CN1236221C - 太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，属于太阳能应用技术领域。该系统包括自动跟踪太阳反射装置。该装置由平面反射镜、驱动平面反射镜转动的二维主、辅轴机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路组成。此外还包括平面导轨运动机构，该机构含有布置在被设定的太阳投射柱状区域上端口的导轨以及由处理电路控制、在导轨上运动的基座，自动跟踪太阳反射装置中二维主、辅轴机械传动机构的底座安装在基座上。本发明依靠太阳光跟踪技术和太阳光定位、间距、准直传感器的共同作用，可以将准直太阳光充满被设定太阳投射柱状区域，大幅缩小了平面反射镜面积，成本较低，优势明显，更便于推广应用。

Description

太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统

技术领域

本发明涉及一种自然光照明系统，特别是一种适合设定的太阳投射柱状区域用的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，属于太阳能应用技术领域。

背景技术

目前，住宅平面普遍按照建筑设计要求，形成许多凹凸结构，以求外墙与阳光的接触面尽可能大一些，从而满足住户的采光要求。很多公共场所的大型建筑，例如大商场均设计了比较大的中空建筑区域(俗称为天窗)。即使如此，这类大型建筑内的采光依然需要大量采用人工照明的方法。然而人工照明不仅消耗大量能源，而且这种光环境远不及自然光有益人体健康，所以人们一直在通过种种办法对取之不尽、用之不竭的太阳光进行有效的采集，并设法将阳光送到需要的场所。

以本专利申请人为主要发明人的已授权发明专利《全自动跟踪太阳的采光装置》(申请号为99114216.0、申请日为1999.05.19)公开了一种由聚光采光器、驱动聚光采光器转动的机械传动装置、控制机械传动装置的光信号反馈处理电路、向光信号反馈处理电路传送探测信号的光敏探测器组成的采光装置，该发明的核心是建立了交叉主轴和辅轴构成的复合运动传动机构，同时提出了由四组位于聚光元件的轴向会聚光斑四周四个方位的光敏接收器件和聚光元件组成的光敏探测器，因此可以实现采光器对太阳光的自动跟踪。

除此之外，现有技术中另一类实现采光器对太阳光自动跟踪的技术方案为，根据太阳相对于地球的运行规律，设定计算机程序，以该程序通过处理电路，控制驱动采光器转动的机械传动装置。例如专利申请号为95107312.5、申请日为95年5月30日、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》即是如此。

在对自动跟踪太阳技术的研究基础上，发明人对采集太阳光照明的技术进行了探索研究。

据申请人了解，采集太阳光照明技术按传输介质分类大体可分为导光管传光、光纤传光和反射镜直接传光三种方式。其中，导光管和光纤传光虽然具有一定的优越性，但制约两者应用的最大缺陷是价格比较昂贵，如美国著名的3M公司生产的棱镜导光管售价约在5000元/米，日本制造的六眼光纤采光器HIMAWARI系统价格也在3000美元/套左右，因此很难在我国推广应用。

反射镜直接传光是一种经济实用、性能价格比较高的采光方式，也就是通常所用的两次反射法。这种采光方式将一块反射镜安装在建筑物上部，另一块安装在地面附近。当阳光照射到建筑物上部的反射镜后，被垂直反射向地面，照射到第二块反射镜，再将光反射进室内。将建筑物诸如天窗的区域设定为太阳投射柱状区域，采用此采光方式时，存在如下明显问题：1、固定在一处的反射镜即使采用自动跟踪太阳的技术，也无法从早到晚将反射光全部照射到设定投射柱状区域内，因而不能充分有效地利用太阳光；2、如要达到整个设定投射柱状区域完全被反射光照明的目的，反射镜尺寸势必非常庞大，其驱动和防风机构将相当复杂。

发明内容

基于上述情况，本发明的首要目的在于：提出一种不仅可以自动跟踪太阳、而且可以始终将反射的太阳光投射到设定柱状区域内的太阳光跟踪反射、定位准直采光系统，从而使太阳光得到充分有效的利用。

本发明进一步的目的是：提出一种以小面积平面反射镜实现设定投射柱状区域完全被照明的太阳光跟踪反射、定位准直采光系统，尤其是要解决太阳高度升高后、高度角很大时，以小面积平面反射镜使设定太阳投射柱状区域完全照明的问题。

