CN108730907A - 一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统 - Google Patents

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涂耘
刘贞毅
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Abstract

本发明涉及一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，属于隧道照明技术领域。该系统根据隧道总体朝向分为南北朝向照明系统和东西朝向照明系统；所述南北朝向照明系统由聚光透镜、抛物面反射镜、支撑杆、转轴和光电控测器组成；所述东西朝向照明系统由聚光透镜、抛物面反射镜、平面镜、支撑杆、转轴和光电控测器组成。本发明通过跟踪系统始终将聚光透镜正对太阳实现全方位的太阳光最大采光率，并通过反射投射技术将太阳光始终沿特定方向投射进入隧道，实现隧道入口段的太阳光直接照明，降低隧道入口段的加强照明能耗。

Description

一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统
技术领域
本发明属于隧道照明技术领域，涉及一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统。
背景技术
在国家节能减排方针的推动下，为减少日益增长的公路隧道照明能耗，太阳光直接照明技术已逐渐引入隧道照明。目前，在太阳光直接照明技术上主要存在两类技术：即光导管技术和太阳光光纤照明技术。其中光导管技术是通过太阳光在导光管内以多次反射的方式将太阳光传输至需照明的区域，系统具有结构简单、成本较低的优点，同时，为提高太阳光的利用率，亦出现了采光端带有跟踪系统的光导管系统。但由于太阳光在导光管中衰减较快，调研目前最新技术，每15英尺(4.57米)导光管中太阳光损失系数为78.5％，因此该系统只适用于传输距离不大的地下空间，如地下车库等。
而太阳光光纤照明技术可以采用低损耗的石英光纤进行太阳光的传输，可以实现将太阳光以低衰减率传至数百米的距离，但目前国内外所采用的太阳光光纤照明系统普遍存在太阳光耦合效率较低而导致的太阳光利用率低的技术瓶颈问题，并且要将太阳光传至较远的距离必须采用大孔径的石英光纤，而目前大孔径的石英光纤的价格居高不下，导致了太阳光光纤照明技术难以进行大范围的推广。这就意味着要将太阳光光导管技术和太阳光光纤照明技术用于隧道照明均存在一定的局限性。
尽管也有一些发明提出采用反射原理的太阳光直接照明技术，以降低系统成本，提高光能利用率，但由于受到太阳方位角的限制，均存在部分方位角太阳光无法采集、或系统体积过于庞大，不利于工程实施等问题。
因此，亟需一种采集太阳光投射照明隧道的系统，既可实现低成本下的太阳光高利用率，又可克服目前类似技术部分太阳方位角太阳光无法采集或系统过于庞大的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，解决目前太阳光直接照明技术光能利用率偏低或成本过高的问题，且可以克服类似技术不能兼顾的全方位高效采光与低成本远距离传光的矛盾问题。所述系统具体解决的问题：(1)通过会聚-反射技术相结合的方式实现全方位的太阳光高效采集，并实现远距离的太阳光投射照明，克服现有远距离太阳光直接照明系统或是成本过高、或是光衰过大、或是结构庞大、或是采光方位角有限等问题。(2)通过跟踪系统始终将采光透镜正对太阳实现全方位的太阳光最大采光率，并通过反射投射技术将太阳光始终沿特定方向投射进入隧道，实现隧道入口段的太阳光直接照明，降低隧道入口段的加强照明能耗。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，其特征在于：该系统根据隧道总体朝向分为南北朝向照明系统和东西朝向照明系统；所述南北朝向照明系统由聚光透镜(1)、抛物面反射镜(2)、支撑杆(3)、转轴和光电控测器组成；所述东西朝向照明系统由聚光透镜(1)、抛物面反射镜(2)、支撑杆(3)、平面镜(4)、转轴和光电控测器组成；
所述南北朝向照明系统适用于大体南北朝向的隧道，所述聚光透镜(1)的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜(2)的放置方向与隧道朝向一致，并且开口方向对准隧道入口；聚光透镜(1)在转动过程中的焦点始终与抛物面反射镜(2)的焦点(200)重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光始终射向隧道方向；
