CN1237693A - 全自动跟踪太阳的采光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动跟踪太阳的采光装置，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，其特点是聚光采光器可以绕交叉的主轴和驱动机构装在主轴上的辅助轴转动，光敏探测器至少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。本发明的设计方案科学合理，经济实用，适合我国国情，推广之后将产生较高的社会效益和经济效益。

Description

全自动跟踪太阳的采光装置

本发明涉及一种跟踪采集太阳光的装置，尤其是一种自动跟踪太阳采集太阳光的装置。

太阳光是自然界取之不尽、用之不竭的天然能源，至今人类对太阳光的利用还基本停留在自然光照明的初级阶段。事实上，对太阳光进行有效采集、合理利用，其前景广阔、意义深远。例如，可以将有效采集到的太阳光送到弹药库、油库、矿井、煤气房等既需要照明，又严格要求安全的场所，从而既经济又合理地解决上述场所的照明问题。经检索发现，日本三洋电机株式会社于1995年5月30日在中国申请了申请号为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》。该申请公开了一种“将一块或多块采光棱镜按照规定的间隔旋转自如地装在采光部器中”的采光装置，以及一种含有“太阳位置检测装置及微机等运算存储装置构成的中央处理装置、光轴传感器”的采光控制装置。上述专利公开的技术方案采用类似小孔成像的光轴传感器探测太阳的高度位置，再通过含有微机的中央处理电路处理后，驱动机械装置实现采光棱镜的自动对日跟踪。该方案存在以下两大主要问题：首先是感光探测装置不够科学，因而使得整个装置结构十分复杂，造价昂贵，难以推广应用，不适合我国国情；其次是采集的太阳光无法输送到任意所需场所，因而用途有限。

本发明的首要目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种感光探测装置科学合理因而使得整机结构简单、经济实用的全自动跟踪太阳的采光装置。

本发明进一步的目的在于：提出一种不仅可以自动跟踪采光，而且可以十分方便地将采集到的太阳光传输到需要处的全自动跟踪太阳的采光装置(以下叙述中简称全自动跟踪采光装置)。

为了达到上述首要发明目的，本发明的全自动跟踪采光装置是通过以下技术方案实现的：

该装置的主要构成部分为：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，其特点是聚光采光器可以绕交叉的主轴和驱动机构装在主轴上的辅助轴转动，光敏探测器至少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。

为了达到进一步的目的，本发明的全自动跟踪采光装置聚光采光器的中心轴(以下简称光轴)聚焦位置上装有光学台锥采光头，光学台锥可以是光导纤维台锥或光学玻璃台锥，该光学台锥下底对着聚光光线、光学台锥上底与传光光导纤维束输入端耦合。这种安装了光学台锥采光头的全自动跟踪采光装置不仅可以自动跟踪太阳、采集阳光，而且可以通过聚光采光器聚焦处的光学台锥经光导纤维束将采集到的阳光输送到需要照明的地方。由于不会像通电照明那样产生电火花，因此这种全自动跟踪采光装置非常适合弹药库、油库、矿井、煤气房等场所使用，既节省能源，又十分安全。此外，光学台锥具有良好的隔热作用，可以避免光导纤维输入端过热，延长其使用寿命。

安装时，本发明全自动跟踪采光装置的主轴成南北方向，辅助轴与主轴垂直。调整之后，太阳入射光应当与聚光采光器的光轴平行，此时光敏探测器聚光元件的会聚光斑位于四组光敏接收器件的中部。当聚光采光器对日偏斜，即聚光采光器的光轴与太阳入射光线呈现夹角时，光敏探测器中聚光元件的会聚光斑将落在一组或两组光敏接收器件上，从而使其感知太阳光相对于聚光采光器光轴的偏斜方向，并通过光信号反馈处理电路控制机械传动装置，驱使聚光采光器绕主轴或辅助轴转动，直至聚光采光器对准太阳为止。由于本发明的光敏探测器通过探测太阳光的入射角而不是通过测定太阳的高度位置进行控制，同时借助主轴及与主轴联动的辅助轴机械结构实现聚光采光器的对日跟踪，因此与现有技术相比，无需繁琐的运算电路以及复杂的机械传动，便于实施，成本低廉，从而也就显得科学合理得多。

在本发明上述技术方案基础上的进一步改进是：四组光敏接收器件均由光导纤维束构成的光纤接收器和光敏元件组成，各组光导纤维束的输入端安装在光学台锥采光头四周，并组合成封闭的环状，每组光导纤维束的输出端分别与对应的光敏元件耦合。这样，无论太阳光朝那个方向偏斜，即无论会聚光斑朝那个方向位移，都必将经过光纤接收器，将光信号传给对应的光敏元件，避免了光敏元件分布不合理产生“盲区”导致漏测，从而保证了全自动跟踪采光装置工作可靠、性能稳定。

