CN113551199A - 一种聚光采光罩的制造及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能应用领域光导照明技术的采光装置，具体是一种聚光采光罩的制造及使用方法。本发明利用球面梳光层聚光的特性，使正对太阳的任意面光线向球心附近靠拢，在过球心的大圆面上形成阳光聚集；利用平面梳光层梳光的特性，使被聚集的阳光梳理成与面层垂线夹角较小的光，便于光线在光导管中的高效传输。采用本发明在光导管接收端可得到较高的聚光比，显著优于光导管的被动采光效果，且不需要光追踪，结构简单，成本低廉，便于光导照明技术的推广和普及。

Description

一种聚光采光罩的制造及使用方法
技术领域
本发明涉及太阳能应用领域光导照明技术的采光装置，具体是一种聚光采光罩的制造及使用方法。采用该发明能将二维移动的太阳光自然聚集及调整光的传播方向便于利用。
背景技术
目前，光导照明技术主要采取两种方式：一是被动采光的光导管照明技术；一是主动采光的聚焦跟踪，光导纤维传输的照明技术。前者结构简单，光通量大，但采光不稳定，占用建筑空间大，局限明显；后者虽采光效果较好，但存在结构复杂、制造成本高、难以维护等弊端，不利于太阳能应用技术的推广和普及。
发明内容
本发明提供一种聚光采光罩的制造及使用方法，目的是解决现有光导照明技术存在的采光不稳定、局限性大、结构复杂、制造成本高、难以维护等问题。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：主体为球面壳层[1]与若干契面夹角相等、尖端指向壳层的契型小透镜[6]，组成球面正六边形网格结构的球面梳光层[2]叠合；底部为若干契面夹角相等、尖端向上的契型小透镜[6]，组成平面正六边形网格结构的圆面梳光层[3]，还包括面层[4]和托环[5]。
所述的托环[5]内圆上部直径等于面层直径，下部为阶梯内圆，外圆直径等于所述的壳层[1]大圆外径，厚度大于所述的面层[4]；所述的托环[5]、面层[4]、壳层[1]由等厚环面、圆面或球面的透明固体材料制成。
所述契型小透镜[6]主视剖面为等腰三角形，其底边中点与顶角的连线，即对称轴[7]，垂直于面层或与壳层径向一致。
所述的契型小透镜[6]主视剖面为两个对称直角三角形，其直角长边垂直于面层[4]或与壳层[1]径向一致。
所述的契型小透镜[6]，左视剖面为矩形或等腰梯形。
所述的契形小透镜[6]契面夹角为1-4度，由透明固体材料制成。
所述的球面梳光层[2]中契型小透镜[6]左视剖面为梯形，其尖端隔成或围成的正六边形宽度，即内切圆直径与契型小透镜[6]高的比为1比3-5。
所述的圆面梳光层[3]中契型小透镜[6]左视剖面为矩形，其尖端隔成或围成的正六边形宽度，即内切圆直径与所述的契型小透镜[6]高的比为1比2.5-4。
包括形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]；形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]的聚光与梳光效果。
所述的形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]分别由聚甲基丙烯酸甲酯整体注塑形成。
由聚甲基丙烯酸甲酯注塑或聚甲基丙烯酸甲酯管热压，形成六个直角三角形半契面围成的契型小透镜组合单元[8]，若干契型小透镜组合单元[8]集成所述的球面梳光层[2]或圆面梳光层[3]。
所述的球面梳光层[6]聚光方法，是使其过同心球面球心处，垂直于大圆面的直线与竖直方向夹角为正南方向的当地纬度度数安装。
所述的球面梳光层[2]聚光方法为一面或多面直径不同的球面梳光层[2]放置于同心球面位置，组成球面梳光层组聚光。
所述的圆面梳光层梳光是将所述的圆面梳光层[3]置于所述的球面梳光层[2]大圆面聚光面上或置于光源对应一侧。
