CN108361637A - 兼具照明与集光的同体双向模组及灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种兼具照明与集光的同体双向模组，包括反光杯和设在所述反光杯的一端的LED光源组件、太阳能光伏组件和切换控制单元；当同体双向模组处于照明模式下，所述LED光源组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯调制所述LED光源组件的出光；所述太阳能光伏组件则处于休眠状态；当同体双向模组处于光伏收集模式下，所述太阳能光伏组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯收集周边光能送往所述太阳能光伏组件转换为电能；所述LED光源组件则处于休眠状态。本发明不仅能提供照明，还可利用自身构造收集太阳能和周围弱光光能，从而实现同体双向的同体双向模组。

Description

兼具照明与集光的同体双向模组及灯具
【技术领域】
本发明涉及一种照明装置，特别涉及兼具LED照明功能和太阳能灯具功能的同体双向模组及其在车灯及户外灯具上的应用。
【背景技术】
在空气污染和能源紧缺日益严重的大环境下，发展利用新能源已是大势所趋。十九大报告，也再次强调了对绿色发展的重视。太阳能，作为可再生能源的典型代表，既可免费使用，又无需运输，还对环境无任何污染，不管是军用还是民用领域，都已被世界各国作为重点研发对象。
目前，太阳能灯具，主要直接使用太阳能电池板，进行光伏转换。现有的太阳能照明灯具设计，大多是在外观装饰架上，加装太能电池板，尚未见有效利用灯具内部结构空间。现有的LED汽车前照灯，也只是用于夜间行车道路的照明。灯具，作为生活必备品，若能有效重复利用，可以衍生出更多的功能，不单单为照明而存在。
LED灯属于朗伯发光体,光强呈余弦分布。测试屏距离较远时,LED灯光发散角过大,光很难照射到测试屏上,大量光能浪费，必须对其发散角进行调控,即二次配光设计。目前,LED二次光学设计通用的办法，是增加反光杯，或者使用透镜，对出射光进行控制,从而得到所要求的光分布。但透镜成本高结构复杂效率低，应用受到了限制。
《应用光学》，2014,35(3)中，白莹，林文硕，谢国庆发表的《基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计》，虽然将复合抛物面用于教室LED灯具二次配光，得到复合照明要求的照度分布，但是，并未考虑利用复合抛物面用于光能搜集。
《福建工程学院学报》，2013,11(6)中，白莹，钟勇，林文硕等，发表的《基于矩形复合抛物面聚光器LED汽车近光灯设计》，虽然采用2个 LED矩形复合抛物面聚光器配光组合，得到符合国标要求的照度分布。但是，并未考虑在近光灯照明的同时，利用复合抛物面用于光能搜集。LED 反光杯还是只用于LED出光调控。
申请号为CN201720250706.2的中国实用新型揭示了一种矩形均匀照度的复合抛物面LED聚光器，虽然可通过调节光轴面夹角的大小和聚光器的高度，调节矩形照度的大小，以满足实际矩形路面的照度要求；但是，并不能收集周边弱光，无法充分利用环境里的太阳能。
申请号为CN201210471182.1的中国发明揭示了一种多功能太阳能手电筒，虽然不仅具有普通照明功能，而且能太阳能供电；太阳能平板电池直接接收太阳光，不采用聚光模式光伏转换，对太阳能电池板的要求较高，成本较高。
申请号为CN201210209910.1的中国发明揭示了一种太阳能车灯，使用时，太阳能电池板接收太阳光能，把光能转换成电能，太阳能平板电池直接接收太阳光，不采用非聚光模式光伏转换，对太阳能电池板的要求较高，成本较高。同时太阳能电池板树立在车前，也容易阻碍司机视线。
申请号为CN201320857120.4的中国实用新型揭示了一种太阳能自行车灯，太阳能平板电池直接接收太阳光，不采用非聚光模式光伏转换，对太阳能电池板的要求较高，成本较高。同时，LED灯的反光杯，并不能辅助太阳能电池板，搜集弱光转换为电能。