本发明更进一步的目的在于：提出一种可以监控设定太阳投射柱状区域是否始终充满太阳光的太阳光跟踪反射、定位准直采光系统。

为了达到上述首要目的，本发明太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统的基本方案为：本系统包括自动跟踪太阳反射装置，该装置由平面反射镜、驱动平面反射镜转动的二维主、辅轴机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路组成，此外还包括平面导轨运动机构，所述平面导轨运动机构含有布置在被设定的太阳投射柱状区域上端口的导轨以及由处理电路控制、在导轨上运动的基座，所述自动跟踪太阳反射装置中二维主、辅轴机械传动机构的底座安装在所述基座上。

以上系统开始工作时，平面导轨运动机构使自动跟踪太阳反射装置处在处理电路预先设定的起步位置，接着自动跟踪太阳反射装置通过处理电路的处理，控制二维主、辅轴机械传动机构运动，不断调整平面反射镜的空间角度，使平面反射镜始终跟踪太阳；与此同时，自动跟踪太阳反射装置还在平面导轨运动机构的带动下，随基座一起逐渐在太阳投射柱状区域上端口布置的导轨上运动，以使反射光始终投射到所需设定柱状区域内。结果，平面反射镜不仅始终自动跟踪太阳，充分接收太阳光，而且将所接收到的太阳光全部经反射后投射到设定的柱状区域内，从而使太阳光得到最大限度地利用。值得一提的是，本发明二维主、辅轴机械传动机构跟踪太阳的运动与平面导轨运动机构调整基座所处位置的运动不是简单的叠加，而是有机的结合。

众所周知，当太阳高度很高、即高度角很大时，反射光的投影面积变小，因此尺寸有限的单片平面反射镜无法全部照明被设定太阳投射柱状区域。为了解决这一问题，即为了达到本发明进一步的目的：以上系统中还含有两片以上的平面反射镜，各平面反射镜平行安装在各自的伸缩机构上，所述伸缩机构主要由滑板、固定板、滑竿、滑竿套、平面反射镜框架及驱动滑板运动的驱动机构组成，驱动机构安装于固定板，固定板与滑竿套一端固连，滑板两端分别与滑竿固连，滑竿另一端固连平面反射镜框架，各平面反射镜背面的底侧装有能感知后片平面反射镜相对位置、间距大小的光敏元件，构成间距传感器，间距传感器的信号输出端接处理电路的信号输入端。

为了达到更进一步的发明目的，本发明的系统还包括太阳光定位传感器，所述定位传感器由四组光敏接收器件构成，对称布置于被设定太阳投射柱状区域的四个上顶角位置。这样，当投射到设定柱状区域的太阳光不能充满被设定太阳投射柱状区域时，势必引起太阳光定位传感器中光敏接收器件的感光不均衡，此不均衡信号输入到处理电路后，可以通过机械传动机构调整起作用的平面反射镜的个数和位置以及基座在导轨上的位置，确保被设定太阳投射柱状区域充满反射光。

改进后的本发明系统早上工作时，首先由第一片平面反射镜跟踪太阳光，并将太阳光反射后投射到被设定区域。随着时间推移，太阳位置即方位角和高度角发生了变化，由于太阳高度角较高，导致单片平面反射镜的投射无法充满整个区域，于是定位传感器、间距传感器起作用，通过处理电路驱动电机，并通过伸缩机构驱动第一片平面反射镜前移一段距离，使得后片平面反射镜也起作用，从而增加反射光照射面积，让投射的太阳光充满整个设定区域。依次类推，不断重复上述过程，直至中午。过了正午时刻，太阳高度角开始降低，系统按以上相反过程，依次撤回反射镜。

总之，本发明与以往反射镜反射的光斑只能在被设定投射柱状区域某一局部范围内移动甚至移出设定区域外的采光方案相比，不仅能实现整个区域始终充满太阳光，而且在照明相同区域面积的前提下，大幅度缩小了所需平面反射镜的面积，系统结构紧凑、实用。这样，从建筑上可以减小天窗的面积，尽可能少耗费空间资源。如果与采用光纤、导光管等传光的采光系统相比，本发明显然成本较低，优势明显，更便于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一的平面反射镜前后伸缩运动机构及其力矩平衡用弹簧机构示意图。