在本发明上述技术方案基础上的更进一步改进是：还含有四组可以在太阳入射光相对于聚光采光器光轴偏斜很大时起监测作用的大范围光敏探测器，该大范围光敏探测器聚光元件与光敏接受器件为一体，分别安装在聚光采光器周围的四个方位上。这样，原方案中的光敏探测器可以制作得更为小巧，为区别起见称为小范围光敏探测器。当聚光采光器对日偏斜较大，即聚光采光器的光轴与太阳光线呈较大夹角时，会聚光斑落在小范围光敏探测器光纤接收器外。在此情况下，必有至少一组、最多二组大范围光敏探测器将直接感知阳光。光信号反馈处理电路得此光信号后，将控制机械传动装置运动，使聚光采光器绕主轴或辅助轴朝减小对日偏斜的方向运动，直至聚光采光器的光轴与太阳光线夹角较小、会聚光斑进入小范围光敏探测器光纤接收器内。此时，光信号反馈电路将根据小范围光敏探测器传来的感光信号继续控制机械传动装置运动，使聚光采光器绕主轴或辅助轴朝减小对日偏斜的方向运动，直至聚光采光器的光轴与太阳光线平行为止。这种大范围和小范围光敏探测器的有机组合方式，可以充分发挥小范围光敏探测器的精确定位控制作用，提高全自动跟踪采光装置的精度，实现聚光采光器的精确对日跟踪。

值得一提的是，上述技术方案中聚光采光器可以是曲面反射镜、菲涅耳透镜、凸透镜等；光敏元件可以是光敏二极管、光敏三极管、光电池、光敏电阻等；光导纤维束可以是多组份玻璃光导纤维、石英光导纤维、聚合物光导纤维、液芯光导纤维等。

综上所述，可以看出，本发明的设计方案科学合理，经济实用，适合我国国情，推广之后将产生较高的社会效益和经济效益。

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是实施例一的光信号反馈处理电路原理图。

图4是实施例一光学台锥处的立体放大图。

图5是实施例一中大范围光敏探测器的放大结构示意图。

图6是实施例二的小范围光敏探测器结构示意图。

图7是实施例二光敏探测器位置示意图。

图8是图7的俯视图。

图9是实施例三的光敏探测器结构示意图。

图10是实施例三光敏探测器位置示意图。

图11是图10的俯视图。

实施例一

图1至图5中1是作为聚光采光器的曲面反射镜，2是镀铝反射层，3是光学台锥，4是辅助轴，6是传光用的聚合物光纤，7是弓形支架，8是主轴，9是主轴可逆电机，10和11是主轴蜗杆蜗轮副，12是辅助轴蜗轮，12-1是螺杆，13是辅助轴可逆电机，14是往复螺母，14-1是往复螺母滑键，14-2是转动销，17是辅助轴蜗杆，19是圆轮，19-1是圆轮滑键，20是连杆，21-24是光纤接收器，25-28是光敏二极管，29-32是四组大范围光敏探测器。

实施例一中的全自动跟踪采光装置主要由聚光采光器、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。

其中，聚光采光器采用曲面反射镜1实现，该反射镜上镀有可以增强反射效果的镀铝反射层2，并支撑在弓形支架7的辅助轴4上，弓形支架7与主轴8固连。这样，曲面反射镜1可以通过绕主轴与辅助轴转动，使其几何中心的光轴对准任意方向。曲面反射镜1的轴向会聚光斑处装有作为采光头的光学台锥3，该光学台锥下底与聚光采光器聚焦点重合，其上底与传光光导纤维束耦合。这样放置的光学台锥既可以增强集光能力，又可以起隔热作用。

驱动聚光采光器转动的机械传动装置主要由主轴蜗杆蜗轮副10和11、辅助轴蜗杆17、辅助轴蜗轮12、螺杆12-1、往复螺母14、圆轮19、连杆20构成。其中，主轴蜗杆10直接由主轴可逆电机9带动，主轴蜗轮11与主轴8固连。辅助轴蜗杆17直接由辅助轴可逆电机13带动，辅助轴蜗轮12、螺杆12-1连成一体，间隙配合套装在主轴8上。辅助轴蜗轮12与辅助轴蜗杆17啮合，螺杆12-1与往复螺母14啮合。往复螺母14与圆轮19销接，往复螺母14、圆轮19均以间隙配合方式套装在主轴8上，并受往复螺母滑键14-1约束。往复螺母14只能沿主轴8往复滑动，圆轮19受圆轮滑键19-1约束可在随主轴8转动的同时，沿轴向作往复滑动。圆轮19通过连杆20与支撑在弓形支架7的辅助轴4上的曲面反射镜1铰接。这种机械传动与现有技术相比，结构简捷，动作可靠，便于控制。

