CN2472142Y - 太阳光采集入室装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是涉及采集太阳光进入室内或其它类似场合的一种采光装置。包括一次太阳光采集抛物面、二次聚集抛物面,两者的口径焦距成适当倍数,两个抛物面凹面相对,焦点重合安装在可水平180度和垂直90度范围内转动的支架上;采集抛物面中央有与聚集抛物面等直径的孔,光导纤维以固定端子装在采集抛物面孔处、另端与装在室内的凹面透镜相衔接;还设有太阳自动检测和控制跟踪装置。可解决建筑物不朝阳的问题,消除东西、南北向房屋在采光上的差异,提高房屋经济价值。

Description

太阳光采集入室装置

本实用新型是涉及采集太阳光进入室内或其它类似场合的一种采光装置。

所有建筑物都有朝阳和不朝阳的问题，即存在东西向和南北向房屋在采光方面的差异，降低了房屋的经济价值，在不朝阳的阴面常年见不到阳光，还有象地铁、地下室、煤矿、隧道、地下商业区等场所都只能靠电力照明采光，耗费能源，而且光线暗淡。现有技术的不足之处主要在于：

本实用新型的目的在于弥补现有技术的不足之处，而提供一种节省能源，提高照度，可将太阳光采集入室的装置。

可采取以下的技术方案实现目的。

太阳光采集入室装置，它包括一次太阳光采集抛物面、二次聚集抛物面，两者的口径焦距成适当倍数，两个抛物面凹面相对，焦点重合安装在可水平180度和垂直90度范围内转动的支架上；采集抛物面中央有与聚集抛物面等直径的孔，光导纤维以固定端子装在采集抛物面孔处、另端与装在室内的凹面透镜相衔接；还设有太阳自动检测和控制跟踪装置。

本技术方案相对现有技术具有如下优点和效果：

可有效解决建筑物不朝阳的问题，消除东西向和南北向房屋在采光方面的差异，提高房屋的经济价值，在不朝阳的阴面同样可见到阳光、提高照度，只要有太阳就可以采集到屋里，比朝阳的房屋采光的时间长的多，可每户装一个常年受益；；可广泛用于地铁、地下室、煤矿、隧道、地下商业区等场所的照明采光，节省能源；还可作为能源进行开发利用如海水淡化、取热等等，社会效益、经济效益明显。

结合附图、实施方式对本技术方案的内容作进一步详述。

图1是太阳光采集入室装置的光学原理示意图；

图2是太阳光采集入室装置的一种结构示意图；

图3是探测器的一种结构示意图，图4是图3的俯视图，

图5是图3的左视图；

图6是自动检测控制单元电原理图；

图7是控制跟踪装置电原理图；

图8是控制跟踪装置中电机接线图；

图9是二次抛物面与高频头180°转换结构示意图；

图10是圆筒转换体支撑架结构示意图；

图11是圆筒转换体结构示意图；

图12是采光和卫星接收转换控制电路图。

太阳光采集入室装置，包括一次太阳光采集抛物面1、二次聚集抛物面2，两者口径、焦距成适当倍数，两个抛物面凹面相对、焦点重合安装在可水平180度和垂直90度范围内转动的支架3上；采集抛物面中央有与聚集抛物面等直径的孔，光导纤维4以固定端子装在采集抛物面孔处、另端与装在室内的凹面透镜5相衔接；还设有太阳自动检测和控制跟踪装置。

根据透镜光学原理，抛物面在凹面镀上反光膜后，可把平行于其光轴的平行入射光反射聚焦成经过其焦距的散射光，反之，也可把入射经过其焦点的散射光反射成平行于其光轴的平行光。本采集入室装置由两个抛物面构成。设一次采集抛物面直径1—1.5米，对太阳光进行聚焦，聚焦后的散射光再用直径和焦距都为一次抛物面1/10的小抛物面或称二次聚集抛物面把散射光反射成平行于其光轴的平行光。这两个抛物面凹面相对，焦点重合。如果忽略损耗，这束经二次抛物面反射成平行光的强度应为太阳光的10倍左右。然后用光导纤维进行传输。传输到需要采光的地方后用凹面透镜将其透射成散射光，实现环境对采光的要求。凹面透镜是一面为凹面另一面为平面的透镜。如附图1所示。

可在水平180度和垂直90度范围内转动的整体支架的动力传统包括水平和垂直传动两部分。水平传动由固定于系统支架上的水平电机6带齿轮绕水平圆齿轮作180度转动；垂直传动由垂直电机7通过丝杠、内筒和外套带动垂直支板沿垂直方向作90度运动。水平、垂直电机的转动及方向均由太阳自动检测和控制跟踪装置控制。如附图2所示。

