CN212961362U - 一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统。本实用新型涉及室内的光纤照明系统技术领域，所述系统包括六边形转盘、光传感器、菲涅尔透镜、光纤耦合器、U型支架、支架、充电一体化模块和锂电池组、太阳能发电板、调光旋钮、可视化屏幕、补偿LED灯组、室内环境模拟黑箱、Arduino控制器、数字光强度传感器、光纤和传动机构；本实用新型使室内光照度保持稳定；在光纤导入太阳光后，通过光强度传感器感知室内的照度，在室内照度未达到所需照度时，利用电光源即时进行自动光照补偿。不需要提供额外电能，利用太阳能电池板、充电一体化模块和蓄电池供电；通过传动机构，配合光传感器，实现对太阳的高精度跟踪，提高光线收集率。
Description
技术领域
本实用新型涉及室内的光纤照明系统技术领域，是一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统。
背景技术
随着能源危机和生态环境破坏，人们的环境保护意识逐渐增强，对太阳能的利用成为科学研究的焦点，2010年我国成为世界能源第一消耗大国，占世界总能源消耗的20.3％。在我国太阳能发电量占国家能源消耗比例仅为1％，主要原因为，太阳能转换效率低，仅在15％-20％，且太阳能发电装置造价昂贵。
在大型办公楼等建筑物内，由于高层建筑相互遮挡，导致室内白天采光不足，即使在白天，工作人员也需要长时间使用电能照明系统，因此耗费了大量电能。太阳光光纤照明系统是一种利用光纤将室外光线直接传输至室内用于照明的新型技术，减少了能量转换中的损耗。
目前国内的光纤照明系统存在许多问题，例如：受天气因素影响较大，由于室外的光照强度随着天气变化随时在改变，导致之内的光照强度时刻变化。并且在阴天、雨天、夜晚等环境，室内光照度极低，单独使用不能满足室内照明的要求，往往还需要与LED灯配合使用，额外提供电能。
汇聚太阳光精度不高，一般条件下所汇聚的太阳光光斑尺寸远大于光纤尺寸，当太阳位置变化时，容易造成太阳光光斑中心与光纤中心偏离情况，使所传输的光通量降低，室内光照度骤降。
造价昂贵，经调查国内一些生产光纤照明商品的公司，如深圳市蓝煦科技发展有限公司、南京杰特新能源有限公司等公司的适用于小面积室内照明的商品价格在2万元以上。
难以控制所需光照度，不论是刘雨芃等人的专利“一种地下车站的太阳光混合照明系统”；还是沈晓明等人的专利“智能式太阳能光纤激光混合照明装置及其控制方法”；或者张耀明等人的专利“自动跟踪太阳的太阳能电池及光纤采光照明系统”，目前还未见可以实时观测并且手动调节室内所需要的光照度的相关专利。
实用新型内容
本实用新型为解决光线不好的室内的照明问题，室内照度未达到所需照度时，进行自动光照补偿，保证室内光照度的稳定，本实用新型提供了一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，本实用新型提供了以下技术方案：
一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，所述系统包括六边形转盘、光传感器、菲涅尔透镜、光纤耦合器、U型支架、支架、充电一体化锂电池组、太阳能发电板、调光旋钮、可视化屏幕、补偿LED灯组、室内环境模拟黑箱、Arduino控制器、数字光强度传感器、光纤和传动机构；
所述光传感器安装在六边形转盘的圆心处，所述光传感器包括十字形支架和四个光敏电阻，四个光敏电阻分别安装在十字形支架所分成的四个象限内，并且紧贴十字形支架放置，所述四个光敏电阻分别并联一个阻值相同的定值电阻，并连接Arduino控制器，所述Arduino控制器连接控制传动机构；所述传动机构包括电机、减速器、传动轴和联轴器，所述Arduino控制器控制电机转动，带动减速器、传动轴和联轴器转动，所述传动机构固定在U型支架上，所述U型支架固定安装在支架上，所述传动机构驱动U型支架和六边形转盘；