控制机械传动装置的光信号反馈处理电路如图3所示，该电路主要由光敏探测电路A、极限开关电路B、8751单片机电路C、继电器电路D、电机控制电路E组成。其中光敏探测电路A、极限开关电路B作为输入部分与8751单片机电路C相连，继电器电路D作为输出执行部分与8751单片机电路C相连。具体来说，光敏探测电路A由八组光敏二极管25～32、光电耦合器I1～I8及反相器NOT1～NOT8组成，八组光敏二极管25～32分别作为光电耦合器I1～I8的输入信号；极限开关电路B由四只极限开关K21～K24、光电耦合器I9～I12及反相器NOT9～NOT12组成，四只极限行程开关K21～K24的信号分别作为光电耦合器I9～I12的输入信号，上述各光电耦合器的输出信号分别经各自的反相器NOT1～NOT12接单片机8751的输入口，单片机的输出口接分别由六只反相器NOT13～NOT18和六只继电器J1～J6串联构成的继电器电路D，各继电器的触点分别位于电机控制电路E的主轴可逆电机9和辅助轴可逆电机13的开关控制回路中。上述电路的处理控制功能也可以通过PLC控制电路、差动电路实现。

向光信号反馈处理电路传送探测信号的光敏探测器包括小范围光敏探测器和大范围光敏探测器，其中小范围光敏探测器中直接以聚光采光器1作为聚光元件，含有四组光导纤维束构成的光纤接收器21～24，四组光导纤维束的输入端组合成封闭的正方环状，安装在光学台锥3的四周，每组光导纤维束的输出端分别与固定在其后的光敏二极管25～28耦合(参见图4)。四组大范围光敏探测器29～32如图5所示，分别由三只光敏二极管沿曲面均布组成，该四组大范围光敏探测器分别安装在聚光采光器周围的四个方位上。

本实施例的全自动跟踪采光装置安装后，令主轴线为XX’轴，对准南北方向；辅助轴线为YY’轴，与XX’轴垂直；聚光采光器1的光轴为ZZ’轴。小范围光敏探测器用于感知聚光采光器ZZ’轴线和太阳入射光线偏差为0～α2(例如0～2°)的小范围偏差，大范围光敏探测器用于感知聚光采光器ZZ’轴线和太阳入射光线偏差从α1(例如从1°)开始的大范围偏差阳光信号。为保证探测到全方位的偏差信号，且不留死角，要求0＜α1＜α2。这样，大、小范围光敏探测器就有α2-α1的重合区。在太阳入射光线和ZZ’轴线出现大偏差时，即偏差角大于α2时，如太阳光线偏东，光敏探测器29接收到阳光信号，输入到单片机电路C的接口，控制主轴可逆电机9带动曲面反射镜1由西向东转，直到太阳的入射光线与ZZ’轴线的偏差进入α2-α1重合区的范围，此时光纤接收器21接收到会聚光斑的光信号并控制主轴可逆电机9继续转动，直至太阳入射光线与ZZ’轴线平行。太阳入射光线偏西、南、北时的情形，可以根据上述过程类推。

在曲面反射镜1精确跟踪太阳后或者在没有太阳的时候，所有光敏探测器接收不到光信号，在此情况下主轴可逆电机9、辅助轴可逆电机13处于待命状态。

在传动箱中安装四只行程开关，分别控制主轴8和往复螺母14的运动位置，它们与单片机电路接口相连后起控制曲面反射镜1运动极限位置的作用。

当全自动跟踪采光装置系统通电后，8751单片机通过P0口(I/O)检测光敏二极管25～28有无光信号，如25有光信号，则P01就会输入高电平，接着8751单片机再通过P2口检测有无行程开关的限位信号，若行程开关K21已闭合，P20就会输入高电平，说明曲面反射镜1已到极限位置，主轴可逆电机9待命。若K21断开，P20输入低电平，则单片机的P10、P11输出低电平，使继电器J1、J2吸合，结果主轴可逆电机9带动曲面反射镜1由西向东转，直到光敏二极管25的光信号消失。