申请号为200910035270.5的中国发明揭示了一种复合抛物面聚光器，虽然可以增大了对太阳光线的接收半角，但是并不能自身发光，照明。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题，在于提供一种兼具照明与集光的同体双向模组，不仅能提供照明，还可利用自身构造收集太阳能和周围弱光光能，从而实现同体双向的同体双向模组。
本发明是这样实现的：一种兼具照明与集光的同体双向模组，包括LED 光源组件、太阳能光伏组件、切换控制单元和反光杯，所述LED光源组件、太阳能光伏组件、切换控制单元设在所述反光杯的一端；
当同体双向模组处于照明模式下，所述LED光源组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯调制所述LED光源组件的出光；所述太阳能光伏组件则处于休眠状态；
当同体双向模组处于光伏收集模式下，所述太阳能光伏组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯收集周边光能送往所述太阳能光伏组件转换为电能；所述LED光源组件则处于休眠状态。
进一步地，所述反光杯是由四片反光抛物面合围而成的矩形复合抛物面反光杯，即所述反光杯在任意XY平面上的剖面均为矩形，在任意XZ平面上或YZ平面上的剖面均为混合抛物线；
所述混合抛物线的轴和聚光杯的轴的夹角为最大出光半角θmax，所述反光杯通过控制θmax来控制光斑的大小，即将LED光源置于其焦平面处，其光线出射角控制在2θmax之内，从而调制所述LED光源组件的出光。
进一步地，本发明还包括角度位置调控装置，所述角度位置调控装置包括一底座和复数个伸缩支架，所述反光杯通过所述伸缩支架连接所述底座。
进一步地，本发明还包括外壳，所述反光杯置于所述外壳内的一端，且所述反光杯和所述外壳之间留有间隙形成散热气流通道，所述LED光源组件、太阳能光伏组件设在散热气流通道内，所述散热气流通道的进气端的有效口径大于散热气流通道中段的有效口径，使所述散热气流通道内的气流形成拉尔法效应。
进一步地，本发明所述LED光源组件包括左LED灯带、右LED灯带以及U型分离轨道，所述U型分离轨道扣设在所述反光杯的底端，所述左 LED灯带和右LED灯带能滑动地设在所述U型分离轨道上；
所述切换控制单元包括一驱动装置和两第一牵引绳，所述驱动装置通过两该第一牵引绳分别连接所述左LED灯带的两端和所述右LED灯带的两端。
进一步地，所述太阳能光伏组件包括左太阳能电池板、右太阳能电池板、左弧形分离轨道和右弧形分离轨道；所述左太阳能电池板的左侧固定在所述LED光源组件下方，右侧则滑设在所述左弧形分离轨道；所述右太阳能电池板的右侧固定在所述LED光源组件下方，左侧则滑设在所述左弧形分离轨道；
所述切换控制单元包括一驱动装置和两第二牵引绳，所述驱动装置通过两该第二牵引绳分别连接所述左太阳能电池板的右端和所述右太阳能电池板的左端。
进一步地，所述左弧形分离轨道和右弧形分离轨道的所对应的弧度不小于90°。
基于上述兼具照明与集光的同体双向模组，本发明还提供一种灯具，其包括一灯壳及至少一灯体，所述灯体并排布置于所述灯壳内，所述灯体为本发明上述的兼具照明与集光的同体双向模组。
所述灯具为车灯、台灯、或手电筒。
本发明的优点在于：
1、利用反光杯形成双向光路，将弱光收集与LED照明合二为一，灯具空间重复利用率高，既可有效满足照明需求，又能收集太阳光和弱光(即周边环境光照)，用于光伏转换，能源再生，而且相同照度下，照明范围更大；相同照明范围内，照度更高。
2、简化灯具光路结构的同时，能获得较高的光学利用效率，生产成本低，容易推广，运用范围广，可用于所以具有类似结构灯具，比如台灯、手电筒等。
3、设有切换控制单元，使弱光收集与LED照明互相转换更加方便。
4、采用分体散热除尘模式，灵活机动，借助气流的拉法尔效应，带走 LED灯和太阳能电池板所产生的多余热量，同时也带走其表面附着的粉尘，使LED与光电效应正常工作。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明同体双向模组的整体结构示意图。
图2是本发明同体双向模组的工作状态切换说明示意图。
图3是本发明同体双向模组的反光杯的结构示意图。
图3a是本发明同体双向模组的反光杯的结构特性示意图。