一次抛物面的材料为玻璃或透明的光学树脂时，反射膜镀在凸面上，防止在室外遇到冰雹等天气时对凹面损坏，当用不透明的树脂制做时就必须在凹面镀膜形成反射面，还要加防护层加以保护。一次抛物面固定在支撑架上，一次抛物面中间开孔形成光路。孔径等于或大于二次抛物面的直径，光导纤维头部用金属固定端子紧固在一次抛物面支撑架上，使光导纤维保持和一次抛物面光轴平行的角度。二次抛物面安装在套筒内，套筒内前部有台以防止二次抛物面掉出，后面用弹簧弹性固定，套筒和一次抛物面支架连接并保证两抛物面焦点重合。

两个抛物面直径比D/d＝10～100、焦距比J/j＝10～100为宜，D为采集抛物面直径，d为聚集抛物面直径，J为采集抛物面焦距，j为聚集抛物面焦距。

太阳光采集入室装置，太阳自动检测探测器由装在圆底座8上用挡板9将它分成5个区域，在每个区域内及朝向东西各设置一块光电池10构成，每个光电池分别输入到相应控制单元中，每一控制单元第一级运放正极接光电池正极，每个单元第一级运放负极都并联后接标准光电池正极，第一级运放输出端接积分电阻电容中点并接至第二级运放正端，第二级运放负端接分压电阻中点、输出端接微分电阻电容的中点，电阻上端接电源，电容另一端接二极管正端，二极管负端输出接可控硅控制端。控制跟踪装置中，五个可控硅的负端接地、正端分别接五个继电器线圈的一端，线圈另端接互锁接点，J1～J4采用JQX2×4刀继电器，每继电器第一刀为互锁接点，J11锁J2，J21锁J1，J31锁J4，J41锁J3，每刀常闭点接继电器线圈，中点接电源，J3和J4第二刀的中、闭接点串联后锁定J1和J2，J4第二刀中点接电源、常闭点和J3第二刀中点相连，J3第二刀常闭点接J1和J2第一刀中点；J5和J6采用2×2刀继电器，J5第一刀的中点接J6继电器线圈，J6另一端接电源，J5第一刀常开接地，J6第一刀中点接电源、常闭点接J3、J4和J5的电源端，延时电容C并联在J6线圈两端，五个续流二极管分别并联于五个继电器线圈接点，四个手动按钮分别并联于SCR1～SCR4的正负端；J1～J4的第3、4刀用于水平电机和垂直电机的电源供电，J13中点接电源正，J14中点接电源负，J13常开接水平电机正端，J14常开接水平电机负端，J23中点接电源正，J24中点接电源负，J23常开接水平电机负端，J24常开接水平电机正端，J33中点接电源正，J34中点接电源负，J33常开接垂直电机正端，J34常开接垂直电机负端，J43中点接电源正，J44中点接电源负，J43常开接垂直电机负端，J44常开接垂直电机正端。

探测器结构如图3、4、5所示，底座8是一个和二次抛物面外径相等的圆底座。在上面用挡板将它分为5个区域，最中间的区域是5mm×5mm即1#区域。2#和4#区域是宽5mm，长为小于底圆半径的区域，5#和3#区域分别在挡板外侧底部中央的位置，3#在图的背面，挡板高度为100mm。只有探测器和太阳光入射角正垂直即90度时，1#区域才能受到光照，入射角向4#区域倾斜时，当倾斜角度大于actg5/100≈3度，4#区域受到光照；同理，当阳光入射角向2#区域倾斜时，当倾斜角大于3度时，2#区域受到光照，当阳光向3#或5#区域倾斜时，倾斜角大于3度、3#或5#区域受到光照，在五个区域内放置5块光电池，因光电池有很好的光照—电流特性，5个区域分别表示阳光的不同入射方向。1#区域为和阳光垂直方向，即最佳的阳光采集角度。1#区域受到光照时，1#光电池输出电流信号通过放大电路控制整个系统维持这一角度不变。2#和4#区域为垂直探测区域，当阳光入射角在垂直方向倾斜时，2#或4#区域的光电池受到光照产生电流，通过放大电路，控制垂直系统在垂直方向修正，直到1#区域受到光照，系统停止并保持这一角度状态。3#和5#区域为水平方向探测区域，阳光入射角在水平方向倾斜时，3#或5#区域光电池受到光照产生电流，通过放大电路控制水平系统在水平方向修正，直到1#区域光电池受到光照产生电流，通过放大电路控制系统停止。这样，探测器就可以探测到前方水平180度和垂直90任一方向的太阳入射角度，控制整个系统实现角度跟踪，使一次抛物面总保持在和太阳垂直的方向上。6#或7#光电池的作用是当日落时，系统总是朝西，第二天日出时，探测器探测不到前方水平180度、垂直90度以外的区域，这时的入射角度可以使6#电池受到光照通过电路来控制整个系统转向东面，7#光电池的作用和6#电池方向相反，当探测器朝向东时，如果太阳下午才出现，太阳已经偏西，探测器也探不到前方水平180度垂直90度以外的区域，7#光电池可以控制到这一角度，输出电流通过电路控制水平系统向西转动来对阳光进行采集。

