TW201135119A - Sun-tracking-type natural lighting system - Google Patents

Description

201135119 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 到^^—種太陽能追日式自然光照明系統’主要係、將自然光引 照明，且將一部份光能轉換為電能儲存起來供追日系统 用毛’错此達到無用電照明之目的。 【先前技術】

讲恭ίί來節能減碳的議題在世界各地如火如荼熱烈的展開著， 源、χ雷卜仍以風力、水力、地熱、潮沙、太陽能、再生能 ^你:車荨等為主題，且無論在國内或國外皆積極的在研發測 作彻’這些項目的·成功不僅可使廢氣排放降低， 石油及煤炭的消耗，更是追求綠色環境提高生活品質 °這其中太陽能可說是所有再生能源中最具開發 3 而台灣地處亞熱帶地區，因為太陽光—早便從四面 陽处二ί來’所以日照量豐*充足且日照時間長，非常適合太 方及光源取用之開發’因此若加以充分關發太陽能 再峰处’將可獲致安全、無污染兼酿濟發展與環境保護的 ====知道光的主要功能之—是照明，它提供了人類 可八Li*費=光源，而人類生活與照明的關係、是緊餘合牢不 昭二不可分之關係，使得在無光源的狀況下需要用到 “，^$正常的作息，尤其當今許許好的公司、行號及 相對的作Γ提供人類價廉物美的產品^ 加的处、田”、β用屯之沩耗罝與日俱增。在這個能源使用逐漸增 當今:二以能Ϊ消^並維持既有之照明品質’是 照明、㈡ίΓΐ國際建築和照明界的高度重視。在傳統建築 p且!5 IV龜竭盡所能在燈泡亮度上開發或選用高效率 ΐϊ被人等手段進行改善以達省電目的，然而長久 的疋有一種天然光源即是畫光(又稱自然光或天 4 Natural dayllght) ’它取之衫n絕完全免費，若以 201135119 有效率的·白晝自然光引進室内作為照明使用，可以大大 石化能源的耗損達到節能減碳，降低地球溫室效應的目的。為 應此一議題，各國的專家與研發團隊紛紛投入研究，豆 白' $引進建築物屋内利用的方式，大致可分為直接方g與間接g 式，直接方式就是將自然光引進屋内作照明使用；間接方 將太陽光轉為電能’再供照明系統使用。後者係再_ ^模組進行*電轉換’目其職效率低及設備成本高0缺點电 前者則因將太陽光直接導人室内應用，可以大幅提高太^光能 接制自然光來照明就不必使用電力或減少使 =而有㈣減&效果’進崎低石化騎使用，也就降低溫 ^因此自1983年以來，國際照明委員會先後召開了四次國際^ 杂採光學術會議，而美國環境保護局(EPA)則於聰 率 (〇Γ66η ，自此天雜光即是綠色照明的重要發展方向。 :二ίΓΙ照明系統，效能有限’為了提升引光 口而、纟σ合追日型之自然光照明系統逐被提倡。其中在追日统 太陽追蹤H以機構來分類可分為單軸驅動和雙軸驅動、’，一 擬太陽運行軌跡的效果會比單軸好，而控制驅動轉 二，分為被動式追蹤及主動式追蹤’所謂被動式追蹤 出太％運行的執跡’再使追縱器依照計算的軌跡運轉， ^為疋由控制器直接輸出訊號至驅動端，因此又稱為迴路 (op^lmp)。主動式追縱通常是由—個光感測⑽測太^位 ί口Ϊ ^能與太陽正交，由於輸㈣峨會與輸人的訊號做 =授，因此又稱為閉迴路控制（elQSecHQQp)。許⑼晶 ^5〇車/=動5追縱器提高發電能量，能比固定式太陽能模 需轉動三她置而非連續追縱，使發電效率 ί雷m，且有效率降低追縱器本身的耗能，也間接降低 a電成本。雙軸追縱器大多是以追縱為主[8,9]，祕⑽以雙軸 201135119 主動式追蹤器搭配拋物線槽狀集光器，並以仰角固定4〇。的拋物 線槽狀集光器做日照量收集比較，其中搭配雙軸追蹤器的集光器 所收集的日照量比採用固定式的集光器高約46%。雙軸被動^追^ [11]主要是能夠簡化控制流程，避免閉迴路控制中的雜訊干擾以 及天候衫響感測精度的問題，Abdallah和Ni jmeh[12]使用PLC做 為雙軸被動追蹤機構的控制器，以程式計算轨跡進行追蹤，其 驗以追縱搭載太陽直射計（pyran〇meter)和仰角固定犯。的太 陽直射計做直射日照量收齡較，發現追蹤Ε收集的日照量高於 固定式所收集的日照量約41%。目前雙軸追蹤器的追蹤模式逐 向結合主動式與被動式，一般稱為混合式追蹤[13]，其 以中央處理H (微電腦或控織）計算太陽的位置，在結 負；2的修正，因此天候為陰天的時候，追‘器的移 動不綠響，_依照計算出的軌跡進行追日；而處 的時候，由於是絲算出太陽位置在進行修正，所以比—般傳统 主，式追較絲，也比—般單純被賦追鮮確。纟於 太陽光直接導人室内之晝絲明應用，太陽光能之利用效率高’’ 因此^年來已有-些研究團隊實現’將太陽光直接導人室内麻用 以行？、、經濟效益、節省能源、元件是“ 、/費者接叉度等為考量，例如希臘Athens大學， APPl；ef Physics ^Tsangrassoulis