图3b是本发明同体双向模组的反光杯的出光特性分析状态示意图。
图3c是本发明同体双向模组的反光杯的集光分析状态示意图。
图4是本发明同体双向模组的LED光源组件的结构示意图。
图5是本发明同体双向模组的太阳能光伏组件的结构示意图。
图6是本发明同体双向模组的散热气流状态的结构示意图。
图7是本发明同体双向模组的角度位置调控装置的结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图7所示，本发明的兼具照明与集光的同体双向模组10，包括LED光源组件1、太阳能光伏组件2、切换控制单元3和反光杯4，所述LED光源组件1、太阳能光伏组件2、切换控制单元3设在所述反光杯4 的一端；
当同体双向模组10处于照明模式下，所述LED光源组件1被所述切换控制单元3送至于所述反光杯4的底部，由所述反光杯4调制所述LED光源组件1的出光；所述太阳能光伏组件2则处于休眠状态；
当同体双向模组10处于光伏收集模式下，所述太阳能光伏组件2被所述切换控制单元3送至于所述反光杯4的底部，由所述反光杯4收集周边光能(包括周边强光和弱光)送往所述太阳能光伏组件2转换为电能进行为电能；所述LED光源组件1则处于休眠状态。从而实现在低成本的前提下，尽可能提高太阳能电池板的工作效率。
如图3至图3c所示，所述反光杯4是由四片反光抛物面41合围而成的矩形复合抛物面反光杯，即所述反光杯4在任意XY平面上的剖面均为矩形(见图3)，在任意XZ平面上或YZ平面上的剖面均为混合抛物线(见图 3a)；所述混合抛物线的轴和聚光杯的轴的夹角为最大出光半角θmax，所述反光杯通过控制θmax来控制光斑的大小，即将LED光源置于其焦平面处，其光线出射角控制在2θmax之内，从而调制所述LED光源组件的出光。
反光杯4在CPC的基础上构造出来的，CPC是一种非成像聚光器，是根据边缘光线原理对光锥进行改造后的产物，CPC是由抛物线的某一段，并将其绕着聚光杯的轴旋转一周得到。如图3a所示，将抛物线1对称轴绕其焦点F1逆时针旋转，抛物线2的对称轴绕其焦点F2顺时针旋转相同的角度，使抛物线1的焦点落在抛物线2上，抛物线2的焦点落在抛物线1 上。继而，截掉抛物线1、2在F1、F2以下的部分，得到CPC聚光杯平面图。抛物线1、2的轴与聚光杯的轴并不平行，成一定的角度。这个角度就是CPC的最大接收角度。将入射光线与CPC对称轴l的夹角定义为θi，当θi＞θmax时，入射光线经CPC反射从入射口射出；当θi＜θmax时，入射光线经反射，能够全部汇聚在焦平面即出射面上，由此把θi＜θmax的光能量全部收集到出射焦平面处的探测器上，这就是CPC的聚光原理。若要构造矩形复合抛物面反光杯，将抛物面1、2，沿x方向，反向各自平移一定距离，得到水平相对的两片凹槽曲面；旋转90°，再沿y方向，各自反向平移一定距离，得到垂直相对的另两片凹槽曲面。这四片凹槽曲面可组成一个标准的矩形复合抛物面反光杯，如图3所示。在xz和yz平面内，矩形复合抛物面反光杯的剖面都是混合抛物线，任意xy平面内剖面都是矩形。θmax为最大出光半角。θmax的大小与光轴旋转的角度相等。根据抛物线性质：自焦点发出的光线经抛物线反射后，平行射出。通过控制θmax可控制光斑的大小。若将 LED光源置于其焦平面处，其光线出射角可控控制在2θmax之内。本发明就是根据光路可逆原理，对CPC进行改造，在利用CPC收集光线的同时，借助CPC作为LED反光杯，调制LED出光照明。
在xz和yz平面内，矩形复合抛物面聚光杯的剖面都是混合抛物线，任意xy平面内剖面都是矩形。
可以求出，反光杯xz剖面混合抛物线焦距：fx＝ax(1+sin(θmax)x)；
yz剖面混合抛物线焦距:fy＝ay(1+sin(θmax)y)。
反光杯xz剖面的系统的理论聚光比为
如果最大出光半角(θmax)x和进光口半宽ax确定，则反光杯xz剖面的大小和形状可以确定。
当出光口半径与入光口半径ax，满足时，
反光杯xz剖面的出光口半径：
反光杯xz剖面的长度：
此时，xz剖面达到最大理论聚光比
同理，应用于yz平面，
反光杯yz剖面的出光口半径：
反光杯yz剖面的长度：