探测器的7个光电池分别输入到7个相同的基本控制单元中。每一个基本控制单元由两级运算放大器来完成，集成运算放大器采用LM339，每一LM339有四个独立的运算放大器，每两个运放组成一个放大单元，每块LM339可组成两个放大单元，7个单元用4块LM339。光电池输入到一级运放的正输入端，7个基本控制单元电路第一级运放的负端并联在一起由一个标准光电池产生随环境照度变化的随机标准电压。在7个光电池都没受光照时，负端标准电压大于各正端电压。当光电池受到光照时，正端电压大于标准电压，使一级运放输出端为高电位，电源通过电阻R1积分电容C1充电。当C1充到大于第二级运放负端电压12×6/4＋6＝7.2V时，第二级运放输出高电位，电源通过电阻R4和C2产生一个微分脉冲，通过二极管BG去控制可控硅电路。积分电容C1的充电时间常数为100K×47μF＝4.7秒，当充到7.2V时约为3秒。这3秒的充电时间是必要的，用以鉴定光电池是否探测到稳定的、可采集的光源，如果是干扰光源，如闪电、礼花等，则不可能维持3秒以上，这就避免了干扰光源可能对系统造成的混乱。只有探测到稳定入射光线3秒以上，电路才产生微分脉冲来控制整个系统实现跟踪采集。探测器的7个光电池分别接入7个基本控制单元中，以光电池的序号来区别，1号光电池接1号基本控制单元，2号光电池按2号基本控制单元，以此类推。从探测器结构图中可看出，1#为系统停止单元，2号、4号为垂直控制单元，5号、6号为水平右控制单元，3#、7#为水平左控制单元。3#、7#单元的输出并联接到可控硅SCR1的控制端，SCR1导通时J1吸合，水平电机得电左转。5#、6#单元输出并联接SCR2控制端，SCR2导通时J2吸合，水平电机得电右转。2#为垂直向上单元输出接SCR3控制端，SCR3导通时，J3吸合，垂直电机得电向上转。4#为垂直向下单元，输出接SCR4控制端，SCR4导通时，J4吸合，垂直电机得电向下转。1#单元接SCR5控制端，SCR5导通时，J5吸合，导致J6吸合使整个控制系统断电。因为J5属电感性元件，断电时线圈中电流不能突变为0，所以要经延时后，待线圈中电流为0时再将电路通电，所以加一级延时电路，延时电容C3为200μF，利用电容充电后的放电过程实现延时。5个继电器分别并入5个续流二极管。电路中，J1和J2不能同时动作，所以加上互锁接点，J1常闭接J2电路中，J2常闭接J1电路中，J3和J4也不能同时动作，所以J3常闭接入J4电路，J4常闭接入J3电路，实现互锁。在垂直继电器动作时，对水平继电器J1和J2也有锁定，J3和J4的常闭接点分别接入J1和J2电路中实现锁定。所以，探测器中7个光电池无论哪个受到光照都能通过本控制电路使转动系统修正到最佳的采集角度，实现精确跟踪控制。