本发明利用球面梳光层(为半球面时)聚光的特性，使正对太阳的任意面光线向球心附近靠拢，在过球心的大圆面较小范围内形成阳光聚集。在阳光聚集处，利用平面梳光层梳光的特性使光线被梳理成与面层垂线夹角较小的光，便于光线在光导管中的高效传输。采用本发明能在光导管接收端得到较高的聚光比，显著优于光导管的被动采光，且不需要光追踪，结构简单，成本低廉，便于推广和普及。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的剖视结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1中S处的局部放大图；
图4是图3的俯视图；
图5是图3的左视(A-A)剖视图；
图6是图1中M处的局部放大图；
图7是图6的俯视图；
图8是图6的左视(A-A)剖视图；
图9、图10、图11分别是同一束光线连续透过契型小透镜的角度变化示意图；
图12、图13、图14分别是不同角度光线通过梳光层时透过契型小透镜次数的示意图；
图15、图16是本发明接收太阳光直射和偏射的光路示意图。
图中标记说明：1壳层；2球面梳光层；3圆面梳光层；4面层；5托环；6契型小透镜；7对称轴；8契型小透镜组合单元；9光导管；10光线。
具体实施方式
参见图1-2，一种聚光采光罩主体由壳层1与球面梳光层2叠合而成；下部圆面梳光层3与面层4叠合，面层4套入托环5内圆阶梯处，托环5外圆部托住壳层1大圆端并胶接连为一体，托环5内圆下部与光导管9上端对接；使过球面梳光层2同心球面球心处，垂直于大圆面的直线与竖直方向夹角保持正南方向为当地纬度度数，并与光导管9连接固定安装。
参见图3-5，球面梳光层2为若干契型小透镜6构成的球面正六边形网格结构。契型小透镜6的主视剖面对称轴7与壳层1径向一致，尖端面与壳层叠合。
参见图6-8，圆面梳光层3为若干契型小透镜6构成的平面正六边形网格结构。契型小透镜6的主视剖面对称轴7与面层垂直，圆面梳光层3中契型小透镜6的底面端与面层4叠合。
参见图9-11，当光线10与契型小透镜主视剖面对称轴(以下称对称轴)7以角度A(如45度)透过契型小透镜6，光线10折射后与对称轴7的夹角减小为A1(当折射率为1.5时，A1为36度)；光线10进入镜内经契面一次反射后透出契型小透镜6，光线10折射与对称轴7的夹角减小为A2(A2为28度)：光线10进入镜内经契面两次反射后透出契型小透镜6，光线10折射与对称轴的夹角减小为A3(A3为18度，见图9)。如果光线10的透过率三次分别为85％、70％、50％，那么总透过率应为(85+10.5+2.25)％。
当光线10与对称轴7以角度A1透过契型小透镜6，光线10折射与对称轴7的夹角减小为A2(A2为28度，见图10)。
当光线10与对称轴7以角度A2透过契型小透镜6，光线10折射与对称轴7的夹角减小为A3(A3为18度)；如果光线10进入契型小透镜6后在契面之间连续反射或全反射，最后光线10以与契型小透镜6底面法线即对称轴7较小角度A4射出(见图11)。
参见图12-14，光线10与对称轴7以小角度通过圆面梳光层3时，只有一次透过契型小透镜6的机会(见图12)；光线10与对称轴7以较大角度通过圆面梳光层3时，有二次透过契型小透镜6的机会(见图13)；光线10对称轴7以大角度(等于45度时)通过圆面梳光层3时有三次透过契型小透镜6的机会(见图14)。
通过图9-11与图12-14结合，光线10通过球面梳光层2与圆面梳光层3有四种情况：一是光线10与对称轴7夹角大时，光线10三次透过契型小透镜，少部进入镜内经契面反射后透过小透镜通过；二是光线10与对称轴7夹角较大时，光线10二次透过契型小透镜，少部进入镜内经契面反射后透过契型小透镜通过；三是光线10与对称轴7夹角小时，一次透过契型小透镜，少部进入镜内经契面之间连续反射(或全反射)，由契型小透镜6底面射出后通过；四是光线10与对称轴7夹角很小时，经两契型小透镜之间的间隙直接通过。
参见图15-16，分别表示本发明在太阳光直射、偏射通过球面梳光层2，光线10的聚集和通过平面梳光层3光线10被梳理的情况。
