CN2555455Y - 阳光入室装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可以自动跟踪并始终以光收集器最大面积汇集阳光，并将光始终以固定角度传输到固定位置进入室内发散的阳光入室装置。装置由采光器件组、机械装配组件、清洁臂、防护罩、感光探测传感器、控制单元、水平执行电机及俯仰执行电机组成。装置将阳光中的可见光传输到需要的场所用做室内日间照明，将红外线转化为电能，装置还具有自动清洁功能。另外，装置将光汇聚后进行传输，减少了次级反射的尺寸，使装置对建筑外观影响减少。装置适合各种高层建筑和大面积建筑，成本低，效率高，具有很好的实际应用价值。

Description

阳光入室装置

所属技术领域

本实用新型涉及一种将阳光传输进室内以改善室内日间采光的装置，尤其是能够始终以最大光接收面积接收阳光并将阳光传输到室内的装置。

背景技术

随着城市化进程的加快，建筑之间互相遮挡越来越严重，而且由于建筑纵深度加大，建筑内部在日间依靠阳光采光的能力越来越弱。目前很多建筑，尤其是商业建筑，在日间往往都要时刻依赖人造光源采光—即使外界阳光明媚。阳光入室装置则可以解决这样的矛盾，这种装置使用光学器件改变阳光传播方向，并将其引导进室内用做照明。使用该设备不仅可以节省大量能源，而且可以提高室内环境品质，对人体健康起到促进作用。

克雷曼(Kliman)申请的美国专利4349245给出了一种将阳光反射到室内的装置。这个装置通过控制系统控制一个主反射镜将太阳直射光始终以固定角度反射到次反射镜上，并由通过建筑顶部的开孔进入室内，达到利用阳光改善室内照明的目的。该装置的主要缺陷在于：只适用于直接处于建筑物屋顶下面楼层的房间；由于是直接使用反射镜将光反射到次反射镜上，太阳直射光同反射镜之间必须存在一个夹角，这就使设备的有效光接收面积减小，光接收器的利用效率很低。由于太阳能设备随着光接受器件面积增大成本亦迅速增加，所以如果要满足更大面积的照明需求，现存的这种方式将导致设备成本大大提高。另外，该装置安装在建筑的顶部，为了获得较大的光收集量并将光传输到室内，需要在建筑顶部凿开与光接受面面积相等的孔洞，这将破坏建筑顶部的建筑结构，而且，开的孔洞越大，其成本也就越高，同时孔洞过大还带来安全隐患问题，因为盗贼很容易从装置的孔洞进入室内。

另一方面，现有的阳光照明装置对于引入室内太阳光光谱没有进行有效的控制。阳光中除了可见光以外，还含有大量的红外线和紫外线，其中红外线的热能较高，如果在天气炎热的季节将红外线不加选择地引导至室内，无疑会使室内温度升高，增加制冷能耗，在这种情况下不仅不能节省能源，反而会增加能源消耗；阳光中含有大量紫外线，如果不加选择地将紫外线引入室内，就会对人体造成伤害。

现有的阳光照明装置都没有考虑到装置的清洁问题。这些装置都安装在室外，暴露在自然条件下，灰尘在装置上的积累会严重影响装置的工作，降低光传输效率。所以非常有必要设计一种能够自动清洁器件的装置。

实用新型内容

为了克服现有阳光引入室内装置的以上不足，本实用新型首先提供了一种将阳光引导进室内的装置，该装置不仅可以发挥光接收器件的最大效率，而且传输光路不会破坏建筑结构；另外，该装置不仅可以根据需要调整进入室内光的光斑大小，而且可以将阳光光谱有选择地引入室内，使室内采光处于最佳状态；最后，本实用新型提供了一种自动清洁的装置，使设备能够始终正常应用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的阳光入室装置包括以下几个部分：采光器件组、机械装配组件、清洁臂、防护罩、感光探测传感器、控制单元、水平执行电机及俯仰执行电机。采光器件组包括：曲面聚光镜、曲面二次反射镜、方向控制镜以及窗前镜。机械装配组件包括：水平旋转台、俯仰调节连接支杆组、丝杆螺母、方向控制镜联动杆。

曲面二次反射镜通过支撑杆安装在曲面聚光镜的焦点，支撑杆的长度可以微调。曲面聚光镜通过俯仰调节连接支杆组安装在水平旋转台上，俯仰调节连接支杆组由支架、两个铰接杆、俯仰执行电机基座、水平旋转台上的托架、方向方向控制镜联动杆组成，其中支架与水平旋转台上的托架以及两个铰接杆绞接，俯仰执行电机基座同两个铰接杆的铰连。方向控制镜固定与方向控制镜联动杆固连，方向控制镜联动杆两端插装在水平旋转台的托架中，丝杆的固定端安装在方向控制镜联动杆上并同丝杆形成联动。感光探测传感器和太阳能光伏电池安装在曲面二次反射镜反射面后面。