太阳光采集入室装置，将采集抛物面附在现有的金属卫星接收天线上，在焦点处卫星接收器高频头和采光系统的二次聚集抛物面背对背固定，由控制电机控制绕中心轴180°转动。在采集抛物面和卫星天线合为一体时，天线中间需开一孔作为光通道，孔径最大为卫星接收高频头的外径。因为卫星接收天线也有水平和垂直调整两部分，如果水平能作180度调整，垂直能作90度调整，即可用于本系统。如果水平和垂直方向调整范围小于本系统要求，则稍加改进调整到本系统要求范围即可。动力、传动及电源部分也用卫星接收系统的，因为是定型的现成产品。采光时，使二次反射抛物镜对准采集抛物面，转动180时，又可使高频头对准天线来接收卫星信号，这一转动由控制电机控制。卫星接收器的对准卫星过程由采光控制器手动操作完成。可一举两得，太阳光采集入室装置从整体结构上和卫星接收天线有相同之处，但一次和二次抛物面的精度要比天线抛物面高的多，既然能采光就一定能进行卫星信号的接收。转换装置，如附图9、10、11所示，是将二次抛物面和高频头背对背固定于圆筒11内，在圆筒横向中心靠二次抛物面一侧装中心轴12，使圆筒能绕轴转动，轴固定在圆筒外侧支撑架13上，轴上固定一大齿轮14，电动机15固定在圆筒内抛物面一侧，在电机轴上装一小齿轮和大齿轮啮合，转换时，电机带小齿轮绕大齿轮转动，从而带圆筒在垂直方向上转动，实现二次抛物面和高频头的转换。转换开始时，启动接收卫星按钮N1，见附图12，使继电器C1吸合电机通电，电机带小齿轮绕大齿轮向下旋转，高频头从后部抬起，圆筒绕中心轴做逆时针旋转，转至位置开关K2时将其闭合继续转动。当转到位置开关K1时将其断开，电机断电。此时圆筒的继续转动是由于高频头一侧的偏重来实现的，并且断电后的电机起到机械阻尼作用。转到水平180度时设置机械挡板，使高频头信号接收区正好处于一次抛物面焦点处，转换结束。在采光转换时，过程原理和上述转换一样，只是圆筒作顺时针转动。转动到水平180度高频头指向探测器方向时，设置机械挡板使二次抛物面焦点正好与一次抛物面焦点重合，此时转换结束。

Claims (4)

1、一种太阳光采集入室装置，其特征在于：它包括一次太阳光采集抛物面、二次聚集抛物面，两者的口径焦距成适当倍数，两个抛物面凹面相对，焦点重合安装在可水平180度和垂直90度范围内转动的支架上；采集抛物面中央有与聚集抛物面等直径的孔，光导纤维以固定端子装在采集抛物面孔处、另端与装在室内的凹面透镜相衔接；还设有太阳自动检测和控制跟踪装置。

2、如权利要求1所述的太阳光采集入室装置，其特征在于：两个抛物面的直径比D/d＝10～100、焦距比J/j＝10～100，D为采集抛物面直径，d为聚集抛物面直径，J为采集抛物面焦距，j为聚集抛物面焦距。

3、如权利要求1所述的太阳光采集入室装置，其特征在于：太阳自动检测探测器由装在圆底座上用挡板将它分成5个区域，在每个区域内及朝向东西各设置一块光电池构成，每个光电池分别输入到相应控制单元中，每一控制单元第一级运放正极接光电池正极，每个单元第一级运放负极都并联后接标准光电池正极，第一级运放输出端接积分电阻电容中点并接至第二级运放正端，第二级运放负端接分压电阻中点、输出端接微分电阻电容的中点，电阻上端接电源，电容另一端接二极管正端，二极管负端输出接可控硅控制端；控制跟踪装置中，五个可控硅的负端接地、正端分别接五个继电器线圈的一端，线圈另一端接互锁接点，J1～J4采用JQX2×4刀继电器，每个继电器第一刀为互锁接点，J11锁J2，J21锁J1，J31锁J4，J41锁J3，每刀常闭点接继电器线圈，中点接电源，J3和J4第二刀的中、闭接点串联后锁定J1和J2，J4第二刀中点接电源、常闭点和J3第二刀中点相连，J3第二刀常闭点接J1和J2第一刀中点；J5和J6采用2×2刀继电器，J5第一刀的中点接J6继电器线圈，J6另一端接电源，J5第一刀常开接地，J6第一刀中点接电源、常闭点接J3、J4和J5的电源端，延时电容C并联在J6线圈两端，五个续流二极管分别并联于五个继电器线圈接点，四个手动按钮分别并联于SCR1～SCR4的正负端；J1～J4的第3、4刀用于水平电机和垂直电机的电源供电，J13中点接电源正，J14中点接电源负，J13常开接水平电机正端，J14常开接水平电机负端，J23中点接电源正，J24中点接电源负，J23常开接水平电机负端，J24常开接水平电机正端，J33中点接电源正，J34中点接电源负，J33常开接垂直电机正端，J34常开接垂直电机负端，J43中点接电源正，J44中点接电源负，J43常开接垂直电机负端，J44常开接垂直电机正端。

4、如权利要求1或2或3所述的太阳光采集入室装置，其特征在于：将采集抛物面附在现有的金属卫星接收天线上，在焦点处卫星接收器高频头和采光系统的二次聚集抛物面背对背固定，由控制电机控制绕中心轴180°转动。

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