CN1088177C - 跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置 - Google Patents

Abstract

跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，涉及光学，纤维光学和机电技术领域。本发明的阳光采集和光纤传输系统采用曲面反射镜和光导纤维，跟踪太阳的机构为：呈正南、正北方向水平设置的空心旋转主轴带动曲面反射镜每天24小时作360度旋转并以支架两端所形成的垂直于空心旋转主轴的辅助回转轴线AB为轴线，带动曲面反射镜在每年冬至、夏至之间往复回转一次。本发明可以把日光引进既需要照明又对安全要求严格的武器弹药库、矿井、油库以及水下照明和需要日光照明的建筑物内。本发明结构简单，低能耗、成本低廉，便于推广实施，具有较高的社会和经济效益。

Description

跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置

一种跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，涉及光学、纤维光学和机电

技术领域。

太阳光是自然界取之不尽用之不竭的自然光源，到目前为止人类对太阳光的利用还停留在自然照射的初始阶段，对太阳光进行有效地采集、利用并把它输送到一些既需要照明而对安全要求又非常严格的场所如武器弹药库、油库、矿井、煤气房以及其它一些易燃易爆的场所和不能直接采光的建筑物内，解决上述场所的照明问题，其意义是非常重大的。日本三洋电机株式会社于96年3月27日公开了在中国的专利申请，申请号为95107312.5，名称为“太阳光采光装置及控制该太阳光采光装置的太阳光采光控制装置”，文中介绍了该采光装置是将多块采光棱镜板按规定间隔装在采光器内自由旋转，根据太阳的高度和方位控制这些采光棱镜板棱镜角，通过采光棱镜板所折射的太阳光沿一定方向出射而被采集，由不同阿贝数的光学塑料构成棱镜板，与之相匹配的驱动装置，支持装置和采光控制装置，不仅涉及到光学技术，还涉及到计算机，传感器以及其它相关技术，显而易见，其结构复杂、造价昂贵，难以推广应用。

本发明的目的在于提供一种结构简单，低能耗，可大面积采光、传光量大，能全天、全年跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置。

本发明的技术方案是通过以下步骤来实现的：

(1)阳光的采集和传输：阳光的采集是由安装在支架5上的曲面反射镜1和在其焦点处设有可随曲面反射镜1同步运转的采光光导纤维束3所组成；阳光的传输是通过固定在空心旋转主轴7内的传光光导纤维束4进行，其一端和采光光导纤维束3进行耦合，另一端将阳光传输至所需场所。

(2)阳光跟踪机构：

(A)支架5的一端和空心旋转主轴7连接，呈正南、正北方向水平设置的空心旋转主轴7，带动曲面反射镜1每天24小时作360度旋转。

(B)在支架5另一端曲面反射镜两支点间形成一条垂直于空心旋转主轴7的辅助回转轴线AB，曲面反射镜1以AB为轴线在每年冬至、夏至之间均匀往复回转一次。所述曲面反射镜可以采用球面反射镜，也可以采用旋转抛物面反射镜；曲面反射镜的基材可为如下所述中的一种：①金属材料——铝材、铝合金、钢材、不锈钢；②非金属材料——玻璃、塑料、玻璃钢。为了加强曲面反射镜1的反射效果，曲面反射镜1上面的反光层2可以通过下列所述方法中的一种来实现：①直接在基材表面进行抛光；②在曲面反射镜的基材上镶贴反光膜；③在曲面反射镜的基材上涂复反光材料。光导纤维束可为如下所述中的一种：①玻璃光导纤维束；②经二次高温熔结后的玻璃光导纤维束；③石英光导纤维束；④聚合物光导纤维。采光光导纤维束通常采用前三者，而传光光导纤维束通常采用后者即聚合物光导纤维。由于在曲面反射镜1的焦点处温度较高，为防止过高的温度损坏采光光导纤维束3的端面，因此可以采取以下措施：①采用聚光隔热的玻璃光纤台锥23；②采用隔热玻璃片24。所述阳光跟踪机构：支架5的一端和空心旋转主轴7连接，呈正南正北方向水平设置的空心旋转主轴7，带动曲面反射镜1每天24小时作360度旋转。空心旋转主轴7的驱动方式可为下述一种：①电机带动蜗杆蜗轮驱动；②电机带动齿轮组驱动；③通过步进电机直接驱动；④通过配有牵引磁铁的棘轮机构驱动；⑤电机带动行星齿轮减速机构驱动；⑥电机带动摆线针轮减速机构驱动。支架5另一端曲面反射镜1支点A和B形成辅助回转轴线AB，曲面反射镜1以AB为轴线的往复回转由下列二个步骤实现：①由空心旋转主轴7的转动使往复机构沿空心旋转主轴作轴向往复滑动；②通过连接机构使轴向往复滑动的往复机构带动曲面反射镜绕辅助回转轴线AB作往复回转运动。往复机构沿空心旋转主轴7轴向的往复滑动，可由下述一种实现：①半齿轮、齿条结构；②往复螺旋槽圆柱凸轮机构。其连接机构可为下述一种：①钢丝绳、扭簧结构；②齿轮、齿条结构；③连杆结构。通过上述方案达到该装置可以全天全方位24小时作360度旋转，与此同时还能够跟踪一年四季不同入射角度的太阳光。详细过程见实施例1。

