CN108916664A - 椭球状太阳光储光照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了椭球状太阳光储光照明装置，由光纤引入太阳光，借助上转换材料和长余辉材料对太阳光进行存储，通过类椭球腔内表面高反射材料，对长余辉材料发出的荧光进行首次聚焦，随后通过聚焦透镜组对类椭球腔聚焦后的出射光进行第二次聚焦，最终装置出射光强较强且可用于照明的平行光。

Description

椭球状太阳光储光照明装置
技术领域
本发明属于照明设备技术领域，具体涉及椭球状太阳光储光照明装置。
背景技术
长余辉材料是一种光照撤离后仍要持续发光一段时间的特殊材料，不同的长余辉材料的发光持续时间和强度不同，目前都因其发光强度弱，而应用于应急时弱光照明。
“ILLUMINATION DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF”专利公开号WO2015055007A1、“Lamp containing long decay phosphor”专利公开号US19960644418、“Long afterglow lamp”专利公开号US2005264159A1，及日常生活的标识“一种长余辉发光公路，专利201720358211.1、车辆照明组件，专利201710017628.6”等地方，既降低了能源损耗，也减少了光污染。由于长余辉材料具备余辉衰减过快及储光能力不强等问题，因此很难用于日常生活中各种照明需求。这给长余辉材料日常照明的应用带来了阻碍，并且常见长余辉材料直接利用太阳光进行激发效率很低，本发明利用上转换材料使得椭球状太阳光储光照明装置可直接利用太阳发出的光作为激发光源，与长余辉材料自身的储光特性相比余辉存储能力显著增加，实现了太阳光的存储，并且椭球状太阳光储光照明装置借助椭球聚焦腔对余辉进行第一次聚焦，通过外光具组对椭球腔聚焦后的光进行了第二次聚焦，增加了余辉光的照明强度，实现了长余辉材料的照明需求。
另外，在专利名称为由光导材料和长余辉发光材料制备的昼夜照明系统，申请号为2013101379237的发明专利中公开了太阳光搜集装置。
发明内容
本发明的目的在于提供椭球状太阳光储光照明装置，能够对太阳光进行存储，并用于照明。
本发明采用的技术方案为，椭球状太阳光储光照明装置，包括储光模块和聚焦模块；
储光模块包括同心半圆球A、半圆球B，半圆球B半径小于半圆球A的半径，还包括穿过半圆球A、半圆球B球心的转动轴，转动轴与半圆球A两外壁均活性连接，转动轴与半圆球B固定连接，半圆球A内表面贴有上转换材料，半圆球B外表面贴有长余辉材料，半圆球A、半圆球B之间设置有光纤一端；
聚焦模块包括两端开口的类椭球腔，类椭球腔为椭球沿椭球两个焦平面截取的腔体，类椭球腔内表面为反光材料，类椭球腔一端开口处过椭球轴线连接转动轴，半圆球B能够在类椭球腔内转动，类椭球腔另一端开口处沿椭球轴线设置有能够聚光的聚焦透镜组。
本发明的特点还在于：
半圆球A的半径等于类椭球腔开口的半径。
上转换材料为Y(0.95-x)AlO3:0.05Er3+,xGd3。
上转换材料为Y0.55AlO3:0.05Er3+,0.4Gd3。
长余辉材料为SrAl2O4:Eu,Dy。
反光材料为镀铝反光聚脂薄膜。
聚焦透镜组包括凹透镜A、凸透镜、凹透镜B，凹透镜A、凸透镜、凹透镜B的主光轴在同一直线上，且该直线与类椭球腔的轴线重合，凹透镜A设置于类椭球腔内且设置于类椭球腔端口处。
凸透镜、凹透镜B外连接有外层壳，外层壳连接于类椭球腔外壁。
光纤另一端连接太阳光搜集装置。
本发明椭球状太阳光储光照明装置有益效果是：利用上转换材料对太阳光进行上转换，使太阳光间接作为长余辉材料的激发光源，达到存储太阳光的目的；另一方面，通过旋转杆旋钮可将长余辉材料在储光和照明间自由切换，在装置处于照明状态时，利用两次聚焦使较弱光强的余辉强度得到了较大的提高，实现了长余辉材料用于日常生活中照明的目的。
附图说明
图1是本发明的装置处于储光状态的结构示意图；
图2是本发明的装置处于照明状态的结构示意图；
图3是本发明中储光模块的结构示意图；
图4是本发明中类椭圆腔结构示意图；
图5是本发明另一种实施例结构示意图；
图6是本发明的装置处于照明状态时理论分析图；
图7为本发明中聚焦模块的聚焦强度分布图；
图8为图7聚焦强度分布图的折线示意图。
图中，101.半圆球A，102.半圆球B，103.转动轴，201.光纤，202. 类椭球腔，301.凹透镜A，302.凸透镜，303.凹透镜B，304.外层壳。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明椭球状太阳光储光照明装置，如图1及图2所示，包括储光模块和聚焦模块；
