CN1317675A - 自动跟踪太阳的采光装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种自动跟踪太阳采集太阳光的装置。主要由主反光镜，次反光镜，终端反光镜，驱动采光器转动的机械传动装置，控制机械传动装置的检测与控制电路，向检测与控制电路传送检测信号的太阳位置检测装置构成，其特点是主反光镜、次反光镜绕中心轴转动，主反光镜还可以绕辅助轴转动，太阳位置检测装置由太阳水平位置检测装置及太阳垂直位置检测装置组成。它具有结构简单、安装容易，同时具有成本低、采光效率高的特点。

Description

自动跟踪太阳的采光装置

本发明是一种自动跟踪太阳采集太阳光的装置。

目前，在建筑物的设计制造上，由于受使用功能、用地条件的限制，建筑内的很多部分的采光只能使用人工照明的方法。事实上，对阳光有效的采集，并把阳光送到需要的场所，既节约能源又有利于人的健康。对此，国外曾有报道采用两块平面镜对阳光进行两次折射后，反射到室内的二次反射采光装置。其中一块安装在建筑上部把阳光垂直反射向地面，照射到第二块平面镜，第二块平面镜把光反射到建筑物内。

此种采集太阳光的装置存在如下缺点：上部的平面镜在阳光水平照射时反射效率最大，反光面积为平面镜面积的70％。阳光与水平方向成30度、45度、60度照射时反射效率分别为50％、40％、26％。因此其采光效率低，效果不明显，其实验结果见图1。

本发明的目的在于针对上述技术存在的问题，提出一种结构简单、采光效率高的可以自动跟踪太阳垂直和水平方向运动的采集太阳光的装置。

本发明的技术方案如下：

该装置的主要构成部分为：主反光镜13，次反光镜6，终端反光镜22，驱动采光器转动的机械传动装置，控制机械传动装置的检测与控制电路4，向检测与控制电路传送检测信号的太阳水平位置检测装置10、太阳垂直位置检测装置5。所述的检测与控制电路4由单片机18、太阳位置检测电路、电机驱动电路、限位开关组成。

本发明实现过程如下：

本发明的采光装置采用以单片机为主的检测与控制电路及多面反光镜为主的智能化设计。在采光装置的中心轴(X-X′)上方装有次反光镜，次反光镜的下方装有太阳垂直位置检测装置、次反光镜的上方装有太阳水平位置检测装置，在次反光镜反光面对应的近似水平方向装有可以围绕辅助轴Z-Z′转动的主反光镜。在单片机内固化有必要的控制程序，在该控制程序的作用下，把太阳水平位置检测装置检测到的信号传给单片机，单片机把信号处理后，通过接口电路把输出信号传给水平方向驱动电机，驱动采光器绕基坐的X-X′轴线作水平方向的转动，直到主反光镜正对太阳。主反光镜照射到次反光镜的阳光反射到太阳垂直位置检测装置，太阳垂直位置检测装置把检测到的信号传给单片机，单片机把信号处理后，通过接口电路把输出信号传给垂直方向驱动电机，驱动主反光镜绕辅助轴Z-Z′转动，直到次反光镜反射的阳光近似垂直于地面。这样本发明就可以自动跟踪太阳的位置，并把主反光镜反射的阳光照射到次反光镜，此反射光照射到终端反光镜后，再反射到建筑物的室内。

在本发明上述技术方案基础上的进一步改进是：在次反光镜和终端反光镜之间增加第三反光镜、第四反光镜。次反光镜反射的阳光近似垂直的照射到第三反光镜上，第三反光镜再把光反射到第四反光镜上，此反射光照射到终端反光镜后，再反射到建筑物的室内。

在本发明上述技术方案基础上的更进一步改进是：在主反光镜和终端反光镜之间的光路上安装由凸透镜和凹透镜组成的透镜组。其特点是凸透镜的焦点和凹透镜的焦点重合，这样阳光透过凸透镜照射到凹透镜，透过凹透镜后形成缩小的平行光照射到后面的反光镜。