六边形转盘内设置有4个菲涅尔透镜，所述4个菲涅尔透镜对应4个光纤耦合器，太阳光平行射入时先通过菲涅尔透镜，将平行光变成大光斑，再通过光纤耦合器，所述光纤耦合器安装在U型支架上，所述光纤耦合器包括螺纹套筒、非球面凸透镜、螺纹压盖、滤波片和光纤套筒，所述非球面凸透镜通过螺纹压盖和螺纹套筒夹紧固定，所述滤波片放置在非球面凸透镜的焦点上，光纤与光纤套筒通过套筒上预留的螺纹孔用顶丝固定；
所述光纤连接补偿LED灯组，所述Arduino控制器连接控制补偿LED灯组，所述可视化屏幕观测室内环境模拟黑箱内的光照度值，通过所述调光旋钮改变光照度，太阳能发电板采集太阳能发电输出至充电一体化锂电池组，所述充电一体化锂电池组为补偿LED灯组和传动机构供电；
所述数字光强度传感器设置在室内环境模拟黑箱入光口的对侧，所述数字光强度传感器分别连接Arduino控制器和可视化屏幕，通过数字光强度传感器采集光照强度。
优选地，所述补偿LED灯组采用6个LED灯串联，3条串联支路并联的连接方式组成。
优选地，所述太阳能发电板发电功率为40W，通过UPS直流装置输入至锂电池组。
优选地，所述调光旋钮采用一枚5K的电位器作为调节旋钮。
优选地，所述锂电池组包括4串联3并联的总共12颗电池构成的电池组。
优选地，所述UPS直流装置采用UPS-1228-12直流UPS电源装置。
优选地，所述滤波片选择透光波长为400nm-760nm的石英镜片。
优选地，所述数字光强度传感器采用基于BH1750FVI芯片的GY-30数字光强度传感器。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型使室内光照度保持稳定；在光纤导入太阳光后，通过光强度传感器感知室内的照度，在室内照度未达到所需照度时，利用电光源即时进行自动光照补偿。不需要提供额外电能，利用太阳能电池板、充电一体化模块和蓄电池为整个系统供电；高精度跟踪太阳；通过传动机构，配合光传感器，实现对太阳的高精度跟踪，提高光线收集率。成本较低；成本仅在2500元左右，若要增多聚光面积，只需增加太阳光接收板的面积和光路数量，成本没有大幅度增长，因此具有非常好的经济性。本实用新型可以实时观测并且手动调节室内的光照度；通过PWM调光旋钮，可以调节在不同环境下室内光照度稳定值，满足各种条件下的需要。
本实用新型设计太阳光收集、光纤导光、光纤末端的光补偿和太阳能充电，在晴天时利用太阳能充电，并存储在蓄电池中，供给给全系统；通过太阳追踪系统，提高汇聚太阳光效果和精度，通过滤波片滤去有害光后，光纤传输太阳光至室内与LED灯配合照明，保持光纤的稳定性；根据办公场所实际特点，可以手动调节所需要的光照度，适用于不同环境。该装置制造成本低、运行稳定、应用性强，而且提高了太阳能利用率，有效的节约了能源。
附图说明
图1为智能光补偿的太阳能光纤照明系统结构图；
图2为光传感器结构图；
图3为传动机构结构图；
图4为光路原理图；
图5为光纤耦合器结构图；
图6为光补偿设计流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本实用新型进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本实用新型提供一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，具体为：
一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，所述系统包括六边形转盘1、光传感器2、菲涅尔透镜3、光纤耦合器4、U型支架5、支架6、充电一体化锂电池组7、太阳能发电板8、调光旋钮9、可视化屏幕10、补偿LED灯组11、室内环境模拟黑箱12、Arduino控制器、数字光强度传感器、光纤13和传动机构14；
