CN211698399U - 一种光纤传导式阳光导入设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤传导式阳光导入设备，通过高倍聚光比聚光器依靠高精度双轴追踪系统高效汇聚阳光，并通过石英光纤长距离传导对室内进行照明。该设备包括设备主机、光缆和散射照具，所述设备主机与所述散射照具通过所述光缆连接，形成光通路；所述设备主机包括集光器、支撑臂和基座，所述集光器通过俯仰轴电机与所述支撑臂连接，所述支撑臂通过方位轴电机与所述基座连接；所述集光器包括一端开口的壳体、安装在所述壳体开口处的菲涅尔透镜阵列板、安装在所述壳体内部的焦面板以及安装在所述焦面板上的光纤端头，所述光纤端头与所述光缆光路连通。

Description

一种光纤传导式阳光导入设备

技术领域

本实用新型涉及新型照明技术领域，具体涉及一种光纤传导式阳光导入设备，通过导光光纤将室外的阳光长距离传导引入室内。

背景技术

光纤传导式阳光导入设备是将太阳光经导光光纤传输到室内进行照明，是建筑物“绿色、健康、节能、环保”的重要标志。利用太阳光进行照明是太阳能开发领域的一个重要分支。目前，利用太阳能进行照明的技术主要包括两类：一类是利用光伏板将光能转换成电能，再通过灯具将电能转换成光能，即为“光-电-光”过程，其缺点是机理复杂、效率低；第二类是不经过能量形式的转换直接采集太阳光进行照明，其效率较高且绿色健康，该种方式的一种典型设备为光纤传导式阳光导入设备。白天室内照明，人们利用窗户、天窗等让太阳光直射光或者空间漫射光进入室内，而对于常年见不到光的场所，即使是室外阳光普照，室内还是需要照明光源。利用太阳光进行直接照明是近些年发展起来的一项新的太阳能技术，给设备的室外集光器选配附加光伏板进行储能提供夜晚照明的方案能够解决全天候照明问题。光纤传导式阳光导入设备可在大型建筑物如体育馆、展馆、大厦、车间等等场地广泛应用，在无法直接供电偏远的军事站点、地下仓库、弹药库等等场地，也可采用此种新型照明方案。

利用阳光进行照明的两种典型设备方式有光导管式和光纤式。光导管式为通过在建筑物顶部或侧墙开个口径几十厘米的窗口，安装相应采光罩和光管，光直接通过光管或经过光管折射几次引入室内；光纤式为通过室外集光器将光聚焦耦合进入光纤，通过光纤传导进室内。对于光纤式和光导管式阳光导入，两种方式的优缺点均很明显。光导管式需要在建筑物上开大口径的窗口且通常数量较多，这就导致了其安装使用要结合建筑设计同步开展，可能涉及建筑物在防侵入安全等问题，光路无法灵活布置，同时光导管式折射损耗大使得引导光路必须很短。光纤式阳光导入设备将采集阳光的集光器安装于室外，通过光纤传导可进行长距离的传输，导光光缆布线灵活、占用空间小。但光纤式相对于光导管式阳光导入设备造价高昂，导致其市场化程度尚未达到预期。光纤式阳光导入设备主要的部件追踪太阳控制机构和导光光纤造成其性价比不高，尤其为保证低损耗的传光效率所使用的石英导光光纤，其价格是普通通信光纤的几十倍。目前市面上的光纤式阳光照明设备相关产品市场推广不理想，其原因在于设备长期光照度效果不佳、相对普通照明的高成本等。在清洁、绿色能源越来越备受推崇的大趋势下，一款有竞争力的阳光照明设备具备可观的市场前景。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种光纤传导式阳光导入设备，通过高倍聚光比聚光器依靠高精度双轴追踪系统高效汇聚阳光，并通过石英光纤长距离传导对室内进行照明。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

本实用新型提供一种光纤传导式阳光导入设备，包括设备主机、光缆和散射照具，所述设备主机与所述散射照具通过所述光缆连接，形成光通路；

所述设备主机包括集光器、支撑臂和基座，所述集光器通过俯仰轴电机与所述支撑臂连接，所述支撑臂通过方位轴电机与所述基座连接；

所述集光器包括一端开口的壳体、安装在所述壳体开口处的菲涅尔透镜阵列板、安装在所述壳体内部的焦面板以及安装在所述焦面板上的光纤端头，所述光纤端头与所述光缆光路连通。

进一步的，所述菲涅尔透镜阵列板包括玻璃基板、设置在所述玻璃基板内侧的圆形菲涅尔透镜阵列；所述焦面板上，所述圆形菲涅尔透镜阵列中的每一圆形菲涅尔透镜的焦点位置，设置光纤端头。