图3是本发明实施例一的光学原理图。

图4是本发明实施例一的平面反射镜背面的间距传感器位置示意图。

图5是本发明实施例一的准直传感器结构示意图。

图6是本发明实施例一的处理电路控制流程示意图。

图7是本发明实施例二的环形平面导轨运动机构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统结构示意如图1和图2所示，可以分解成如下主要机构：驱动多片平行平面反射镜转动以跟踪太阳的二维主辅轴机械传动机构，受单片机程序电路控制可预先设定基座位置的平面导轨运动机构，驱动多片平行平面反射镜做前后伸缩滑行的多套伸缩运动机构及其力矩平衡用弹簧机构，平行平面反射镜转轴转动机构。此外，本实施例还包括控制机械传动机构的处理电路，向处理电路传送信号的太阳光准直、间距、定位传感器。本实施例实现太阳位置的跟踪探测由太阳光跟踪传感器完成，并向处理电路传送跟踪信号。图中天窗AA’BB’CC’DD’表示一个设定的太阳投射柱状区域。

驱动多片平行平面反射镜转动以跟踪太阳的二维主、辅轴机械传动机构如图1所示，包括主轴7、辅轴8和辅轴座9，主轴7通过轴承铰装在底座2中，由主轴电机带动；辅轴座9与主轴7固连，辅轴8通过轴承铰装在辅轴座9中，由辅轴电机带动。此相互叠加的二维转轴机构可实现太阳方位角和高度角的调整，在与现有技术相同的控制机械传动机构的处理电路、向处理电路传送信号的太阳光跟踪传感器作用下，成为自动跟踪太阳反射装置，达到自动跟踪太阳的目的。

平面导轨运动机构如图1所示，可以分成二组直线主、副导轨机构，其中主导轨机构包括主基座27、燕尾槽导轨27’(本发明不限于燕尾槽导轨，其他形式的导轨也可)以及由丝杆28、电机及其减速机构29构成的驱动机构。电机及其减速机构29的输出轴与丝杆28连接，燕尾槽导轨27’固定在被设定的太阳投射柱状区域上端口一侧，主基座27的底面插装在燕尾槽导轨27’中，并固定有与丝杆28构成丝杆螺母机构(本发明不限于丝杆螺母机构，其他的平移机构也可)的螺母。副导轨机构的构成与主导轨机构类同，包括副基座30和燕尾槽导轨30’等，可以类推。其中，燕尾槽导轨30’固定在主基座27上，二维主、辅轴机械传动机构中的底座2固定在副基座30上。燕尾槽导轨30’的四个端角还装有起支撑作用的四个滚轮30”。这样，在设定的单片机程序控制下，通过二组导轨机构的复合运动，可以实现底座2围绕设定太阳投射柱状区域AA’BB’CC’DD’上端口的转动，从而与太阳光自动跟踪反射装置共同作用，使反射光始终投射到该区域内。

驱动多片平行平面反射镜做前后伸缩滑行的多套伸缩运动机构参见图2(图中只示出一套)，主要由滑板13、固定板14、两根滑竿15和15’、两根侧面开槽的滑竿套16和16’、平面反射镜框架17以及由电机及其减速机构10、丝杆11、螺母12构成的驱动机构组成。电机受控端接处理电路的控制输出端，电机及其减速机构10安装于固定板14上，其输出轴与丝杆11一端固连。固定板14与两根滑竿套16、16’一端固连，两根滑竿15、15’分别插装在两根滑竿套16、16’中，其一端与从两根滑竿套16、16’的侧面槽中伸出的滑板13固连。螺母12与滑板13固连，并与丝杆11啮合构成丝杆螺母机构。平面反射镜1固定在平面反射镜框架17上，框架17与两根滑竿15、15’的伸出端固连。整个机构在电机及其减速机构10的驱动下，可以通过滑板13沿侧面开槽的滑竿套16、16’轴线方向滑行，从而带动滑竿及反射镜1作伸缩运动，实现多片反射镜共同作用，使反射光充满设定的太阳投射柱状区域。

每片平面反射镜背面的底侧装有能感知后片平面反射镜相对位置、间距大小的两组光敏元件18、18’构成的间距传感器(参见图4)，间距传感器的信号输出端接处理电路的信号输入端。这样可以实现各片平面反射镜是否重叠作用的自动探测，保证每片平面反射镜最大限度的利用。