装置工作时，感光探测传感器向控制系统提供太阳位置信息，当太阳直射光同曲面聚光镜的光学轴不平行时，由控制系统向执行电机发出运动信号，调整曲面聚光镜的光学轴并使其与太阳直射光保持平行。其中俯仰执行电机通过丝杆螺母传动机构使俯仰调节连接支杆组带动曲面聚光镜俯仰方向运动，同时通过方向控制镜联动杆带动方向控制镜以二分之一于曲面聚光镜运动角度的关系运动；水平执行电机接收到运动信号后，带动安装在水平旋转台上的机械配件组以及清洁臂同时运动。通过上述两维运动，可以使曲面聚光镜始终正对太阳，太阳直射光同曲面聚光镜的光学轴平行。阳光被曲面聚光镜反射后发生汇聚，曲面二次反射镜安装在曲面聚光镜的焦点，汇聚后的阳光经过曲面二次反射镜的反射后被校正为平行光，该束光被反射到方向控制镜上后，由方向控制镜以固定传播路径反射到固定位置，并最终通过窗前镜进入室内并在需要的场所发散。这样，虽然太阳位置不断发生变化，该装置可以将聚光镜最大面积接收到的阳光传输到固定位置并进入室内。

装置中各反射镜均经过冷镜镀膜处理，使红外线大部分透过反射镜表面而不被反射，反射的主要是可见光。在曲面二次反射镜的反射面后安装太阳能光伏电池，将透过发射面的红外线转化为电能，不仅可以为设备自身提供电力，多余的电能还可以储存以满足其他设备的需求。，调节曲面二次反射镜在曲面聚光镜焦点的位置就可以调整反射后光斑的大小。

在本实用新型上述方案基础上的更进一步改进是：使用透镜作为光接受器件，光通过透镜的折射后发生汇聚，汇聚后的光经过方向控制镜的反射后为发散光，经过校正透镜校正为平行光后传输到固定位置。改进方案的其他结构及工作原理同上述方案基本相同。

值得一提的是，光进入室内不仅可以通过窗前镜反射入室内，还可以通过使用光耦合器将上述装置传输过来的光耦合进光导纤维，通过光导纤维传输进室内。光导纤维非常柔软，易于安装，并且由于其全反射特点，所以光传输效率高。在本实用新型中可以使用石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤或者液芯光纤等。

本实用新型的有益效果是：光收集器始终以最大接收面积接收阳光，并将光始终传输到固定位置，使光收集器的面积得到最大效率的利用，有效降低了成本；在设备中使用镀膜反射镜将红外线同可见光分离，利用防护罩滤除了阳光中的紫外线，使进入室内的光更符合照明需求，将红外线转化为电能，提高了能量利用效率；安装了清洁臂，使装置的日常维护工作量减少，降低了使用成本；设备安装的位置更加灵活，可以适应各种建筑形式的需求，尤其可以应用于目前为数众多的高层建筑，解决了现有阳光采光装置只能应用于低层建筑，并需要对建筑顶部结构破坏的状况；本实用新型的装置将阳光汇聚后进行传输，减少了次级反射装置的尺寸，不仅可以降低成本，而且不会影响建筑外观。综上所述，本实用新型的设计方案科学合理，适合各种建筑形式的大面积采光需求，是一套完整的采光解决方案，推广后将产生较高的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本实用新型实施例一建筑安装示意图。

图2是实施例一结构示意图。

图3、4是实施例一俯仰运动原理图。

图5是防护罩与清洁臂结构示意图。

图6是本实用新型实施例二结构原理图。

图7是本实用新型实施例三建筑安装示意图。

具体实施方式

实施例一：

在图1中，本实施例的光采集器1安装在建筑物4的顶部，太阳2的直射光3被光采集器1汇聚后改变传播方向，始终以固定路径反射到窗前镜5表面，窗前镜5为一凸面镜，将传输过来的光发散地通过窗6反射到室内房间的纵深处，以满足室内照明需求。