如果8751单片机的P0口检测光敏二极管25～28没有光信号，再通过P0口检测光敏探测器29～32有无光信号；如也没有，则主轴可逆电机9、辅助轴可逆电机13处于待命状态。如果检测光敏探测器29有光信号，则P04就会输入高电平；再通过P2口检测行程开关K21有无限位信号，若K21已闭合，说明曲面反射镜1已到极限位置，主轴可逆电机9处于待命状态。若K21断开，则光信号反馈处理电路将控制曲面反射镜1由西向东转动，直至光敏二极管26接收到光信号。

光信号反馈处理电路对光敏二极管25、27、28以及光敏探测器30、31、32的光信号处理过程与上述同理，不另赘述。实施例二

本实施例与实施例一的主要区别在于(参见图6图8)：四个小范围光敏探测器的四组光敏接收器件按四个方向布置组装成一体。安装时，该小范围光敏探测器的EE’光轴应和聚光采光器光轴ZZ’平行，其输入端上方固定有聚光透镜37，这样小范围光敏探测器可以较为机动地安装在曲面反射镜1的外侧，而不必像实施例一那样安装在作为采光头的光学台锥3处。其工作原理及过程与实施例一相同。实施例三

本实施例与实施例一的主要区别在于(参见图9图11)：小范围光敏探测器和大范围光敏探测器有机组合在一起，其具体结构如图9所示，每组光敏探测器由一组两个光敏二极管46和一个经光纤接收器50-1耦合的光敏二极管50-2组成，光纤接收器50-1的输入端上方安装有聚光透镜50。安装时，上述结构的四组光敏探测器分四个方位固定在曲面反射镜1的周边。这样，每个光敏探测器同时可以兼有实施例一中小范围光敏探测器与大范围光敏探测器的作用，其工作原理及过程不难类推，不再赘述。

除以上实施例外，本发明还有许多其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案均落在本发明的保护范围中。

Claims (11)

1．一种全自动跟踪太阳的采光装置，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，其特征在于：所述聚光采光器可以绕交叉的主轴和驱动机构装在主轴上的辅助轴转动，所述光敏探测器至少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。

2．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述聚光采光器的中心轴聚焦位置上装有光学台锥采光头，该光学台锥下底对着聚光光线、光学台锥上底与传光光导纤维束输入端耦合。

3．一种如权利要求2所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述四组光敏接收器件均由光导纤维束构成的光纤接收器和光敏元件组成，光导纤维束的输入端安装在光学台锥采光头四周，并组合成封闭的环状，每组光导纤维束的输出端分别与对应的光敏元件耦合。

4．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光敏探测器中还含有由四组光敏元件构成的大范围光敏探测器，分别安装在聚光采光器周围的四个方位上。

5．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光敏探测器的四组光敏接收器件可按四个方位布置组装成一体，安装在聚光采光器外侧，其输入端上方固定有聚光透镜。

6．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光敏探测器可为四组，分别由一组至少两个光敏二极管和一个经光纤接收器耦合的光敏二极管组成，所述光纤接收器的输入端上方安装有聚光透镜，该四组光敏探测器分四个方位固定在聚光采光器的周边。

7．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述机械传动装置主要由主轴蜗杆蜗轮副、辅助轴蜗杆蜗轮副、螺杆、往复螺母、圆轮、连杆构成，其中，主轴蜗杆直接由主轴可逆电机带动，主轴蜗轮与主轴固连，辅助轴蜗杆直接由辅助轴可逆电机带动，辅助轴蜗轮、螺杆连成一体，间隙配合套装在主轴上，辅助轴蜗轮与辅助轴蜗杆啮合，螺杆与往复螺母啮合，往复螺母与圆轮销接，往复螺母、圆轮均以间隙配合方式套装在主轴上，圆轮通过连杆与支撑在弓形支架的辅助轴上的曲面反射镜铰接。

8．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光信号反馈处理电路主要由光敏探测电路、极限开关电路、8751单片机电路、继电器电路、电机控制电路组成，其中光敏探测电路、极限开关电路作为输入部分与8751单片机电路相连，继电器电路作为输出执行部分与8751单片机电路相连，各继电器的触点分别位于电机控制电路的主轴可逆电机和辅助轴可逆电机的开关控制回路中。

9．一种如权利要求2所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光导纤维束可以是玻璃光导纤维、石英光导纤维、聚合物光导纤维或液芯光导纤维。

10．一种如权利要求1所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述聚光采光器为曲面反射镜、菲涅耳透镜或凸透镜。

11．一种如权利要求3所述的全自动跟踪太阳的采光装置，其特征在于：所述光敏元件是光敏二极管、光敏三极管、光电池或光敏电阳。

Images