Fresnel透鏡與追日⑽結合，收集日光並經由光纖 導入至内的發光體提供室内照明，搭配兩個15〇 =光=入發光體，藉以補償日照不穩定或是亮度不二= i日/SHIMA刪Π5]配有太陽追縱功能的向日蔡集光 L pe及01artube利用金屬管來輸送光線的 土’ 以及吴國〇ak Ridge Hybrid s〇lar Ligh i補太陽光照日縣統’這類系統用人工照明 iff i度核之U ’其中—些已經成核品並與建 Λ赠顺㈣賴光雜_雜大，或元件繁複， 或疋集光比林南，由此可輯市場的接受度雜。因此未來新s 5 201135119 蝴™項：丨.結 便宜、县於*牛見比UspectRatl〇)至少需大於10;2·成本： 集光率ί大單純；3.效益：光損失低、均勻度高、 S用：ί於!知纖_尚有前述缺失，因此本 導引态追日控制器、雙軸追蹤機構、轉能应儲能系 變、消耗易操作、容易組褒與設置、又防雨水候 使用壽命長，^需大電力便能運作， ίίΐΐϊ糊後達到降低排碳目的，也解決習知技術的缺 失’真疋％保綠能科技的好產品。 【發明内容】 ，自aii?太陽能追日式自絲照明系統，主要包括光導引器、 Μ; Γ 1益、雙車由追縱機構、轉能與儲能系統、天候保護罩等機 追日㈣11感測光源方向’發出電訊使雙軸追蹤機 處Ϊ作’以利設於雙軸追縱機構之上的光導引器順利採