所述光传感器2安装在六边形转盘1的圆心处，所述光传感器2包括十字形支架101和四个光敏电阻102，四个光敏电阻102分别安装在十字形支架101所分成的四个象限内，并且紧贴十字形支架放置，所述四个光敏电阻分别并联一个阻值相同的定值电阻，并连接Arduino控制器，所述Arduino控制器连接控制传动机构14；所述传动机构14包括电机、减速器、传动轴和联轴器，所述Arduino控制器控制电机转动，带动减速器、传动轴和联轴器转动，所述传动机构14固定在U型支架5上，所述U型支架5固定安装在支架6上，所述传动机构14驱动U型支架5和六边形转盘1；
六边形转盘1内设置有4个菲涅尔透镜3，所述4个菲涅尔透镜对应4个光纤耦合器4，太阳光平行射入时先通过菲涅尔透镜，将平行光变成大光斑，再通过光纤耦合器，所述光纤耦合器4安装在U型支架5上，所述光纤耦合器包括螺纹套筒、非球面凸透镜、螺纹压盖、滤波片和光纤套筒，所述非球面凸透镜通过螺纹压盖和螺纹套筒夹紧固定，所述滤波片放置在非球面凸透镜的焦点上，光纤与光纤套筒通过套筒上预留的螺纹孔用顶丝固定；
所述光纤连接补偿LED灯组，所述Arduino控制器连接控制补偿LED灯组，所述可视化屏幕观测室内环境模拟黑箱内的光照度值，通过所述调光旋钮改变光照度，太阳能发电板采集太阳能发电输出至充电一体化锂电池组，所述充电一体化锂电池组为补偿LED灯组和传动机构供电；
所述数字光强度传感器设置在室内环境模拟黑箱入光口的对侧，所述数字光强度传感器分别连接Arduino控制器和可视化屏幕，通过数字光强度传感器采集光照强度。
所述补偿LED灯组采用6个LED灯串联，3条串联支路并联的连接方式组成。
所述太阳能发电板发电功率为40W，通过UPS直流模块输入至锂电池组。考虑到电池组的能量为216W·h，为了确保在有效日照时间(约6小时)内充满电，但太阳能发电板很难以最大功率持续工作六小时，需要选取功率至少为36W的太阳能发电板。
所述太阳能充电模块包括太阳能发电板8、充电一体化锂电池组7，当太阳光充足时，太阳能发电板8发电功率在40w，UPS直流模块输入给锂电池组，同时锂电池组放电，经过充电一体化模块输出给传动机构14和补偿LED灯组11。所述锂电池组包括4串联3并联的总共12颗电池构成的电池组。
室内光线补偿系统的功耗在12w左右，太阳跟踪系统所有电机的总功率在整机旋转时为33w左右，待机时为19.2w左右。为了满足在户外阴黑无法采光情况下，室内光线补偿系统能够持续工作16个小时的要求，需要准备至少192w·h的电池组。考虑到锂电池具有能量密度高，对环境友好，寿命长，自放电率低等优点，选择一种21700锂电池制作电池组，21700锂电池的单体电压在2.6w～4.2w之间，能量约为18w·h。计算得到电池组的电压为10.4w～16.8w，能量达到216w·h。
当光纤所传输的光照度低于模块内预设的阈值时，Arduino自动控制补偿LED灯组11点亮，并稳定在预设值，如图6光补偿模块系统设计流程图所示。可视化屏幕10可以实时观测室内环境模拟黑箱12中的光照度值。当光照度需求改变时，可以通过手动调节调光旋钮9，改变预设阈值，从而改变系统内稳定的光照度。所述调光旋钮采用一枚5K的电位器作为调节旋钮，当电位器旋钮转动时，中间引脚的电压改变，Arduino控制器检测到电压的改变值，调节室内光照度稳定值。
如图4所示，太阳光平行射入时先通过菲涅尔透镜3，将平行光变成大光斑，再通过光纤耦合器4内的非球面平凸透镜，将大光斑变成小光斑，再通过光纤耦合器4内的滤波片将太阳光中的紫外线和红外线滤出，只留可见光，再传入到光纤13中。
如图5所示，所述所述光纤耦合器包括螺纹套筒202、非球面凸透镜205、螺纹压盖201、滤波片204和光纤套筒203。非球面凸透镜205通过螺纹压盖201和螺纹套筒202夹紧固定，滤波片204放置在非球面凸透镜205焦点上，确保形成最小光斑，汇聚光全部进入到光纤中，光纤与光纤套筒203通过套筒上预留的螺纹孔用顶丝固定。