进一步的，所述菲涅尔透镜阵列板还包括设置在所述玻璃基板内侧的多个带状菲涅尔透镜；所述焦面板上，与所述带状菲涅尔透镜相对应的位置，还设有光伏板。

进一步的，所述基座内设有蓄电池，所述蓄电池的充电端与所述光伏板的电压输出端连接；所述蓄电池的电压输出端与所述俯仰轴电机和所述方位轴电机的电源输入端电连接。

进一步的，所述基座内设有主控板，所述主控板的信号输出端与所述俯仰轴电机和方位轴电机的控制端电连接，用于通过所述俯仰轴电机和方位轴电机控制所述集光器的朝向。

进一步的，所述焦面板上朝向所述菲涅尔透镜阵列板的一侧安装有四象限光电传感器，所述四象限光电传感器的信号输出端与所述主控板的信号输入端电连接。

进一步的，所述光纤端头与所述光缆之间还设有层级合束导光光纤光路，包括级联的多个光纤合束器。

本实用新型的有益效果是：这种整体设计使得设备核心部件全部封装在结构件或者结构件和玻璃板构成的腔体内，这就使得控制电机、电路部分免受雨水接触到的风险，光纤耦合端也不会受灰尘污染。设备主机常年处于室外接受风吹日晒，一体化的设计大大增强了其长期可靠性。此款设备的设计的关键点有集光器部件设计和导光光纤光路设计，为了实现长距离传输，传导光光纤光路在影响光损耗的情况下对设备的成本起决定性作用。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的设备整体示意图；

图2为本实用新型实施例提供的设备主要构成部件示意图；

图3为本实用新型实施例提供的集光器内部结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的多功能菲涅尔透镜阵列示意图；

图5为本实用新型实施例提供的焦面板结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的层级合束导光光纤光路结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、设备主机，2、光缆，3、散射照具

11、集光器，12、支撑臂，13、基座

111、壳体，112、菲涅尔透镜阵列板，113、焦面板，114、光纤端头，115、四象限光电传感器，116、光纤合束器，131、蓄电池，132、主控板

1121、玻璃基板，1122、带状菲涅尔透镜，1123、圆形菲涅尔透镜阵列，1131、光伏板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供一种光纤式太阳光导入设备，系统通过高倍聚光比聚光器依靠高精度双轴追踪系统高效汇聚阳光，并通过石英光纤长距离传导对室内进行照明，原理决定结构组成主要分为设备主机1、光缆2、散射照具3，如图1所示。如图2，设备主机1除了集光器11外还主要有俯仰轴电机、支撑臂12、方位轴电机、基座13。设备主控板132、蓄电池131、方位轴电机装在基座13内部，若干个光纤端头114处于集光器11内部，这种整体设计使得设备核心部件全部封装在结构件或者结构件和玻璃板构成的腔体内，这就使得控制电机、电路部分免受雨水接触到的风险，光纤端头114也不会受灰尘污染。设备主机1常年处于室外接受风吹日晒，一体化的设计大大增强了其长期可靠性。此款设备的设计的关键点有集光器11设计和导光光纤光路设计，为了实现长距离传输，传导光光纤光路在影响光损耗的情况下对设备的成本起决定性作用。

设备由带有多功能菲涅尔透镜阵列板112、焦面板113、光伏板1131、四象限光电传感器115的集光器11聚焦太阳光用以提供光纤传导和设备供电，如图2，图3所示。集光器11通过设备两轴运动的机械结构时刻对准太阳，保证透镜的聚光。耦合进光纤的太阳光通过层级合束导光光纤光路116，进行长距离的传输进入室内用以提供照明。

(1)集光器的一体化设计

光纤空间光聚光耦合的基本单元为聚光透镜在焦平面位置聚光耦合进光纤。对于这一部分，常见的设计思路为一块凸透镜对应一根光纤的聚焦单元再进行组合封装。这一采用简单的聚光透镜组合的设计，形式简单且普通玻璃凸透镜易获得。但是这种设计方案显然有诸多缺点：①独立单元导致整体空间利用率低；②需要对每个单元进行调焦；③保证所有单元的光轴平行存在安装误差；④多个独立单元组成的集光器部件为了形成一个相对密闭的环境增加的外罩影响透光和长期可靠性。把所有聚焦作用单元集成在一整块玻璃板上从根本上解决了上述不足。