Sit 使用，並由紐罩防護雨水，整⑽統利用轉能 與儲π錢之太陽能板發_存至電池輸出供純細，因此屋 =光巧統都無需外部電力，達成節能、省碳、環保之綠能科 技產品特色。 本發明太陽能追日式自然細m能讓採光不佳的室内 在白天也可以採集到自然光，減少室内開燈機率，而且室内除了 把有害之备、外線過遽外，並保持在白晝時室内之採光昭 間更動約維持均勻相同亮度，使翻具有陽 ^ = 成機構元件、簡單輕巧、容祕作、料組裝與^置、又防雨水 候變、消耗的電池電力也少、使用壽命長，不需大電力便能運作， 供消費大眾大量運用後達到降低排碳目的。 【實施方式】 首先請參閱所有圖示，本發明一種太陽能追日式自然光照明 系統(Solar tracking skylight system for illumination )， 主要是利用追日系統將太陽光導入室内擴散照明使用，並保持在 201135119 白晝時室内之採光照明不受時間更動約維持均勻相同亮度，另一 部份將光能轉換為電能儲存起來’自給自足供追日系統應用，完 全不用外部電力，藉此達到零排碳的綠能科技產品，其實施時： ^發明太陽能追曰式自然光照明系統（參閱第1、2圖），主要 包括光導引器1、追曰控制器2、雙軸追蹤機構3、轉能與儲能系統 4、天候保護罩5等機構組成’本系統是以雙軸追蹤機構3作為基座 ，運作，該雙軸追蹤機構3具備一齒輪環3〇於其一側形成齒輪31， 该處聯結-馬達32，該馬賴㈣具有錄方便與錄環30之齒 輪31聯結以帶動齒輪環30作水平方向旋轉，在齒輪環3〇的上端面 設f至少-支桿33，該支桿33上設-橫桿34，並在其-端形成一 齒=35，該齒桿35處設一馬達36，由其含設的齒輪與齒桿35聯結 後帶動橫桿34作水平方向的旋轉，本雙轴追縱機構3因只有最簡單 ，馬達與齒輪，。的二維機構設計，具備了最少組成元件單元設 计’顯現出其簡單、輕巧、容易操作特性；光導引器丨設在雙轴追 縱機構3上’至少包括導光板及放光板^等組成，係以導光板 將光導引到放光板11 ’糊光反射、折射及散射的光學原理，直 接將光能導入屋内並擴散成為均勻光源為照明之用，也就是將 導光板10置於戶外將放光板11置於室内，當太陽升起便可以在戶 外將自然光引進，透過導光板10的全反射功能將光導到室内，然 後透過放光板11的折射功能將光以多角度的方式放射出去，為了 將太陽自然光反射至室内之效能_最大，導光板1G材料表面對 光之反射率要盡量大，且重量要輕，本發明應用高反射導光板材 料以紹、不鏽鋼拋光金屬板（如不銹鋼超薄鏡面板，或鍵錦塑 板）、玻璃鏡料來製作’而放光板η録光學則錢上__ 膜’應用光學擴散的原理將光均勻向下擴散，達成均勾放光3目^， 其中導光板_設於雙軸追賴構3之讀34上，祕光板 於雙軸追蹤機構3之齒輪環31内，當雙軸追蹤機構3動作苴；： 動導光，另外為了顧及陽光太強烈傷害室内人員身心可在= 徑上設H板12將有害歧如紫外料隔離，濾光仙的形 也可以是-觀黯是濾光玻鱗物可將有害光線_之物， 7 201135119 置的位置也可以於天候保護罩5的内表面或導光板1〇前、後表面等 地方，轉能與儲能系統4是將太陽光光能轉成電能的設備，設於雙 軸追蹤機構3—側，係由太陽能板4〇及儲能電池41組成，用以提供 追日控制器2及雙軸追蹤機構3系統用電能源，達到太陽能追曰式 自然光照明系統不需外界供電的目的，其中太陽能板4〇係多晶矽 材，可利用其材料特性受光時產生電位移而帶電，之後藉由本體 含设的導線將電能傳輸進入太陽能板底端含設之電路板42以利 用其接收整合的電能後進到電池41儲存與應用，其中，太陽能板 40可設在雙軸追蹤機構3之支桿34上隨著機構動作，取得更多的曰 照光源時間，獲仔更尚的電力以提升發電效力；追日控制器2是跟 縱太陽的追蹤系統，設於雙軸追蹤機構3一側，其位置可視需要設 在齒輪環30、放光板10或導光板Η等等位置，該追曰控制器2包括 "ί貞測光源用的光感測器數顆光敏電阻2〇及設於下端的電路板 21(參閱第2、3圖），該電路板至少設有舒密特電路22、ορα放大電 路23、惠斯登電橋電路24及相關的保護作用的電子元件，其中， 光敏電阻20又稱光傳導器或光感測器，是一種無極性分別的電子 元件具備感光特性，由於光傳導效應使得當它受到光照射時，它 的電阻值隨照射光度的強弱而改變，即光輻射強度越大，則其電 阻值越小’該舒密特電路22用以取得^及^訊號，主要是利^光 敏電阻20獲取之訊號輸入至舒密特電路22中之一區塊電路以比較 獲得〇:及γ訊號，該ΟΡΑ放大電路23係將前端舒密特電路22訊號作 適度的放大方便正確辨識、讀取及輸出，該惠斯登電橋電路^用 以驅動雙軸追蹤機構3之馬達32、36動作，其中，光敏電阻2〇是設 在系統的東、西、南、北四個方位，整個追日控制器2運作是由光 敏電阻20感受四方向的光源強弱後輸入至輸密特電路22比較分 析，進而進入OPA放大電路23放大辨識讀取及輸出訊號給惠斯登電 橋電路24用以驅動雙軸追蹤機構3之馬達32、36動作或不^作；天 候保護罩5設在雙軸追蹤機構3外緣將整個機構包覆住，防止強風 雨水進入系統破壞整個系統運作，該天候保護罩5係具透光特性方 便光源穿透使系統採光使用； ' ' 201135119 光照採能追曰式自然 動後系統會歸始原點，待開始運 疋 刖啟動系統，當啟 位，並發出電訊指揮雙轴‘^^月曰太^器2追縱太陽光方 内7作照明之用，並保持在白晝時室光源將光導入屋 維持均勻相同亮度走 先π月不凳時間更動約 確，統不受雨水浸钕損及第7圖），為了 將整個系統包覆著，而系统作’由天候保護罩5