为了防止平面反射镜1作前后伸缩运动时平面反射镜转轴单侧力矩过大，系统还设有图2所示平衡该单侧力矩变化用的弹簧机构，该弹簧机构主要由弹簧19、滑轮20、钢丝绳21组成，弹簧19一端与辅轴座延伸板22相连，另一端通过滑轮20与滑板13固连，通过调节弹簧19的张紧程度，可以平衡平面反射镜前后伸缩而变化的力矩。

平行平面反射镜转轴转动机构也在图2中示出，主要由平面反射镜转轴23、两支撑块24、24’、同步齿形带25、半径比为2∶1的两个带轮26组成。平面反射镜转轴23与辅轴8都通过轴承平行铰装在辅轴座9上，两端分别固连两块支撑块24、24’，该两支撑块上分别固连与转轴23垂直的多根平行滑竿套16、16’，平面反射镜转轴23与辅轴8经由速比为1∶2的两个带轮26，通过同步齿形带25衔接。这样，平面反射镜转轴23南北向的旋转角始终是辅轴8旋转角的一半，从而保证将反射光垂直向下投射。

从图2还可以看出，太阳光定位传感器4由四组光敏接收器件(4’、4”、4’”、4””)构成、对称布置于被设定太阳投射柱状区域的四个上顶角ABCD位置，控制机械传动机构的处理电路可以根据来自定位传感器4的信号，控制平行滑竿的滑动和底座沿平面导轨的滑移，从而确保被设定太阳投射柱状区域始终充满反射光。

安装于AB中心位置处的准直传感器5具体结构如图5所示，由四组沿柱状长孔5底部周边布置的光敏元件5’、5”、5’”、5””组成。当太阳光不准直时，必然引起5’、5”、5’”、5””的信号不平衡，从而通过处理电路控制机械传动机构微调平面反射镜的角度，使反射光准直。

整个系统的工作程序是这样的：单片机程序电路预先设定底座位置——使平面反射镜基本跟踪上太阳——使投射的阳光准直——确定多片平面反射镜相互间距——底座微调，具体流程如图6所示。详细运行过程为：早上，太阳高度角很低，依靠最前反射镜就能使太阳光充满整个被设定太阳投射柱状区域。随着时间推移，太阳位置即方位角和高度角发生了变化。这时，首先由单片机程序控制平面导轨运动机构工作并预先设定底座2位置，接着太阳光跟踪传感器3及其处理电路完成对二维主辅轴机械传动机构的控制，使得反射镜基本跟踪上太阳。由于平面反射镜转轴23是辅轴8旋转角度的一半，使得太阳光经过平面反射镜后投射到被设定区域。这时设置的准直传感器5起作用，判断太阳光是否完全准直，如果不完全准直，通过准直传感器5的控制电路微调反射镜1位置。由于此时的太阳高度角较高，单片反射镜的投射无法充满整个区域，间距传感器(18、18’)和定位传感器4起作用，反射镜前移一段距离，后片反射镜也起作用，再微调底座位置。此时，四个角落都能接收到阳光。当太阳高度角再次发生变化，重新预先设定底座位置、跟踪准直传感器再起作用，这时可能要求第一、二反射镜继续前移一段由间距传感器(18、18’)决定的距离，即满足后片反射镜前点的反射阳光恰好落在18、18’之间(图4所示)，第三块反射镜起作用，同时定位传感器微调底座位置，以后不断重复上述过程直至中午。过了正午时刻，由于太阳高度角开始降低，此后又不断需要每过一段时间，依次撤回反射镜。

整体系统的光学原理如图3所示，若干块反射镜33、34、35各自接收平面反射镜的部分准直光反射进入采光建筑36玻璃窗内。由于设定太阳投射柱状区域的四周粘贴了高效反光材料，使得天空中太阳散射光被反射起辅助照明作用。所述系统整体置于塑料或玻璃的透明防尘罩37内。

实施例二

本实施例与实施例一相比，其不同之处在于：被设定的太阳投射柱状区域上端口周围固定两条环形导轨，其中一条导轨为环形齿条导轨40，如图7所示，二维主、辅轴机械传动机构底座固定的基座下装有受电机驱动的、与齿条导轨40齿牙啮合的主动齿轮39、39’以及与紧靠另一导轨的滚轮38、38’。这样，在程序电路控制下，同样可以实现底座围绕被设定的太阳投射柱状区域运行，从而使反射光始终投射到该区域内。