本设备设计了一种集导光、储能一体化的多功能菲涅尔透镜阵列板，在对阳光进行聚焦使光斑耦合进光纤用来照明外另一部分透镜聚光到高倍光伏电池上用以提供设备所需的电能，图3所示，焦面板113光纤端头114分布在对应于圆形菲涅尔透镜阵列1123的各个焦点位置上，同样地，高倍光伏板放置在带状菲涅尔透镜光1122聚焦的光面上。多功能菲涅尔透镜阵列板112是将紫外固化胶以经过精密光学设计的带状锯齿结构和圆形环状锯齿结构压制在玻璃基板1121内面，玻璃基板1121采用厚度为3.2mm超白钢化玻璃，长宽尺寸为1104mm×504mm。椭圆形环状锯齿结构菲涅尔透镜将太阳光聚焦成一条带状，圆形环状锯齿结构菲涅尔透镜将太阳光聚焦成一个光斑。带环状锯齿结构菲涅尔透镜，尺寸为12mm×48mm，用以将太阳光聚焦的带状光照射到相应大小的高倍光伏板上；图4所示：设备设有31个圆形环状锯齿结构菲涅尔透镜,单个尺寸为12mm×12mm，点聚焦太阳光耦合进导光光纤形成27组透镜-光纤耦合单元。多功能菲涅尔透镜阵列板上设置有一个尺寸12mm×12mm的空白区，不压制胶，用以让太阳直射光线直接透过玻璃板提供给四象限光电传感器115进行感光。图5所示，焦面板分布。

(2)层级合束导光光纤光路

设备31个圆形环状锯齿结构菲涅尔透镜对应31个光纤端头用以耦合聚焦光，由于太阳光全波段光，聚焦焦点为一个较大的光斑。所以用来导光的光纤区别于普通的通信类光纤，为大纤芯的传能光纤。可以选用的导光光纤有石英光纤和塑料光纤，导光石英光纤损耗较低但价格昂贵，反过来塑料光纤虽然价格相对低廉但损耗大。设备选用石英光纤规格为纤芯1mm，衰减@850nm值为不大于8.0dB/km，保证了设备导光光路的效率。为了同时降低成本，设备设计了特有的多合一导光光纤光路。

以设备导光的作用距离为50m为例，对应31个聚光透镜的光纤端头处于透镜的焦点位置，固定在焦面基板上，若不做合束设计，总光纤长度为50×31＝1550m。将31段接受光的光纤在耦合进太阳光后马上进行合束处理，合束作用使用到一种特殊设计的超大纤径的光纤合束器116将三束光纤输入合成一束光纤输出，则31端光纤经过一级合束作用后为11束输出，在经过二级合束后为4束输出，如图6所示。两级合束综合下来使得光纤长度为原先的1/7,则所需光纤总长度从1550m降低至约为200m,光纤成本大大降低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤传导式阳光导入设备，包括设备主机(1)、光缆(2)和散射照具(3)，所述设备主机(1)与所述散射照具(3)通过所述光缆(2)连接，形成光通路；其特征在于：

所述设备主机(1)包括集光器(11)、支撑臂(12)和基座(13)，所述集光器(11)通过俯仰轴电机与所述支撑臂(12)连接，所述支撑臂(12)通过方位轴电机与所述基座(13)连接；

所述集光器(11)包括一端开口的壳体(111)、安装在所述壳体(111)开口处的菲涅尔透镜阵列板(112)、安装在所述壳体(111)内部的焦面板(113)以及安装在所述焦面板上的光纤端头(114)，所述光纤端头(114)与所述光缆(2)光路连通。

2.根据权利要求1所述的阳光导入设备，其特征在于：所述菲涅尔透镜阵列板(112)包括玻璃基板(1121)、设置在所述玻璃基板(1121)内侧的圆形菲涅尔透镜阵列(1123)；所述焦面板(113)上，所述圆形菲涅尔透镜阵列(1123)中的每一圆形菲涅尔透镜的焦点位置，设置光纤端头(114)。

3.根据权利要求2所述的阳光导入设备，其特征在于：所述菲涅尔透镜阵列板(112)还包括设置在所述玻璃基板(1121)内侧的多个带状菲涅尔透镜(1122)；所述焦面板(113)上，与所述带状菲涅尔透镜(1122)相对应的位置，还设有光伏板(1131)。

4.根据权利要求3所述的阳光导入设备，其特征在于：所述基座(13)内设有蓄电池(131)，所述蓄电池(131)的充电端与所述光伏板(1131)的电压输出端连接；所述蓄电池(131)的电压输出端与所述俯仰轴电机和所述方位轴电机的电源输入端电连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的阳光导入设备，其特征在于：所述基座(13)内设有主控板(132)，所述主控板(132)的信号输出端与所述俯仰轴电机和方位轴电机的控制端电连接，用于通过所述俯仰轴电机和方位轴电机控制所述集光器(11)的朝向。

6.根据权利要求5所述的阳光导入设备，其特征在于：所述焦面板(113)上朝向所述菲涅尔透镜阵列板(112)的一侧安装有四象限光电传感器(115)，所述四象限光电传感器(115)的信号输出端与所述主控板(132)的信号输入端电连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的阳光导入设备，其特征在于：所述光纤端头(114)与所述光缆(2)之间还设有层级合束导光光纤光路，包括级联的多个光纤合束器(116)。

Images