如图4所示，本发明所述LED光源组件1包括左LED灯带11、右LED 灯带12以及U型分离轨道13，所述U型分离轨道13扣设在所述反光杯4 的底端并通过支架14固定，所述左LED灯带11和右LED灯带12能滑动地设在所述U型分离轨道13上；所述切换控制单元3包括一驱动装置(未图示)和两第一牵引绳31，所述驱动装置通过两该第一牵引绳31分别连接所述左LED灯带11的两端和所述右LED灯带12的两端，当驱动装置引导两第一牵引绳31各自顺时针或逆时针旋转时，所述左LED灯带11和所述右LED灯带12即可沿着U型分离轨道13相向滑动而汇合或相背滑动而分离。当所述左LED灯带11和所述右LED灯带12滑动到U型分离轨道13的横段中间位置汇合时，LED光源组件1处于反光杯4的底部，即可实现照明模式；当所述左LED灯带11和所述右LED灯带12滑动到U型分离轨道13两侧的竖直段时，即可使所述太阳能光伏组件2处于反光杯4的底部，即可实现光伏收集模式，从而达到切换的效果。
如图5所示，所述太阳能光伏组件2可采用分体结构，即都采用左右分离组合设计，其包括左太阳能电池板21、右太阳能电池板22、左弧形分离轨道23和右弧形分离轨道24；所述左太阳能电池板21的左侧固定在所述 LED光源组件1下方，右侧则滑设在所述左弧形分离轨道23；所述右太阳能电池板22的右侧固定在所述LED光源组件1下方，左侧则滑设在所述左弧形分离轨道24；所述切换控制单元3包括一驱动装置(未图示)和两第二牵引绳32，所述驱动装置通过两该第二牵引绳32分别连接所述左太阳能电池板21的右端和所述右太阳能电池板22的左端。当驱动装置拉伸两第二牵引绳32时，左太阳能电池板21的右端和所述右太阳能电池板22的左端即可沿着左弧形分离轨道23和右弧形分离轨道24相向滑动而汇合或相背滑动而分离。
如图6所示，在通风设计方面，同体双向模组10的外部还可设置个外壳5，所述反光杯4置于所述外壳5内的一端，且所述反光杯4和所述外壳 5之间留有间隙形成散热气流通道6，所述LED光源组件1和太阳能光伏组件2设在散热气流通道6内，所述散热气流通道6的进气端61的有效口径大于散热气流通道6的中段62的有效口径，使所述散热气流通道6内的气流形成拉尔法效应，通过拉法尔效应，散热气流通道6内的中段气流加速，即可及时带走LED灯带11、12与太阳能电池板21、22工作时产生的热量。如图所示的实施例那样，可将U型分离轨道13、左弧形分离轨道23和右弧形分离轨道24设在散热气流通道6内，LED光源组件1工作完毕继续散热时候，左LED灯带11，右LED灯带12即可沿U型分离轨道13从反光杯 4的底部左右分离并竖向进入两侧散热气流通道6内。同样，当太阳能光伏组件2不工作时，左太阳能电池板21的右侧，右太阳能电池板22的左侧可沿着左弧形分离轨道23和右弧形分离轨道24下滑到竖直位置，也在散热气流通道6中，通过拉尔法效应，LED光源组件1、太阳能光伏组件2所处位置的气流速度增大，很快地带走LED灯带、太阳能电池板所产生的热量，散热效果佳。当左LED灯带11和所述右LED灯带12滑动到U型分离轨道13两侧的竖直段时，大大提升了散热效果。同理，所述左弧形分离轨道23和右弧形分离轨道24的所对应的弧度处于90°左右时，可使左太阳能电池板21、右太阳能电池板22分离后呈竖直状态而完全处于散热气流通道6 中，大大提升了散热效果。
如图7所示，本发明还包括角度位置调控装置7，所述角度位置调控装置7包括一底座71和复数个伸缩支架72，所述反光杯4通过所述伸缩支架 72连接所述底座71，通过调整复数个伸缩支架72的相对长短，即可调整反光杯4的朝向。白天强日照，在野外，在宽阔地方，太阳能辐射强，可以通过位置调控，调整灯组的整体角度，对准太阳直射方向，大幅度增大太阳能辐射聚集，太阳能电池工作效率更高。
基于上述兼具照明与集光的同体双向模组，本发明还提供一种灯具(未图示)，其包括一灯壳及至少一灯体，所述灯体并排布置于所述灯壳内，所述灯体为本发明上述的兼具照明与集光的同体双向模组。即可以选用合适数量的“同体双向”灯组单元，进行组合，形成灯具，以适应各种出光形状，出光照度要求。同时可通过多个切换控制单元与反光杯的组合灯体，进行整体调控。