所述东西朝向照明系统适用于大体东西朝向的隧道，聚光透镜(1)的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜(2)的放置方向大致沿南北朝向，从抛物面反射镜反射的太阳光再经平面镜反射后把太阳光射向隧道入口段；聚光透镜(1)在转动过程中的焦点始终与抛物面反射镜(2)的焦点(200)重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光始终射向隧道方向；所述平面镜的角度可根据隧道朝向微调，保证出射光的方向。
进一步，所述转轴包括水平转轴和竖直转轴；所述系统中聚光透镜为转动结构，与抛物面反射镜的连接结构有两种形式，具体为：
1)水平转轴Ⅰ(202)和竖直转轴Ⅰ(201)分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行水平和竖直转动，通过水平电机Ⅰ(203)和竖直电机Ⅰ(204)的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚光透镜始终正对准太阳光，并聚焦于聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点位置(200)，使出射的太阳光满足隧道照明光束要求；
2)水平转轴Ⅱ(212)和竖直转轴Ⅱ(211)分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行水平和竖直转动，通过水平电机Ⅱ(213)和竖直电机Ⅱ(214)的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚光透镜始终正对准太阳光，并聚焦于聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点位置(200)，使出射的太阳光满足隧道照明光束要求；与所述竖直转轴Ⅱ(211)连动的是水平转盘(215)，通过支架(216)与上方聚光透镜(1)相连，实现一种结构紧凑的悬空连动跟踪装置。
进一步，所述光电控测器用于接收太阳光强度，与水平电机和竖直电机连接，通过水平电机和竖直电机控制水平转轴和竖直转轴的转动，精确控制聚光透镜的偏转角，保证在一天不同时刻，聚光透镜的焦点始终与抛物面反射镜的焦点重合。
进一步，所述抛物面反射镜的出口半径R和聚光透镜孔径角α之间满足如下关系：
其中，P/2为抛物面反射镜的焦距。
进一步，基于所述的一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统的跟踪控制方法，具体包括：
(1)通过时钟模块判断控制时间是否在预设时间范围内，若是，则执行太阳光跟踪控制方法，若不是，则不执行，直至当地的标准时间在所述预设范围内；
(2)若判断时间在预设范围内，则激活光电探测器，并检测采集到的光压差是否为零；若为零，系统不转动，若非零，系统分别判断水平和竖直方向的光压差是否为零，根据判断结果执行相应的转动，直至转至的角度所得光压差为零，达到所需聚光透镜始终对准太阳的要求。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所用抛物面反射镜可以对光束进行整形，保证会聚的太阳光可以以小扩束角的形式投射进入隧道，实现太阳光的高效利用；(2)抛物面反射镜将会聚的太阳光进行反射，可以实现小尺寸的反射镜接收高光通的需求，可以实现光学系统的小型化和紧凑化；(3)本发明提出的两种结构的光学系统可以实现太阳光的全方位的接收，不会由于隧道朝向不同使得该技术受限，提高了技术的适应性范围；(4)本发明提出的离轴式抛物面反射镜的投光方向可以根据实际需求调节，可以在隧道入口段形成全覆盖的光照范围，可形成一种均匀无遮挡的顺光照明方式。
现有技术未有一种结构紧凑的、高效的、全方位的太阳光反射型投射照明的技术报道。也未见有相应的产品，是一种新型高效低成本的太阳光采光照明系统，其技术在国内外属于首创。本发明可为太阳光直接照明技术在隧道及类似工程中的推广应用提供积极的技术和产品支持。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述系统实现原理图；
图2为本发明所述系统技术实现原理图；
图3为通过本发明所述系统会聚反射后的出射光图；
图4为形式1结构原理图；
图5为形式2结构原理图；
图6为聚光透镜与抛物面反射镜的连接和相对转动结构1；
图7为聚光透镜与抛物面反射镜的连接和相对转动结构2；
图8为一天不同时刻聚焦透镜相对于抛物面反射镜的位置示意图；
图9为基于本发明所述系统的跟踪控制方法流程图；
图10为本发明所述系统的隧道的仿真效果图；
图11为本发明所述系统的隧道照明立体效果图；