二内光明不需使用電力照明免去了 用後可使電力使用降低達到=此:當大量使 的組成機構元件、因為簡單且輕巧、容易^盘< 部上本發明 該追3制曰式自然光照明系統6在大量使用時，

接太陽处ϋ 控制機設置即可（參閱第8圖），其它間 揮各間ϊί陽統8都不設，由主控制機輸出電訊指 樣可以ϊίϊϊ=2；^ί=ί統8之馬達32'36動作即可同 另外，Α τϊϋ的 省去該追曰控制器2零件成本費。 取得#次2了奸本㈣的使賴率，在某些特殊狀況下無法 徑資料:穿置25nfJ路板21内設置-個該地區-整年太陽路 功能的Sutfrf型太陽路徑晶片，或是具備該 記錄t 灣）太陽一整年路徑完整 運作時，則彔進去，當追日控制器2受某些環境影響無法發揮 白啟動該裝置使雙軸追蹤機構3動作朝太陽光方向轉動， 不合時間太陽光角度以採光，並依該路徑運作，使系統 个曰1Τ止運作’達到不停機之目的。 ％ 9 1 5 j 201135119 【圖式簡單說明】 第1圖本發明分解圖。 第2圖本發明追日控制器結構圖。 第3圖本發明追曰控制is電路結構圖。 第4圖本發明結構立體圖。 第5圖本發明追日動作1圖。 第6圖本發明追日動作2圖。 第7圖本發明導光實施例。 第8圖本發明多機實施主機控制應用模式圖。 附件1:文獻參考 【主要元件符號說明】 導光板10 濾光板12 光敏電阻20 舒密特電路22 惠斯登電橋電路24 雙軸追蹤機構3 嵩輪31 支桿33 齒桿35 轉能與儲能系統4 電池41 天候保護罩5 光導引器1 放光板11 追日控制器2 電路板21 0ΡΑ放大電路23 太陽路徑資料庫裝置25 齒輪環30 馬達32 横桿34 馬達36 太陽能板40 電路板42 太陽能追日式自然光照明系統6 屋内7 間接太陽能追日式自然光照明系統8 10

Claims (1)

1. 201135119 七、申請專利範圍： 1. -種太陽能追日式自然光照明系統(s〇lar㈣細邮郝 system for Urination )，主要包括光導弓丨器 、域倾罩賴構域，i雙^ Ϊ 備f輪環’於其-側形成齒輪，Μ聯結 ^設設切，紅耻雜桿，在-端設齒桿， 支桿ί導==:=:放=光板設: 遽光板隔财害规； /、先板光線路径上汉

   電路’ Μ光敏電阻於下端設 =追S^舒密特電路、。馳大電路、惠斯登電橋 池與麟^，細續能板及電 光特雙轴追蹤機構外緣將整個機構包覆住，具透 ，丨㈣成設於採光點後形成太陽能追日式自铁光昭明车續， ，幽‘不;二 餅2主ϊ^ϊί利範圍第1項所述之太陽能追日式自缺光昭明系 能系統、；4以二Τ器、雙軸追縱機構、轉能與儲 主控制機設曰控制器可以只於 “太陽能追:式== 板設置，以 201135119 受限無法運作時，啟動該裝置使雙軸追蹤機構動作， 該時間太陽絲度⑴絲，並_路疑作， 到 備齒輪環，於其一側形成齒鈐機構係基_，具 設支捍，該支桿上離桿，在，馬達’在錢環上端面 光導引器具備導朵t s在—端设齒桿，該處設馬達帶動； 支桿上，放光板f狄齒光板與遽光板，其中:導光板設於 遽光板隔離有害光線，另衣在導光板與放光板光線路徑上设 璃等物，可將有害光線^離光板可以是一種鍍膜或是濾光玻