值得一提的是本发明所使用的光敏元件是光敏二极管、光敏电阻、光敏三极管等。

本发明所述的自动跟踪太阳的采光装置设计方案科学合理，其结构简单、安装容易。同时还有以下优点，经济适用、采光效率高，其实验结果见图2，因而应用范围相当广泛。

为了在下面结合实施例对本发明作更详细的描述，现把本申请文件所使用的图名称及编号简介如下：

图1：二次反射采光装置实验结果图

图2：本发明采光装置实验结果图

图3A：本发明结构示意图

图3B：本发明部分结构俯视图

图4：本发明检测与控制电路的电路原理图

图5：本发明终端反光镜图

图6：本发明第三反光镜、第四反光镜图

图7A：本发明太阳水平位置检测装置正视图

图7B：本发明太阳水平位置检测装置俯视图

图7C：本发明太阳垂直位置检测装置正视图

图7D：本发明太阳垂直位置检测装置俯视图

图8：本发明透镜组图

图9：本发明实施例1图

图10：本发明实施例2图

图11：本发明实施例3图

实施例1：

图3A、图3B、图4、图5、图7A-图7D、图9为按照前述技术方案设计的本发明所述的自动跟踪太阳的采光装置。其中1是基坐，2是中心轴可逆电机，3是中心轴齿轮，4是检测与控制电路，5是太阳垂直位置检测装置，6是次反光镜，7是次反光镜连接杆，8是反光镜支架，9是中心轴线，10是太阳水平位置检测装置，11是主反光镜转动齿轮，12是辅助轴，13是主反光镜，14是主反光镜可逆电机，15是固定轴，22是终端反光镜，23是终端反光镜连接杆，37、38是垂直位置限位开关，39是是垂直位置限位开关支架，40、41是水平位置限位开关；16是太阳水平位置检测电路，17是太阳垂直位置检测电路，18是单片机，19是主反光镜可逆电机驱动电路，20是中心轴可逆电机驱动电路，21是限位开关电路；44是建筑屋顶，45是建筑窗口，46是建筑墙，47是太阳。

实施例1中的自动跟踪太阳的采光装置主要由主反光镜，次反光镜，终端反光镜，驱动采光器转动的机械传动装置，控制机械传动装置的检测与控制电路，向检测与控制电路传送检测信号的太阳位置检测装置组成。

主反光镜13由普通平面镜构成并通过辅助轴12连接在反光镜支架8上，可以绕辅助轴12转动。次反光镜6由普通平面镜构成并通过次反光镜连接杆7连接在反光镜支架8上，基坐1安装在建筑屋顶44的外沿。终端反光镜22由普通平面镜或凸面反光镜构成并通过终端反光镜连接杆23连接在建筑墙46上。

驱动采光器转动的机械传动装置的中心轴可逆电机2安装在基坐1上，并带动中心轴齿轮3转动，中心轴齿轮3与反光镜支架8连接，反光镜支架8与基坐1的固定轴15作轴连接，并能绕固定轴15转动。主反光镜可逆电机14固定连接在反光镜支架8上，并带动连接在主反光镜13上的主反光镜转动齿轮11转动。

太阳水平位置检测装置10由水平遮光板32、水平分光板42及安装在水平分光板42两侧的光敏二极管33，安装在水平遮光板32上部的光敏二极管30、水平分光板42前部的光敏二极管34，透明顶罩31组成；太阳垂直位置检测装置5由垂直遮光板35、垂直分光板43及安装在垂直分光板43两侧的光敏二极管36组成。

检测与控制电路的电原理图如图4所示。其连接方式如前所述，其中IC1是内含可编程ROM的8位单片机，如AT89C51、GSM97C51等。R17为电阻，T为晶振，C1、C2、C3、C4为电容，IC2为三端稳压电路，M1为主反光镜可逆电机，M2为中心轴可逆电机。

太阳水平位置检测电路16由光敏二极管UL1、UL2、UL3、UL4，电阻R5、R6、R7、R8、R13、R14、运算放大器IC3A、二极管D3组成。太阳垂直位置检测电路17由光敏二极管UL5、UL6，电阻R9、R10、R11、R12、R15、R16、运算放大器IC3B、二极管D4组成。UL1、UL2、R6、R7接成桥式电路，R5一端接电源正极，一端接UL1、UL2的连接端，R8一端接地，一端接R6、R7的连接端，UL2、R6的连接端B接IC3A的正输入端，UL1、R7的连接端A接IC3A的负输入端，IC3A的输出端通过D3,R13连接单片机18的P11，单片机18的P11通过R14接地，单片机18的P10通过UL3接地，单片机18的P12通过UL4接地。UL5、UL6、R10、R11接成桥式电路，R9一端接电源正极，一端接UL5、UL6的连接端，R12一端接地，一端接R10、R11的连接端，UL5、R10的连接端D接IC3B的正输入端，UL6、R11的连接端C接IC3B的负输入端，IC3B的输出端通过D4，R15连接单片机18的P13，单片机18的P13通过R16接地。