附图标记：1-聚光透镜，2-抛物面反射镜，3-支撑杆，4-平面镜，200-聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点，201-竖直转轴Ⅰ，202-水平转轴Ⅰ，203-水平电机Ⅰ，204-竖直电机Ⅰ，205-基座，211-竖直转轴Ⅱ，212-水平转轴Ⅱ，214-竖直电机Ⅱ，213-水平电机Ⅱ，215-水平转盘，216-支架。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明所述系统实现原理图，如图1所示，本发明原理是采用聚光透镜1会聚太阳光，再通过离轴抛物面反射镜2反射太阳光，通过系统中每个镜面方位角的合理设计，把太阳光定向投射进入隧道，实现隧道入口段的太阳光直接照明。整个装置由支撑杆3支撑固定。
图2为本发明所述系统技术实现原理图，本发明主要应用立轴抛物面的结构及光反射原理进行设计。如图2(a)所示，根据抛物面的线形公式x2+y2＝4fz，从焦点处发出的光经抛物面反射后整形成平行光射出，其中x、y、z分别表示抛物面的空间坐标，f表示抛物面反射镜的焦距。对于由聚光透镜会聚的波长连续的太阳光，不同波长的单色光经过同一透镜的折射率不一样，使得会聚焦点不是严格意义上的一个点，因此在设计上焦点存在一定的离焦现象，经抛物面反射镜反射的太阳光不是完全的平行光，如图2(b)所示，通过设计结构匹配的抛物面反射镜，可以控制出射光的光束角，保证出射的太阳光以较小的发散角投射进入需照明区域(如隧道入口段)。图3为通过系统会聚反射后的出射光图，如图3所示，为保证系统的可靠性和结构的简洁性，便于工程实施，整个系统只有聚光透镜为旋转跟踪部件，通过计算设计聚光透镜1的跟踪轨迹，保证经聚光透镜1会聚后的太阳光始终聚焦于抛物面反射镜2的焦点200处。
根据隧道总体朝向设计两种形式的系统。
形式1：如图4所示，针对大体南北朝向的隧道，聚光透镜1的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜2的放置方向与隧道朝向一致，并且开口方向对准隧道入口。聚光透镜401在转动过程中的焦点200始终与抛物面反射镜2的焦点相重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光始终射向指定方向(朝南或朝北)。
形式2：如图5所示，针对大体东西朝向的隧道，聚光透镜1的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜2的放置方向大致沿南北朝向，从抛物面反射镜2反射的太阳光再经平面镜4反射后把太阳光射向隧道入口段。其中平面镜4的镜面角度可根据隧道朝向微调，保证出射光的方向。同样聚光透镜1在转动过程中的焦点200始终与抛物面反射镜2的焦点相重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光经平面镜4反射后始终射向指定方向(朝东或朝西)。
本发明的整个系统只有聚光透镜1为转动结构，其与抛物面反射镜2的连接可以有图6和图7两种形式。
如图6所示，200是聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点区域，201和202为聚光透镜相对于抛物面反射镜转动的竖直转轴Ⅰ和水平转轴Ⅰ，分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行竖直转动和水平转动，通过竖直电机Ⅰ204和水平电机Ⅰ203的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚焦透镜始终正对准太阳光，并聚焦于焦点200位置，使出射的太阳光满足设计的光束光要求。205是用于固定抛物面反射镜的基座。
如图7所示，200是聚集透镜与抛物面反射镜的重合焦点区域，211和212为聚集透镜相对于抛物面反射镜转动的竖直转轴Ⅱ和水平转轴Ⅱ，分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行竖直和水平转动，通过竖直电机Ⅱ214和水平电机Ⅱ213的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚光透镜始终正对准太阳光，并聚焦于焦点200位置，使出射的太阳光满足设计的光束光要求。2为抛物面反射镜；215为与竖直转轴Ⅱ211连动的水平转盘，通过支架216与上方聚光透镜1相连，实现一种结构紧凑的悬空连动跟踪装置。
通过光电控测器接收到的太阳光强度，由图6和图7中水平电机203/213和竖直电机204/214控制竖直转轴201/211和水平转轴202/212的转动，精确控制聚集透镜的偏转角，保证在一天不同时刻，聚光透镜的偏转角由图8的A1位置沿A2向A3方向运动过程中，焦点始终与抛物面反射镜的焦点重合。
本发明所述系统中抛物面反射镜满足条件：抛物面反射镜的出口半径R和聚光透镜孔径角α之间满足如下关系：
其中，P/2为抛物面反射镜的焦距。
图9为基于本发明所述系统的跟踪控制方法流程图，如图9所示，具体为：