综上，当光线10通过球面梳光层2后，就会被梳理成与球面梳光层2径向夹角较小的光，使球面梳光层正对太阳面的光线向球心附近靠拢，在大圆面上形成阳光聚集；当光线10通过圆面梳光层3后，就会被梳理成与圆面梳光层3垂线夹角较小的光，便于光线在光导管中高效传播光。

Claims (15)

1.一种聚光采光罩，其特征是：主体为球面壳层[1]与若干契面夹角相等、尖端指向壳层的契型小透镜[6]，组成球面正六边形网格结构的球面梳光层[2]叠合；底部为若干契面夹角相等、尖端向上的契型小透镜[6]，组成平面正六边形网格结构的圆面梳光层[3]，还包括面层[4]和托环[5]。
2.根据权利要求1所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的托环[5]内圆上部直径等于面层直径，下部为阶梯内圆，外圆直径等于所述的壳层[1]大圆外径，厚度大于所述的面层[4]；所述的托环[5]、面层[4]、壳层[1]由等厚环面、圆面或球面的透明固体材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述契型小透镜[6]主视剖面为等腰三角形，其底边中点与顶角的连线，即对称轴[7]，垂直于面层或与壳层径向一致。
4.根据权利要求3所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的契型小透镜[6]主视剖面为两个对称直角三角形，其直角长边垂直于面层[4]或与壳层[1]径向一致。
5.根据权利要求4所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的契型小透镜[6]，左视剖面为矩形或等腰梯形。
6.根据权利要求5所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的契形小透镜[6]契面夹角为1-4度，由透明固体材料制成。
7.根据权利要求1至6之一，所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的球面梳光层[2]中契型小透镜[6]左视剖面为梯形，其尖端隔成或围成的正六边形宽度，即内切圆直径与契型小透镜[6]高的比为1比3-5。
8.根据权利要求1至6之一，所述的一种聚光采光罩，其特征是：所述的圆面梳光层[3]中契型小透镜[6]左视剖面为矩形，其尖端隔成或围成的正六边形宽度，即内切圆直径与所述的契型小透镜[6]高的比为1比2.5-4。
9.一种聚光采光罩的制造及使用方法，其特征在于：包括形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]；形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]的聚光与梳光效果。
10.根据权利要求9所述的一种聚光采光罩的制造及使用方法，其特征是：所述的形成球面梳光层[2]和圆面梳光层[3]均由聚甲基丙烯酸甲酯整体注塑形成。
11.根据权利要求9所述的一种聚光采光罩的制造及使用方法，其特征是：由聚甲基丙烯酸甲酯注塑或聚甲基丙烯酸甲酯管热压，形成六个直角三角形半契面围成的契型小透镜组合单元[8]，若干契型小透镜组合单元[8]集成所述的球面梳光层[2]或圆面梳光层[3]。
12.根据权利要求11所述的一种聚光采光罩的制造与使用方法，其特征在于：所述的球面梳光层[6]聚光方法，是使其过同心球面球心处，垂直于大圆面的直线与竖直方向夹角为正南方向的当地纬度度数安装。
13.根据权利要求12所述的一种聚光采光罩的制造及使用方法，其特征在于：所述的球面梳光层[2]聚光方法为一面或多面直径不同的球面梳光层[2]放置于同心球面位置，组成球面梳光层组聚光。
14.根据权利要求13所述的一种聚光采光罩的制造及使用方法，其特征在于：所述的圆面梳光层梳光是将所述的圆面梳光层[3]置于所述的球面梳光层[2]大圆面聚光面上或置于光源对应一侧。
15.包括权利要求1至14之一，所述的一种聚光采光罩的其他光学装置。
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