本发明可以把日光引进既需要照明又对安全要求严格，禁止有电火花产生的易燃易爆场所如武器弹药库、矿井、油库、煤气房以及水下照明和需要日光照明的建筑物内。本发明结构简单，低能耗、可以大面积采光、成本低廉，能够全天、全年跟踪太阳方位和入射角的变化。本发明便于推广实施，具有较高的社会效益和经济效益。

附图1跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置示意图(俯视图)附图2跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置示意图(正视图)附图3圆轮17和空心旋转主轴7的局部图附图4实施例1示意图附图5实施例2示意图附图6实施例3示意图。1—曲面反射镜    2—反光层     3—采光光纤束4—传光光纤束    5—支架       6和6’—扭簧7—空心旋转主轴  8—蜗轮       9—蜗杆10—箱体         11—往复机构  12和12’—齿条13—半齿轮       14—蜗杆      15—蜗轮16—速比齿轮     17—圆轮      18和18’—滚键19—键槽         20—钢丝绳    21—镜托22和22’—推板   23—光纤台锥  24—隔热玻璃片

实施例1：本实施例参照附图1、附图2、附图3和附图4加以说明，采用5mm厚的铸铝球面反射镜1，球冠曲率半径R为700mm，球面反射镜的球冠口径α为400mm，光线经球面反射镜1反射后会聚在焦点F’处，为加强反射效果，在球面反射镜1内镶贴镀银反光膜2，采用直径φ10mm的经二次高温熔结后的玻璃光导纤维束作为采光光纤束3，传光光纤束4采用聚合物光纤制成，在空心旋转主轴7内耦合后，将阳光传输至所需场所。采用功率为2.5W的电机，每分钟转速为1/28.8转，蜗杆蜗轮9和8之间的减速比i＝50，可达到呈正南、正北水平放置的空心旋转主轴7每天24小时转360度。另外空心旋转主轴7亦同时带动蜗杆，蜗轮14和15，传速比齿轮16，进而带动半齿轮13转动，半齿轮13轮流带动两齿条12和12’作往复运动；蜗杆：模数为1.75，头数为1；蜗轮：模数为1.75，齿数为50；传速比齿轮：模数为2，小齿轮齿数为10，大齿轮齿数为73；半齿轮：模数为1，齿数为40/2；齿条：模数为1，齿数为48。圆轮17套在空心旋转主轴7上(见附图3)，在圆轮17上设有滚键18和18’，通过与空心旋转主轴7上的键槽19的径向接触，传递扭矩，使空心旋转主轴7带动圆轮17同步转动，同时由于滚键18和18’在空心旋转主轴7上的键槽19内运动，而使得圆轮17在空心旋转主轴7上可以作轴向往复滑动。连接机构中的钢丝绳20，一端连在圆轮17上，另一端和曲面反射镜1背面的镜托21相连，为使钢丝绳保持足够的张力，在曲面反射镜1和支架5两端的结合处设有扭簧6和6’，当圆轮17作轴向往复滑动时，通过钢丝绳20的牵引，在曲面反射镜1和支架5结合处扭簧6和6’的作用下，使得曲面反射镜1以支架5两端的支点A和B的连线为辅助回转轴线(该辅助轴线和旋转主轴是相互垂直的)作均匀的往复回转。利用这种往复回转运动跟踪一年四季不同入射角的太阳光，每365天往复一次，以南京地区冬至到夏至的阳光偏转角为例，每半年回转60度左右。实施例2：以2mm厚的铝板冲压成型的球面反射镜为例，球冠曲率半径R＝2000mm，球面反射镜球冠1的口径α为1000mm，在表面贴反光铝膜作为反光层2，在球面反射镜1的焦点F’处设置可聚光隔热的光纤台锥23，台锥23的上底直径d为15mm，下底直径D为26mm，高度h为50mm，采用普通玻璃光导纤维制成的采光光纤束3，其直径φ15mm，采用聚合物光导纤维制成传光光纤4，在空心旋转主轴7内进行耦合后，将阳光传至所需场所(见附图5)。实施例3：以玻璃钢制成的球面反射镜为例，在该反射镜1上贴反光铝膜作为反光层2，其球冠口径α为800mm，球冠曲率半径为1600mm，在其焦点F’处设置隔热玻璃片24，在隔热玻璃片24后面，由玻璃纤维制成的采光光纤束3，直径φ为12mm和由聚合物光导纤维制成的传光光纤束4，在空心旋转主轴7内耦合后，将阳光传至所需场所(见附图6)。

