，再通过比较控制单元进行嵌入式程序控制，使得驱动系统转动采光面板的方位角及俯仰角，进而使得采光面板对准太阳光，结构简单且成本低，便于产品推广使用。同时，该太阳跟踪装置能够很好地实现对于太阳的跟踪，还能够减少散杂光对跟踪精度的影响，不受天气条件的约束，使得产品更高效地工作。

实施例2：

本实施例提供了一种光纤阳光照明系统，如图3所示，包括采光面板6，所述采光面板6上设有若干个聚光透镜7，所述若干个聚光透镜7采集阳光汇聚后经光纤传输至室内照明系统，所述采光面板6通过驱动系统可调整其自身的方位角及俯仰角，在所述采光面板6上设置有太阳跟踪装置4，所述太阳跟踪装置4如实施例1所述，所述光纤阳光照明系统根据太阳跟踪装置4的反馈结果通过所述驱动系统调整所述采光面板6的方位角及俯仰角。

优选地，所述采光面板6通过U形支架设置在底座5上，所述驱动系统包括第一减速电机9和第二减速电机10，所述第一减速电机9设置在所述底座5上，动力轴91连接所述U形支架，用于带动所述U形支架转动进而调整所述采光面板6的方位角，所述第二减速电机10设置在所述U形支架的一条臂上，动力轴连接所述采光面板6的外侧面，用于带动所述采光面板6绕所述动力轴转动进而调整所述采光面板6的俯仰角。

进一步地，该光纤阳光照明系统还包括第一微动开关11和第二微动开关12，所述第一微动开关11固定在所述底座5上，用于检测所述U形支架另一条臂的位置作为方位角初始位置，所述第二微动开关12固定在所述U形支架另一条臂上，用于检测所述采光面板6的位置作为俯仰角初始位置。

上述第一微动开关11和第二微动开关12是在在采光面板6的转动中限定出了两个初始位置，分别为方位角初始位置和俯仰角初始位置，系统每次运转时都先回到初始位置。具体说来，如图5所示，设置在底座5上的第一微动开关11固定在第一减速电机9的动力轴91旁边，所述动力轴91沿其径向具有一条转轴臂92，当动力轴91上设置的转轴臂92在转动过程中碰到第一微动开关11的微动触点时，则驱动电路断开，U形支架停止转动，这个位置亦即是方位角初始位置。相对应的，原理图可类比图5，设置在所述U形支架另一条臂上的第二微动开关12固定在第二减速电机10的动力轴旁边，所述动力轴沿其径向具有一条转轴臂，当动力轴上设置的转轴臂在转动过程中碰到第二微动开关12的微动触点时，则驱动电路断开，采光面板6停止转动，这个位置亦即是俯仰角初始位置。

当有阳光时，控制系统首先让驱动系统工作转动采光面板6使其回到初始位置，再根据太阳照射到太阳跟踪装置4上的两对光敏二极管31,32和33,34的情况，通过比较控制单元比较每对光敏二极管31,32或者33,34产生的电信号的强弱，通过驱动嵌入式程序控制驱动系统的转动，驱动系统向驱动采光面板6向电信号强的光敏二极管所在方向转动，当对应的一对光敏二极管31,32或者33,34之间的电信号差在预先设定的范围内时则认为这一对光敏二极管31,32或者33,34对准了太阳光14。当两对光敏二极管31,32和33,34都分别对准太阳光14时，聚光透镜7也就与太阳光14垂直，实现了对于太阳光14的实时跟踪。

本实施例的光纤阳光照明系统能够提高设备工作可靠性及运动性，同时，所标记的方位角及俯仰角的初始位置能够便于产品进行采光面板6的位置初始化，便于设备进行调整，进一步保证阳光跟踪的准确性。

另外，所述若干个聚光透镜7的后端设置有红外滤光片8，所述聚光透镜7采集阳光经所述红外滤光片8过滤再送至光纤16进行传输。具体说来，所述采光面板6包括前固定板61、后固定板62以及固定连接前固定板61与后固定板62的侧板63，所述侧板63的外侧面通过转轴固定在所述U形支架的两臂之间，所述PCB板1固定所书前固定板61的中心位置，所述太阳跟踪装置4再固定在所述PCB板1的中心位置，所述若干个聚光透镜7均匀固定在所述前固定板61上，光纤16是通过光纤连接器15固定在后固定板62上的，所述红外滤光片8则设置在所述前固定板61与后固定板62所约束出的空腔内，用于滤除聚光透镜7采集到的阳光中的红外光。如图4所示，太阳光14通过聚光透镜7的太阳光14经过红外滤光片8过滤后通过光纤连接器15进入光纤16，而光纤16导光进入室内用于照明，红外滤波片的特点是滤去绝大部分红外光，而让其余波长的光通过，减少因汇聚太阳光14产生的高温对光纤16的损伤，也就能够延长光纤16的使用寿命，大大降低了产品工作成本，有利于产品的推广使用。