主反光镜可逆电机驱动电路19由三极管BG1、BG2，电阻R1、R2，二极管D1、D2，继电器JK3、JK1组成；中心轴可逆电机驱动电路20由三极管BG3、BG4，电阻R3、R4，二极管D5、D6，继电器JK2、JK4组成。BG1的基极通过电阻R1连接到单片机18的P24,BG1的发射极和继电器JK3控制端连接，二极管D1连接在继电器JK3电磁线圈两端；BG2的基极通过电阻R2连接到单片机18的P25,BG2的发射极和继电器JK1控制端连接，二极管D2连接在继电器JK1电磁线圈两端；BG3的基极通过电阻R3连接到单片机18的P26,BG3的发射极和继电器JK4控制端连接，二极管D5连接在继电器JK4电磁线圈两端；BG4的基极通过电阻R4连接到单片机18的P27,BG4的发射极和继电器JK2控制端连接，二极管D6连接在继电器JK2电磁线圈两端；继电器JK1、JK2、JK3、JK4的触点分别位于主反光镜可逆电机驱动电路19、主反光镜可逆电机、中心轴可逆电机驱动电路20、中心轴可逆电机的各开关控制回路中。

限位开关电路21由分别连接于单片机18的P37、P36的水平限位开关K1、K2；连接于单片机18的P31、P30的上下限位开关K3、K4组成。

本实施例的自动跟踪太阳的采光装置安装后(参见图9)，当Y-Y′轴位于水平限位开关40、41的中间时，Y-Y′轴对准南北方向，主反光镜的反光面朝向南面，次反光镜的反光面朝向主反光镜并与水平面成一定角度；太阳水平位置检测装置10的水平遮光板32与X-X′轴同向且一面向南、一面向北，水平分光板42与Y-Y′轴同向且一面向东、一面向西；太阳垂直位置检测装置5的垂直遮光板35与Z-Z′轴同向且一面向上、一面向下，垂直分光板43与X-X′轴同向且一面向南(以下简称D面)、一面向北(以下简称C面)。光敏二极管UL2在水平分光板42东面、光敏二极管UL1在水平分光板42西面，光敏二极管UL5在垂直分光板43的D面、光敏二极管UL6在垂直分光板43的C面。当没有阳光或阳光很弱时，太阳水平位置检测装置10上的光敏二极管UL3检测不到信号，单片机18的P10为高电平，由程序设置单片机18的P24、P26为高电平，继电器JK3、JK4断开，主反光镜可逆电机停转，中心轴可逆电机停转，整个装置处于待命状态。当有阳光照射到太阳水平位置检测装置10时，如果太阳在Y-Y′轴的正向，即阳光照射到光敏二极管UL3、UL4，则光敏二极管UL3导通，单片机18的P10为低电平，光敏二极管UL4导通，单片机18的P12为低电平，程序进入正常控制。如果太阳在水平分光板42左面，光敏二极管UL2的电阻小于光敏二极管UL1的电阻，B点电压大于A点电压，运算放大器IC3A输出高电平，经程序处理后P26输出低电平、P27输出高电平，此时BG3导通、BG4截止，JK4闭合，中心轴可逆电机2正向转动，驱动中心齿轮3向左转。当太阳在水平遮分光板42右面时，光敏二极管UL1的电阻小于光敏二极管UL2的电阻，B点电压小于A点电压，运算放大器IC3A输出低电平，经程序处理后P26输出低电平、P27输出低电平，此时BG3导通、BG4导通，JK3闭合、JK4闭合，中心轴可逆电机2反向转动，驱动中心齿轮3向右转。这样就实现了主反光镜13在Z-Z′轴方向始终垂直阳光。

在主反光镜13正对太阳后，由程序检测太阳垂直位置检测装置的信号，如果主反光镜13反射的阳光经次反光镜6反射后没有反射到近似垂直地面的方向，而照射到垂直分光板43的C面，光敏二极管UL6的电阻小于光敏二极管UL5的电阻，C点电压大于D点电压，运算放大器IC3B输出低电平，经程序处理后单片机18的P24输出低电平、P25输出高电平，此时BG1导通、BG2截止，JK3闭合，主反光镜可逆电机14正向转动，驱动主反光镜转动齿轮11转动，从而使主反光镜13绕辅助轴12转动，直到次反光镜6反射的光照射到近似垂直地面的方向。如果主反光镜13反射的阳光经次反光镜6反射后照射到垂直分光板43的D面，光敏二极管UL5的电阻小于光敏二极管UL6的电阻，C点电压小于D点电压，运算放大器IC3B输出高电平，经程序处理后P24输出低电平、P25输出低电平，此时BG1导通、BG2导通，JK3闭合、JK4闭合，主反光镜可逆电机14反向转动，驱动主反光镜转动齿轮11转动，从而使主反光镜13绕辅助轴12转动，直到次反光镜6反射的光照射到近似垂直地面的方向。