所述UPS直流装置采用UPS-1228-12直流UPS电源装置。本实用新型中采用了并联加串联两种方式构成电池组，所以必须给每一节电池配上电池保护电路，实现在电池充满电后切断电源，在电池耗尽电量后截断负载。同时太阳能发电板始终在给电池充电，而太阳跟踪系统在工作时会引起充电电路的电压波动，通过直流UPS电源装置确保在负载工作时，太阳能发电板仍能给电池正常充电。
如图2所示，所述光传感器包括十字形支架101、四个光敏电阻102，四个光敏电阻分别安装在十字形支架101所分成的四个象限，并且紧贴支架放置。光敏电阻的电阻值与光照强度相关，当阳光垂直照射到光传感器上时，十字形支架101不遮挡阳光产生阴影，光敏电阻的感光面积是相同的，电阻值相同。当阳光与光传感器不垂直时，阳光与十字形支架101所成的角度就会有偏差，支架便会遮挡阳光在其中几个光敏电阻上产生阴影，从而影响光敏电阻电阻值。当光敏电阻值改变时，回路中的电流值会相应改变，将四个光敏电阻102分别并联一个阻值相同的定值电阻，将电流信号转换成电压信号，再将信号传给Arduino，即可控制传动机构14，驱动U型支架5、六边形转盘1，这就是光传感器的工作原理。
如图3所示，所述传动机构包括电机303、减速器301、传动轴302、联轴器304，当Arduino接收到来自光传感器的信号后，通过控制电机303转动，从而带动减速器301、传动轴302、联轴器304转动，进一步驱动传动机构，实现对太阳的对正。当四个光敏电阻阻值相同的时候，即为正对太阳的时候。由于户外光线不会瞬间发生改变，为了防止有物体遮挡而导致错误判断太阳方位采用低通滤波算法对采集的电压信息进行处理，降低外界因素的干扰。得到处理的数据后，为了获取太阳大致方位，需要首先找到光强最大的光敏电阻即最高电压信号，因此采用冒泡算法排序数据，从而得到最大电压信号，再与最小电压信号进行比较，若差值很小，表明已经锁定太阳位置，反之则还未对准太阳，由产生最大电压信号的光敏电阻的方位可以得到太阳大致方位。获取太阳大致方位后Arduino控制跟踪装置朝向对应位置转动预设定的角度，每转动一次后重复上述流程，直至锁定太阳位置。
所述滤波片选择透光波长为400nm-760nm的石英镜片，可以过滤掉太阳光中对人体有害紫外线和红外线，并降低光斑温度，防止光纤耦合器熔化。
由于Arduino的AD模数转换器为10位精度即0～1023范围，而数字光强度传感器可以达到16位精度即0～65525范围，所述数字光强度传感器采用基于BH1750FVI芯片的GY-30数字光强度传感器。
室内试验，数据采集时间：2020年6月。由菲涅尔透镜半径计算出集光总面积共70650mm2，该装置理论聚光倍率可以达150倍以上。为了模拟无光室内真实环境，我们制作了1m×1m×1m的箱子，无光输入时箱体内光照强度在30～50Lux。在未跟踪太阳光和跟踪太阳光状态下，利用一根光纤进行太阳光传导，分别记录两种情况下箱体内的光照强度，如表1所示。可以明显看出光纤在跟踪太阳时，传输效果较好，约为未跟踪太阳状态下的5.5倍。
表1利用一根光纤传导在未跟踪太阳和跟踪太阳时箱体内的光照强度
该装置共设计4根光纤，则平均箱体内光照强度约为920Lux，若运用在10m2的室内，则室内光照强度约为92Lux。《建筑照明设计标准》GB 50034-2013规定了新建、改建和扩建的居住、公共和工业建筑的一般照度标准值，国标不同环境下的光照度，光纤传输的光在10平方米室内产生的光照度和10平方米室内通过光补偿系统提高的照明效果如表2所示。
表2一般环境的照度标准值和四根光纤在10m2环境下的光照强度
本实用新型将光线采集光纤照明、太阳能发电、基于PWM调光技术光纤补偿合理结合起来，充分利用了各自优点，不耗用常规电源，并且能够达到较高太阳光利用率，经过实际验证，效果理想