(1)通过时钟模块判断控制时间是否在预设时间范围内，若是，则执行太阳光跟踪控制方法，若不是，则不执行，直至当地的标准时间在所述预设范围内；
(2)若判断时间在预设范围内，则激活光电探测器，并检测采集到的光压差是否为零；若为零，系统不转动，若非零，系统分别判断水平和竖直方向的光压差是否为零，根据判断结果执行相应的转动，直至转至的角度所得光压差为零，达到所需聚光透镜始终对准太阳的要求。
图10为本发明所述系统的隧道的仿真效果图，图11为本发明所述系统的隧道照明立体效果图，如图9、10所示，本发明所述隧道照明系统能达到良好的照明效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，其特征在于：该系统根据隧道总体朝向分为南北朝向照明系统和东西朝向照明系统；所述南北朝向照明系统由聚光透镜(1)、抛物面反射镜(2)、支撑杆(3)、转轴和光电控测器组成；所述东西朝向照明系统由聚光透镜(1)、抛物面反射镜(2)、支撑杆(3)、平面镜(4)、转轴和光电控测器组成；
所述南北朝向照明系统适用于大体南北朝向的隧道，所述聚光透镜(1)的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜(2)的放置方向与隧道朝向一致，并且开口方向对准隧道入口；聚光透镜(1)在转动过程中的焦点始终与抛物面反射镜(2)的焦点(200)重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光始终射向隧道方向；
所述东西朝向照明系统适用于大体东西朝向的隧道，聚光透镜(1)的跟踪方向大致沿东西方向转动，抛物面反射镜(2)的放置方向大致沿南北朝向，从抛物面反射镜反射的太阳光再经平面镜反射后把太阳光射向隧道入口段；聚光透镜(1)在转动过程中的焦点始终与抛物面反射镜(2)的焦点(200)重合，保证经抛物面反射镜反射的太阳光始终射向隧道方向；所述平面镜的角度可根据隧道朝向微调，保证出射光的方向。
2.根据权利要求1所述的一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，其特征在于：所述转轴包括水平转轴和竖直转轴；所述系统中聚光透镜为转动结构，与抛物面反射镜的连接结构有两种形式，具体为：
1)水平转轴Ⅰ(202)和竖直转轴Ⅰ(201)分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行水平和竖直转动，通过水平电机Ⅰ(203)和竖直电机Ⅰ(204)的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚光透镜始终正对准太阳光，并聚焦于聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点位置(200)，使出射的太阳光满足隧道照明光束要求；
2)水平转轴Ⅱ(212)和竖直转轴Ⅱ(211)分别控制聚光透镜相对于抛物面反射镜进行水平和竖直转动，通过水平电机Ⅱ(213)和竖直电机Ⅱ(214)的控制起到追踪太阳光的作用，保证聚光透镜始终正对准太阳光，并聚焦于聚光透镜与抛物面反射镜的重合焦点位置(200)，使出射的太阳光满足隧道照明光束要求；与所述竖直转轴Ⅱ(211)连动的是水平转盘(215)，通过支架(216)与上方聚光透镜(1)相连，实现一种结构紧凑的悬空连动跟踪装置。
3.根据权利要求2所述的一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，其特征在于：所述光电控测器用于接收太阳光强度，与水平电机和竖直电机连接，通过水平电机和竖直电机控制水平转轴和竖直转轴的转动，精确控制聚光透镜的偏转角，保证在一天不同时刻，聚光透镜的焦点始终与抛物面反射镜的焦点重合。
4.根据权利要求1所述的一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统，其特征在于：所述抛物面反射镜的出口半径R和聚光透镜孔径角α之间满足如下关系：
其中，P/2为抛物面反射镜的焦距。
5.基于权利要求1所述的一种全方位的紧凑型太阳光采集投射照明系统的跟踪控制方法，其特征在于，该方法具体包括：
(1)通过时钟模块判断控制时间是否在预设时间范围内，若是，则执行太阳光跟踪控制方法，若不是，则不执行，直至当地的标准时间在所述预设范围内；
(2)若判断时间在预设范围内，则激活光电探测器，并检测采集到的光压差是否为零；若为零，系统不转动，若非零，系统分别判断水平和竖直方向的光压差是否为零，根据判断结果执行相应的转动，直至转至的角度所得光压差为零，达到所需聚光透镜始终对准太阳的要求。
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