当有阳光照射到太阳水平位置检测装置10时，如果太阳在Y-Y′轴的反向，即阳光照射到光敏二极管UL3、没有照射到光敏二极管UL4，则光敏二极管UL3导通，单片机18的P10为低电平，光敏二极管UL4截止，单片机18的P12为高电平，由程序控制调整中心轴可逆电机2转动，直到太阳照射到光敏二极管UL4，再执行上述控制过程。

在基坐1上安装了水平限位开关40、41用来控制中心齿轮3的转动，如果水平限位开关40或41闭合，单片机18的P36或P37为低电平，经程序处理后控制中心轴可逆电机2反向转动。与反光镜支架8相连的限位开关支架39上安装了上下限位开关37、38，用来控制主反光镜转动齿轮11的转动，如果上下限位开关37或38闭合，单片机18的P30或P31为低电平，经程序处理后控制主反光镜可逆电机13反向转动。

次反光镜6反射的光照射到终端反光镜22后，反射到建筑物的室内。

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10)：在次反光镜和终端反光镜之间增加第三反光镜24、第四反光镜25及固定支架26。次反光镜反射的阳光近似垂直的照射到第三反光镜24上，第三反光镜24再把光反射到第四反光镜25上，此反射光照射到终端反光镜后，再反射到建筑物的室内。这样本发明的自动跟踪太阳的采光装置就可以安装在建筑物屋顶的较大范围内，而不必仅限于安装在建筑物外墙。

实施例三：

本实施例与实施例一的主要区别在于(参见图8、图11)：在次反光镜和第三反光镜之间的光路上安装由凸透镜27和凹透镜28及透镜支架29组成的透镜组。凸透镜的焦点F和凹透镜的焦点F′重合，阳光透过凸透镜照射到凹透镜，透过凹透镜后形成缩小的平行光照射到第三反光镜。这样可以缩小第三反光镜24、第四反光镜25、终端反光镜22的面积、减小机架体积以及便于安装。

除以上实施例外，本发明还有很多其他实施方式。凡采用等效变换、等同替换形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1．一种自动跟踪太阳采集太阳光的装置，主要由主反光镜(13)，次反光镜(6)，终端反光镜(22)，驱动采光器转动的机械传动装置，控制机械传动装置的检测与控制电路(4)，向检测与控制电路传送检测信号的太阳位置检测装置构成，其特征在于主反光镜(13)通过辅助轴(12)与反光镜支架(8)连接，次反光镜(6)通过反光镜支架(8)与固定轴(15)作轴连接。

2．根据权利要求1所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：太阳位置检测装置由太阳水平位置检测装置(10)及太阳垂直位置检测装置(5)组成。

3．根据权利要求1所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：控制机械传动装置的检测与控制电路(4)由太阳水平位置检测电路(16)，太阳垂直位置检测电路(17)，单片机(18)，主反光镜可逆电机驱动电路(19)，中心轴可逆电机驱动电路(20)，限位开关(21)组成。

4．根据权利要求1所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：机械传动装置的中心轴可逆电机(2)安装在基坐(1)上，并与中心轴齿轮(3)啮合，反光镜支架(8)与中心轴齿轮(3)连接，主反光镜可逆电机(14)固定连接在反光镜支架(8)上，并与连接在主反光镜(13)上的主反光镜转动齿轮(11)啮合。

5．根据权利要求1所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：主反光镜(13)由普通平面镜构成，次反光镜(6)由普通平面镜构成，终端反光镜(22)由普通平面镜或凸面反光镜构成。

6．根据权利要求2所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：太阳水平位置检测装置(10)由水平遮光板(32)、水平分光板(42)及安装在水平分光板(42)两侧的光敏二极管(33)、上部的光敏二极管(30)、前部的光敏二极管(34)、透明顶罩(31)组成；太阳垂直位置检测装置(5)由垂直遮光板(35)、垂直分光板(43)及安装在垂直分光板(43)两侧的光敏二极管(36)组成。

7．根据权利要求4所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：在次反光镜(6)和终端反光镜(22)之间安装第三反光镜(24)、第四反光镜(25)。

8．根据权利要求4所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：在终端反光镜(22)和主反光镜(13)之间的光路上安装由凸透镜(27)和凹透镜(28)组成的透镜组，其特点是凸透镜(27)的焦点F和凹透镜(28)的焦点F’重合。

9．根据权利要求4所述的自动跟踪太阳的采光装置其特征在于：所使用的光敏元件是光敏二极管、光敏电阻、光敏三极管等。

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