以上所述仅是一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统的优选实施方式，一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述系统包括六边形转盘、光传感器、菲涅尔透镜、光纤耦合器、U型支架、支架、充电一体化模块和锂电池组、太阳能发电板、调光旋钮、可视化屏幕、补偿LED灯组、室内环境模拟黑箱、Arduino控制器、数字光强度传感器、光纤和传动机构；
所述光传感器安装在六边形转盘的圆心处，所述光传感器包括十字形支架和四个光敏电阻，四个光敏电阻分别安装在十字形支架所分成的四个象限内，并且紧贴十字形支架放置，所述四个光敏电阻分别并联一个阻值相同的定值电阻，并连接Arduino控制器，所述Arduino控制器连接控制传动机构；所述传动机构包括电机、减速器、传动轴和联轴器，所述Arduino控制器控制电机转动，带动减速器、传动轴和联轴器转动，所述传动机构固定在U型支架上，所述U型支架固定安装在支架上，所述传动机构驱动U型支架和六边形转盘；
六边形转盘内设置有4个菲涅尔透镜，所述4个菲涅尔透镜对应4个光纤耦合器，太阳光平行射入时先通过菲涅尔透镜，将平行光变成大光斑，再通过光纤耦合器，所述光纤耦合器安装在U型支架上，所述光纤耦合器包括螺纹套筒、非球面凸透镜、螺纹压盖、滤波片和光纤套筒，所述非球面凸透镜通过螺纹压盖和螺纹套筒夹紧固定，所述滤波片放置在非球面凸透镜的焦点上，光纤与光纤套筒通过套筒上预留的螺纹孔用顶丝固定；
所述光纤连接补偿LED灯组，所述Arduino控制器连接控制补偿LED灯组，所述可视化屏幕观测室内环境模拟黑箱内的光照度值，通过所述调光旋钮改变光照度，太阳能发电板采集太阳能发电输出至充电一体化模块和锂电池组，所述充电一体化模块和锂电池组为补偿LED灯组和传动机构供电；
所述数字光强度传感器设置在室内环境模拟黑箱入光口的对侧，所述数字光强度传感器分别连接Arduino控制器和可视化屏幕，通过数字光强度传感器采集光照强度。
2.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述补偿LED灯组采用6个LED灯串联，3条串联支路并联的连接方式组成。
3.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述太阳能发电板发电功率为40W，通过UPS直流装置输入至锂电池组。
4.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述调光旋钮采用一枚5K的电位器作为调节旋钮。
5.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述锂电池组包括4串联3并联的总共12颗电池构成的电池组。
6.根据权利要求3所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述UPS直流装置采用UPS-1228-12直流UPS电源装置。
7.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述滤波片选择透光波长为400nm-760nm的石英镜片。
8.根据权利要求1所述的一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统，其特征是：所述数字光强度传感器采用基于BH1750FVI芯片的GY-30数字光强度传感器。
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| CN202022054667.3U CN212961362U (zh) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | 一种智能光补偿的太阳能光纤照明系统 |
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2020
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