上述装置可在-20℃～+60℃环境下长期运转。

Claims (11)

1.一种跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，是由曲面反射镜和光导纤维构成的阳光采集和传输系统以及阳光跟踪机构组成，其特征在于：

(1)阳光的采集是由安装在支架5上的曲面反射镜1和在其焦点处设有可随曲面反射镜1同步运转的采光光导纤维束3所组成；阳光通过固定在空心旋转主轴7内的传光光导纤维4传输，其一端和采光光导纤维束3进行耦合，另一端将阳光传输至所需场所。

(2)阳光跟踪机构

(A)支架5的一端和空心旋转主轴7连接，呈正南、正北方向水平设置的空心旋转主轴7，带动曲面反射镜1每天24小时作360度旋转。

(B)在支架5另一端曲面反射镜两支点间形成一条垂直于空心旋转主轴7的辅助回转轴线AB，曲面反射镜1以AB为轴线，每年冬至至夏至之间均匀往复回转一次。

2.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于曲面反射镜是球面反射镜。

3.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于曲面反射镜是旋转抛物面反射镜。

4.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于曲面反射镜的基材可为如下所述中的一种：①金属材料——钢材、铝材、不锈钢；②非金属材料——玻璃、塑料、玻璃钢。

5.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于曲面反射镜1的反光层2可由下列所述方法中的一种来实现：①直接抛光基材；②在曲面反射镜基材上镶贴反光膜；③在曲面反射镜基材上涂复反光材料。

6.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于光导纤维束可以为下述中的一种：①玻璃光导纤维束；②经二次高温熔结后的玻璃光导纤维束；③石英光导纤维束；④聚合物光导纤维。

7.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于在曲面反射镜1的焦点F’处可以设有如下所述中一种隔热装置：①光纤台锥；②隔热玻璃片。

8.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于空心旋转主轴7的驱动方式可为下述中的一种：①电机带动蜗轮蜗杆驱动；②电机带动齿轮组驱动；③通过步进电机直接驱动；④通过配有牵引磁铁的棘轮机构驱动；⑤电机带动行星齿轮机构驱动；⑥电机带动摆线针轮减速机构驱动。

9.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于曲面反射镜1绕辅助轴线AB的往复回转，由下列两个步骤实现：①由空心旋转主轴7的转动使往复机构沿空心旋转主轴7做轴向往复滑动；②通过连接机构使轴向往复滑动的往复机构带动曲面反射镜1绕辅助回转轴线AB作往复回转运动。

10.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于往复机构的轴向往复滑动，可由下述结构中的一种实现：①半齿轮、齿条结构；②往复螺旋槽圆柱凸轮机构。

11.根据权利要求1所述跟踪太阳的阳光采集和光纤传输装置，其特征在于连接机构可为下述中的一种：①钢丝绳、扭簧结构；②齿轮、齿条结构；③连杆结构。

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