图2-4示意了本实施例光采集器1结构与工作原理。图2中，曲面聚光镜7通过支架10铰接在水平旋转台16的托架11上，水平旋转台16由水平执行电机22驱动，可以在A-A”双方向转动，以完成装置在水平方向对太阳位置的跟踪。曲面二次反射镜8由三条支撑杆9固定在曲面聚光镜的焦点附近，支撑杆9的长度可以微调，曲面二次反射镜8反射面背部安装太阳能光伏电池19和感光探测传感器18，曲面二次反射镜8表面经过冷镜镀膜处理，这种镀膜可以使红外线穿过反射镜，而将大部分可见光反射，红外线穿过反射镜后，被后面的太阳能光伏电池19吸收并转化为电能进行储存。感光探测器18内有多个光电二极管，可以给出曲面聚光镜7的光学轴同太阳直射光之间在水平和俯仰两个方向的误差，并向控制单元发出误差信号。为了更有效地滤除红外线，在曲面聚光镜7、方向控制镜12表面进行冷镜镀膜处理。

曲面聚光镜7俯仰方向的运动是由俯仰执行电机20驱动的，俯仰执行电机20安装在基座21上，铰接杆14和15的一端分别同支架10和托架11铰接，另一端铰接在基座21上，丝杆13的固定端安装在方向控制镜联动杆17上，丝杆13通过俯仰执行电机轴20中心的螺母形成丝杆螺母传动机构，方向控制镜12安装在方向控制镜联动杆17上。俯仰方向运动过程如图3、4所示，当太阳2俯仰角度从a变化到a”时，控制系统向俯仰执行电机20发出转动方向和步距信号，俯仰执行电机通过丝杆螺母传动机构带动铰接杆14和15运动，调整支架10与托架11之间的角度，使曲面聚光镜7的光学轴俯仰变化角度为(a”-a)，在这个运动过程中，丝杆13的角度变化为(a”-a)/2，丝杆13的运动带动方向控制镜联动杆17，并使方向控制镜12俯仰角度变化为(a”-a)/2。通过这种联动调节，使得光束23的传播方向不随太阳俯仰位置的变化而改变。

在图5中，采光器件组和机械装配组件等器件均放置在防护罩24内，防护罩由有机玻璃、玻璃等透明物质制成，这些材料可以滤除阳光中的大部分紫外线。清洁臂25在水平旋转台16的带动下运动，清洁防护罩表面的灰尘，使防护罩保持高的光透过率。本实施例中安装了两个互相垂直的清洁臂25，是因为太阳水平角变化在多数地区小于180°，如果采用一个清洁臂25，将存在无法清洁的死角。

实施例二：

本实施例在实施例一基础上的改进是：在图6中，光接受器件采用光学透镜28，透镜28将太阳直射光3汇聚在方向控制镜12表面，经过方向控制镜12反射后成为一束发散光，该束光经过透镜29汇聚后成为平行光23，该束平行光始终照射到固定位置并通过窗前镜或光导纤维进入室内发散。

实施例三：

本实施例在实施例一基础上的改进是：在图7中，光采集器1将光传输到固定地点后，由光耦合器26将光进一步汇聚，并耦合入光导纤维27，通过光导纤维27传导进室内并发散用做照明。该实施例充分利用光纤高传输效率、柔软易于布线的优点，同时由于长距离光的传输是在空气中进行的，所以大大减少了光纤的使用量，较单纯使用光纤传输光的方式可以节省大量成本。

Claims (9)

1.一种阳光入室装置，主要由采光器件组、机械装配组件、清洁臂、防护罩、感光探测传感器、控制单元、水平执行电机及俯仰执行电机组成。其特征在于：采光器件组由采光器、方向控制镜、窗前镜、光耦合器、光导纤维组成，机械装配组件由水平旋转台、俯仰调节连接支杆组、丝杆螺母、方向控制镜联动杆组成，丝杆螺母传动在调整采光器俯仰角度的同时，带动采光器件组中的方向控制镜运动，水平旋转台在调整采光器水平角度的同时，带动清洁臂运动，采光器件组表面经过冷镜镀膜处理，将阳光中的红外线同可见光分离。装置将可见光汇聚后始终以固定路径传输到固定位置并进入室内发散以用做照明。

2.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述俯仰调节连接支杆组形成铰接结构，丝杆螺母传动机构同支杆铰接，丝杆同方向控制镜联动杆连接，方向控制镜光学轴在俯仰方向二分之一于采光器光学轴俯仰角角度变化。

3.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述采光器件组采用曲面聚光镜汇聚阳光，并通过曲面二次反射镜将光校正为平行光。

4.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述采光器件经过冷镜镀膜处理。

5.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述采光器件组采用透镜汇聚阳光。

6.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述防护罩外安装清洁臂。

7.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述汇聚后光通过窗前镜反射入室内。

8.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述汇聚后光通过光耦合器耦合进光导纤维，由光导纤维传输至室内发散。

9.根据权利要求1所述的阳光入室装置，其特征是：所述阳光中的红外线通过太阳能光伏电池转化为电能。

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