更进一步地，所述底座5上固定有用于密封保护的透明密封罩13，所述透明密封罩13为半球形，扣在所述底座5上，所述采光面板6、U形支架以及驱动系统均设置在所述透明密封罩13内。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种太阳跟踪装置，用于跟踪阳光使得采光面板直射阳光，其特征在于，包括：

遮挡块，呈长方体状，设置在采光面板上；

四个光敏元件，分别紧贴所述遮挡块的四个面设置，且固定在所述采光面板上，设置在所述遮挡块相对侧的两光敏元件分别构成一对光敏元件组，每对光敏元件组为两个同样规格的光敏元件；

比较控制单元，比较每对光敏元件组的输出电流并将每对光敏元件组的电流差值与设定的阈值进行比较，如大于设定阈值则发出控制指令驱动电机向每对光敏元件组中电信号强的光敏元件所在一侧转动，直至每对光敏元件组的电流差值不大于设定的阈值。

2.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述采光面板的中部设置有PCB板，所述遮挡块设置在所述PCB板的中心位置，所述遮挡块的表面为黑色。

3.根据权利要求2所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述光敏元件紧贴遮挡块的外侧底部设置在所述PCB板上，每一所述光敏元件分别固定在遮挡块每个侧面底部的中心点，四个光敏元件均匀排布。

4.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述光敏元件为光敏电阻、光敏二极管或者光敏三极管中的一种。

5.一种光纤阳光照明系统，包括采光面板，所述采光面板上设有若干个聚光透镜，所述若干个聚光透镜采集阳光汇聚后经光纤传输至室内照明系统，所述采光面板通过驱动系统可调整其自身的方位角及俯仰角，其特征在于，在所述采光面板上设置有太阳跟踪装置，所述太阳跟踪装置如权利要求1至3所述，所述光纤阳光照明系统根据太阳跟踪装置的反馈结果通过所述驱动系统调整所述采光面板的方位角及俯仰角。

6.根据权利要求5所述的光纤阳光照明系统，其特征在于，所述采光面板通过U形支架设置在底座上，所述驱动系统包括第一减速电机和第二减速电机，所述第一减速电机设置在所述底座上，动力轴连接所述U形支架，用于带动所述U形支架转动进而调整所述采光面板的方位角，所述第二减速电机设置在所述U形支架的一条臂上，动力轴连接所述采光面板的外侧面，用于带动所述采光面板绕所述动力轴转动进而调整所述采光面板的俯仰角。

7.根据权利要求6所述的光纤阳光照明系统，其特征在于，系统还包括第一微动开关和第二微动开关，所述第一微动开关固定在所述底座上，用于检测所述U形支架另一条臂的位置作为方位角初始位置，所述第二微动开关固定在所述U形支架另一条臂上，用于检测所述采光面板的位置作为俯仰角初始位置。

8.根据权利要求6或7所述的光纤阳光照明系统，其特征在于，所述底座上固定有用于密封保护的透明密封罩，所述透明密封罩为半球形，扣在所述底座上，所述采光面板、U形支架以及驱动系统均设置在所述透明密封罩内。

9.根据权利要求6或7所述的光纤阳光照明系统，其特征在于，所述若干个聚光透镜的后端设置有红外滤光片，所述聚光透镜采集阳光经所述红外滤光片过滤再送至光纤进行传输。

10.根据权利要求9所述的光纤阳光照明系统，其特征在于，所述采光面板包括前固定板、后固定板以及固定连接前固定板与后固定板的侧板，所述侧板的外侧面通过转轴固定在所述U形支架的两臂之间，所述太阳跟踪装置固定在所述前固定板的中心位置，所述若干个聚光透镜均匀固定在所述前固定板上，所述红外滤光片设置在所述前固定板与后固定板所约束出的空腔内，用于滤除聚光透镜采集到的阳光中的红外光。