除以上实施例外，本发明还有其他多种实施方式。例如，处理电路对太阳的跟踪不是通过太阳光跟踪传感器确定太阳方位，而是采用程序完成跟踪；或者将这两种跟踪控制方式相结合。再如，实现平面反射镜转轴旋转一半辅轴角度的机构采用三个齿轮(半径比为2∶1∶1)；安装在支撑块上的多根平行滑竿套可设计在一水平面内间隔布置；平面导轨运动机构中基座的运动和平面反射镜的前后伸缩运动由电机——链轮机构或其他驱动机构驱动；平面导轨运动机构由PLC程序电路或某传感器电路控制；齿轮39’改换为滚轮；其它可使底座围绕被设定投射区域转动的平面导轨运动机构等等。凡是本领域技术人员在本发明基础上所做的等同替换或类似组合变换均属于本发明保护范围。

Claims (10)

1、一种太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，包括自动跟踪太阳反射装置，该装置由平面反射镜、驱动平面反射镜转动的二维主、辅轴机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路组成，其特征在于：还包括平面导轨运动机构，所述平面导轨运动机构含有布置在被设定的太阳投射柱状区域上端口的导轨以及由处理电路控制、在导轨上运动的基座，所述自动跟踪太阳反射装置中二维主、辅轴机械传动机构的底座安装在所述基座上，还含有两片以上的平面反射镜，各平面反射镜平行安装在各自的伸缩机构上，各平面反射镜背面的底侧装有能感知后片平面反射镜相对位置、间距大小的光敏元件，构成间距传感器，间距传感器的信号输出端接处理电路的信号输入端。

2、如权利要求1所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：，所述伸缩机构主要由滑板、固定板、滑竿、滑竿套、平面反射镜框架及驱动滑板运动的驱动机构组成，驱动机构安装于固定板，固定板与滑竿套一端固连，滑板两端分别与滑竿固连，滑竿另一端固连平面反射镜框架。

3、如权利要求2所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：还包括太阳光定位传感器，所述定位传感器由四组光敏接收器件构成，对称布置于被设定太阳投射柱状区域的四个上顶角位置。

4、如权利要求1或3所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：还配有准直传感器，所述准直传感器由至少二组光敏接收器件组成，对称布置于中心轴线与被设定太阳投射柱状区域的中心轴线平行的柱状长孔的底部周边。

5、如权利要求4所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：所述平面导轨运动机构分成二组直线主、副导轨机构，所述主、副导轨机构为主基座和主导轨、副基座和副导轨以及主、副驱动机构构成的平移机构，其中所述主导轨固定在被设定的太阳投射柱状区域上端口一侧，所述副导轨固定在主基座上，所述二维主、辅轴机械传动机构中的底座固定在副基座上。

6、如权利要求4所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：所述平面导轨运动机构为固定在被设定的太阳投射柱状区域上端口周围的两条环形导轨和底部装有受电机驱动的主动齿轮和滚轮的基座，其中两条环形导轨中的一条为环形齿条导轨，所述主动齿轮与齿条导轨的齿牙啮合，所述滚轮紧靠另一环形导轨。

7、如权利要求2所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：还包含平行平面反射镜转轴转动机构，该机构主要由平面反射镜转轴、支撑块组成，所述平面反射镜转轴与所述辅轴均通过轴承平行铰装在辅轴座上，两端分别固连支撑块，支撑块上固连与平面反射镜转轴垂直的平行滑竿套，平面反射镜转轴与辅轴通过速比为1∶2的机械传动机构衔接。

8、如权利要求2所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：还含有平衡单侧力矩变化的弹簧机构，所述弹簧机构主要由弹簧、滑轮、钢丝绳组成，所述弹簧一端与所述辅轴座延伸板相连，另一端通过滑轮与所述滑板固连。

9、如权利要求1所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：还包含反射平面反射镜的部分准直光进入采光建筑内的若干块反射镜，所述设定太阳投射柱状区域的四周粘贴高效反光材料。

10、如权利要求1所述的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于：所述系统整体置于塑料或玻璃的透明防尘罩内。

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