如图3所示，储光模块包括同心半圆球A101、半圆球B102，半圆球B102半径小于半圆球A101的半径，还包括穿过半圆球A101、半圆球B102球心的转动轴103，转动轴103与半圆球A101两外壁均活性连接，转动轴103与半圆球B102固定连接，半圆球A101内表面贴有上转换材料，半圆球B102外表面贴有长余辉材料，半圆球 A101、半圆球B102之间设置有光纤201一端；
如图4所示，聚焦模块包括两端开口的类椭球腔202，类椭球腔 202为椭球沿椭球两个焦平面截取的腔体，类椭球腔202内表面为反光材料，类椭球腔202一端开口处过椭球轴线连接转动轴103，半圆球B102能够在类椭球腔202内转动，类椭球腔202另一端开口处沿椭球轴线设置有能够聚光的聚焦透镜组。
半圆球A101的半径等于类椭球腔202开口的半径。
上转换材料为Y(0.95-x)AlO3:0.05Er3+,xGd3，将引入的太阳光转换成波长更短的紫外光。
上转换材料为Y0.55AlO3:0.05Er3+,0.4Gd3，转换效率最高。
长余辉材料为SrAl2O4:Eu,Dy。
反光材料为镀铝反光聚脂薄膜。
聚焦透镜组包括凹透镜A301、凸透镜302、凹透镜B303，凹透镜A301、凸透镜302、凹透镜B303的主光轴在同一直线上，且该直线与类椭球腔202的轴线重合，凹透镜A301设置于类椭球腔202内且设置于类椭球腔202端口处。
其中，凹透镜A301为双凹透镜，两个半径都是-R100，中心厚度5，凸透镜302为双凸透镜，两个半径都是+R100，中心厚度5，凹透镜B303两个半径都是-R100，中心厚度5，各透镜间距20，折射率1.5168。
凸透镜302、凹透镜B303外连接有外层壳304，外层壳304连接于类椭球腔202外壁。
光纤201另一端连接太阳光搜集装置。
如图5所示，在本发明的装置中增加半球壳C104，半球壳C104 的尺寸与半球壳B102完全相同，且半球壳C104的外表面也贴有长余辉材料，半球壳C104与半球壳B102连接，形成一个完整的球壳，然后再与转动轴103连接。
本发明椭球状太阳光储光照明装置的工作过程为：
储光过程：转动转动轴103使半圆球B102处于半圆球A101的内部，两者之间存在间隙，这样有利于光纤引导的光线充分照射到半圆球A101的内表面上，太阳光搜集装置将光通过光纤201传输至半圆球A101，半圆球A101将太阳光中的可见及红外光成分转化为紫外光，半圆球B102上的长余辉材料对半圆球A101内表面发出的紫外光进行吸收，起到光的储存。
照明过程：转动转动轴103使半圆球B102完全旋转至类椭球腔 202的内部，半圆球B102外表面上的长余辉材料发出荧光，处于照明状态，利于类椭球腔202对长余辉材料发出荧光进行一次聚焦，一次聚焦后的光线汇聚到类椭球腔202的另一端开口处，在类椭球腔202另一开口处设置有凹透镜A，凹透镜A具有发散作用，当凹透镜 A301发散效果在一定范围内时，可使得汇聚到类椭球腔202另一端开口处出射的光线方向趋于一致，凸透镜302对类椭球腔202另一端开口处出射的光线进行第二次汇聚，凹透镜B303对经过凸透镜302 汇聚后的光进行发散，当凹透镜B303发散效果在一定范围内时，可使得凸透镜302第二次汇聚的光线方向发散至趋于一致，出射平行光，最终得到较强的照明光。
其中，本发明中用到的聚焦模块设计的基本原理是基于椭球的光学性质，即椭球内从一个焦点出射的光线经过椭球反射后总是经过另一焦点，考虑椭球第一焦点(左焦点)上的光源变为一个半球面光源，则球面正出射的光将会在第二焦点(右焦点)上汇聚。由于平面发光材料在某一面元处的光强分布为I(θ)，当θ＝0(即正出射的光)时，光强较强。因为第二焦点的光为正出射光的汇聚，因此，可以清楚的知道，椭球腔内对其中一个焦点处光源发出的光会在另一焦点处得到明显的聚焦现象。
下面通过数学模型进一步说明椭球腔的聚焦效果，如图6所示，以第一焦点为圆心建立如下坐标轴，横轴为x，纵轴为y，提取平面图 (椭圆)的半长轴为a，半短轴为b，考虑椭球腔内表面各向光强无吸收，且计算光强分布时仅考虑经一次反射的出射光。γ为长余辉材料表面正出射的光与y轴的夹角，令γ＝m·dγ，其中m为0 到n之间(包括0和n)的正整数，(n也为较大的正整数)。结合下图，k左＝tan(γ+θ左)，k右＝tan(γ-θ右)，其中k左为γ角度下的长余辉微元(坐标为(rsinγ,rcosγ)，r为半球壳B的半径)发散光中恰好能够在椭球腔出射光口上边缘出射的椭球腔表面入射光的斜率，k右为γ角度下的长余辉微元发散光中恰好能够在椭球腔出射光口下边缘出射的椭球腔表面入射光的斜率，与x轴夹角为γ的直线的斜率为k。θ左为k左与k的夹角，θ右为k右与k的夹角。先对θ左的部分分析，对从坐标出射的γ角度下的长余辉微元发出的且仅经过一次反射的入射光的斜率与k的夹角定义为θmm′，其中0≤m′≤n且为正整数。取 0≤θmm′≤θ左，则有kmm′＝tan(γ+θmm′)。进一步地，联立直线与椭圆方程求交点坐标：从而解得交点坐标(xj,yj)，其中xj为交点横坐标，yj为交点纵坐标。进一步地，联立方程求得法线斜率k法：其中k′为椭圆上切线的斜率，椭球壳表面光线的入射角为α(θmm′)＝arctan(k法)-arctan(kmm′)，反射光的斜率k反(θmm′)＝tan[arctan(k法)+α(θmm′)]。反射光斜率同时满足从而可以求得θmm′的表达式。