例如，汽车前照灯设计时候，可以使用2个或2个以上同体双向模组组合成灯体。考虑到现实中车辆靠右行驶，对面左边行车司机的眼睛舒适度，以及LED车灯的热效应，可以将车辆左前侧使用2个同体双向模组组合成一个灯体，一个同体双向模组用于出光，另一个同体双向模组作为应急替补出光；右前侧也使用2个同体双向模组组合成一个灯体，白天或者不用远光灯时候，2个同体双向模组采用光伏收集模式，收集弱光或太阳光转化为电能，需要照明时，切换为照明模式。当采用光伏收集模式时，原反光杯出光口，转变为弱光收集进光口；原反光杯LED光线进光口，转变为弱光聚光出光口，周边环境的光能通过反光杯聚集，进入太阳能芯片。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：包括LED光源组件、太阳能光伏组件、切换控制单元和反光杯，所述LED光源组件、太阳能光伏组件、切换控制单元设在所述反光杯的一端；
当同体双向模组处于照明模式，所述LED光源组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯调制所述LED光源组件出光；所述太阳能光伏组件则处于休眠状态；
当同体双向模组处于光伏收集模式，所述太阳能光伏组件被所述切换控制单元送至于所述反光杯的底部，由所述反光杯收集周边光能送往所述太阳能光伏组件转换为电能；所述LED光源组件则处于休眠状态。
2.如权利要求1所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：所述反光杯是由四片反光抛物面合围而成的矩形复合抛物面反光杯，即所述反光杯在任意XY平面上的剖面均为矩形，在任意XZ平面上或YZ平面上的剖面均为混合抛物线；
所述混合抛物线的轴和聚光杯的轴的夹角为最大出光半角θmax，所述反光杯通过控制θmax来控制光斑的大小，即将LED光源置于其焦平面处，其光线出射角控制在之内，从而调制所述LED光源组件的出光。
3.如权利要求1所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：所述LED光源组件包括左LED灯带、右LED灯带以及U型分离轨道，所述U型分离轨道扣设在所述反光杯的底端，所述左LED灯带和右LED灯带能滑动地设在所述U型分离轨道上；
所述切换控制单元包括一驱动装置和两第一牵引绳，所述驱动装置通过两该第一牵引绳分别连接所述左LED灯带的两端和所述右LED灯带的两端。
4.如权利要求1所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：所述太阳能光伏组件包括左太阳能电池板、右太阳能电池板、左弧形分离轨道和右弧形分离轨道；所述左太阳能电池板的左侧固定在所述LED光源组件下方，右侧则滑设在所述左弧形分离轨道；所述右太阳能电池板的右侧固定在所述LED光源组件下方，左侧则滑设在所述左弧形分离轨道；
所述切换控制单元包括一驱动装置和两第二牵引绳，所述驱动装置通过两该第二牵引绳分别连接所述左太阳能电池板的右端和所述右太阳能电池板的左端。
5.如权利要求4所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：所述左弧形分离轨道和右弧形分离轨道的所对应的弧度不小于90°。
6.如权利要求1所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：还包括外壳，所述反光杯置于所述外壳内的一端，且所述反光杯和所述外壳之间留有间隙形成散热气流通道，所述LED光源组件、太阳能光伏组件设在散热气流通道内，所述散热气流通道的进气端的有效口径大于散热气流通道中段的有效口径，使所述散热气流通道内的气流形成拉尔法效应。
7.如权利要求1所述的兼具照明与集光的同体双向模组，其特征在于：还包括角度位置调控装置，所述角度位置调控装置包括一底座和复数个伸缩支架，所述反光杯通过所述伸缩支架连接所述底座。
8.一种灯具，包括一灯壳及至少一灯体，所述灯体并排布置于所述灯壳内，其特征在于：所述灯体为如权利要求1至7任一项所述的兼具照明与集光的同体双向模组。
9.如权利要求8所述的灯具，其特征在于：所述灯具为车灯、台灯、或手电筒。
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