再对θ右的部分分析，对从坐标出射的γ角度下的长余辉微元发出的且仅经过一次反射的入射光的斜率与k的夹角定义为θmm″，其中0≤m″≤n且为正整数。取0≤θmm″≤θ右，则有kmm″＝tan(γ-θmm″)。进一步地，联立直线与椭圆方程来求交点坐标：从而解得交点坐标(xf,yf)，其中xf为交点横坐标，yf为交点纵坐标。
进一步地，联立方程求得法线斜率k法：椭球壳表面光线的入射角为α(θmm″)＝arctan(k法)-arctan(kmm″)，因此，反射光的斜率k反(θmm″)＝tan[arctan(k法)+α(θmm″)]。反射光斜率同时满足从而可以求得θmm″的表达式。
由于我们只计算了椭球第一象限对第二焦平面的光强贡献，当m′＝m″时，我们可以将过第二焦平面第四象限面分布的光强对称叠加到第二焦平面第一象限部分。最终处光强可由各个发光面元对此处的贡献之和，可求得光强分布其中I(θmm′)和I(θmm″)由长余辉材料自身性质决定，以上为椭球腔第二焦平面上光强分布的理论计算方法。
借助几何光学模拟软件(tracePro7.0)得到椭球聚焦腔聚焦效果示意图，如图7和图8所示，可以观察到明显的光汇聚现象。
通过上述方式，本发明椭球状太阳光储光照明装置，一方面利用上转换材料对太阳光进行上转换，可使太阳光间接作为长余辉材料的激发光源，达到存储太阳光的目的，另一方面，通过旋转杆旋钮可将长余辉材料在储光和照明间自由切换，在装置处于照明状态时，利用两次聚焦使较弱光强的余辉强度得到了较大的提高，实现了长余辉材料用于日常生活中照明的目的。

Claims (9)

1.椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，包括储光模块和聚焦模块；
所述储光模块包括同心半圆球A(101)、半圆球B(102)，半圆球B(102)半径小于半圆球A(101)的半径，还包括穿过半圆球A(101)、半圆球B(102)球心的转动轴(103)，转动轴(103)与半圆球A(101)两外壁均活性连接，转动轴(103)与半圆球B(102)固定连接，半圆球A(101)内表面贴有上转换材料，半圆球B(102)外表面贴有长余辉材料，半圆球A(101)、半圆球B(102)之间设置有光纤(201)一端；
所述聚焦模块包括两端开口的类椭球腔(202)，类椭球腔(202)为椭球沿椭球两个焦平面截取的腔体，类椭球腔(202)内表面为反光材料，类椭球腔(202)一端开口处过椭球轴线连接转动轴(103)，半圆球B(102)能够在类椭球腔(202)内转动，类椭球腔(202)另一端开口处沿椭球轴线设置有能够聚光的聚焦透镜组。
2.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述半圆球A(101)的半径等于类椭球腔(202)开口的半径。
3.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述上转换材料为Y(0.95-x)AlO3:0.05Er3+,xGd3。
4.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述上转换材料为Y0.55AlO3:0.05Er3+,0.4Gd3。
5.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述长余辉材料为SrAl2O4:Eu,Dy。
6.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述反光材料为镀铝反光聚脂薄膜。
7.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述聚焦透镜组包括凹透镜A(301)、凸透镜(302)、凹透镜B(303)，所述凹透镜A(301)、凸透镜(302)、凹透镜B(303)的主光轴在同一直线上，且该直线与类椭球腔(202)的轴线重合，所述凹透镜A(301)设置于类椭球腔(202)内且设置于类椭球腔(202)端口处。
8.根据权利要求7所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述凸透镜(302)、凹透镜B(303)外连接有外层壳(304)，所述外层壳(304)连接于类椭球腔(202)外壁。
9.根据权利要求1所述椭球状太阳光储光照明装置，其特征在于，所述光纤(201)另一端连接太阳光搜集装置。
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