專利名稱：陽(yáng)光入室裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種將陽(yáng)光傳輸進(jìn)室內(nèi)以改善室內(nèi)日間采光的裝置，尤其是能夠始終以最大光接收面積接收陽(yáng)光并將陽(yáng)光傳輸?shù)绞覂?nèi)的裝置。
克雷曼(Kliman)申請(qǐng)的美國(guó)專利4349245給出了一種將陽(yáng)光反射到室內(nèi)的裝置。這個(gè)裝置通過(guò)控制系統(tǒng)控制一個(gè)主反射鏡將太陽(yáng)直射光始終以固定角度反射到次反射鏡上，并由通過(guò)建筑頂部的開(kāi)孔進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到利用陽(yáng)光改善室內(nèi)照明的目的。該裝置的主要缺陷在于只適用于直接處于建筑物屋頂下面樓層的房間；由于是直接使用反射鏡將光反射到次反射鏡上，太陽(yáng)直射光同反射鏡之間必須存在一個(gè)夾角，這就使設(shè)備的有效光接收面積減小，光接收器的利用效率很低。由于太陽(yáng)能設(shè)備隨著光接受器件面積增大成本亦迅速增加，所以如果要滿足更大面積的照明需求，現(xiàn)存的這種方式將導(dǎo)致設(shè)備成本大大提高。另外，該裝置安裝在建筑的頂部，為了獲得較大的光收集量并將光傳輸?shù)绞覂?nèi)，需要在建筑頂部鑿開(kāi)與光接受面面積相等的孔洞，這將破壞建筑頂部的建筑結(jié)構(gòu)，而且，開(kāi)的孔洞越大，其成本也就越高，同時(shí)孔洞過(guò)大還帶來(lái)安全隱患問(wèn)題，因?yàn)楸I賊很容易從裝置的孔洞進(jìn)入室內(nèi)。
另一方面，現(xiàn)有的陽(yáng)光照明裝置對(duì)于引入室內(nèi)太陽(yáng)光光譜沒(méi)有進(jìn)行有效的控制。陽(yáng)光中除了可見(jiàn)光以外，還含有大量的紅外線和紫外線，其中紅外線的熱能較高，如果在天氣炎熱的季節(jié)將紅外線不加選擇地引導(dǎo)至室內(nèi)，無(wú)疑會(huì)使室內(nèi)溫度升高，增加制冷能耗，在這種情況下不僅不能節(jié)省能源，反而會(huì)增加能源消耗；陽(yáng)光中含有大量紫外線，如果不加選擇地將紫外線引入室內(nèi)，就會(huì)對(duì)人體造成傷害。
現(xiàn)有的陽(yáng)光照明裝置都沒(méi)有考慮到裝置的清潔問(wèn)題。這些裝置都安裝在室外，暴露在自然條件下，灰塵在裝置上的積累會(huì)嚴(yán)重影響裝置的工作，降低光傳輸效率。所以非常有必要設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)清潔器件的裝置。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的陽(yáng)光入室裝置包括以下幾個(gè)部分采光器件組、機(jī)械裝配組件、清潔臂、防護(hù)罩、感光探測(cè)傳感器、控制單元、水平執(zhí)行電機(jī)及俯仰執(zhí)行電機(jī)。采光器件組包括曲面聚光鏡、曲面二次反射鏡、方向控制鏡以及窗前鏡。機(jī)械裝配組件包括水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組、絲桿螺母、方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿。
曲面二次反射鏡通過(guò)支撐桿安裝在曲面聚光鏡的焦點(diǎn)，支撐桿的長(zhǎng)度可以微調(diào)。曲面聚光鏡通過(guò)俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組安裝在水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組由支架、兩個(gè)鉸接桿、俯仰執(zhí)行電機(jī)基座、水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的托架、方向方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿組成，其中支架與水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的托架以及兩個(gè)鉸接桿絞接，俯仰執(zhí)行電機(jī)基座同兩個(gè)鉸接桿的鉸連。方向控制鏡固定與方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿固連，方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿兩端插裝在水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)的托架中，絲桿的固定端安裝在方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿上并同絲桿形成聯(lián)動(dòng)。感光探測(cè)傳感器和太陽(yáng)能光伏電池安裝在曲面二次反射鏡反射面后面。
裝置工作時(shí)，感光探測(cè)傳感器向控制系統(tǒng)提供太陽(yáng)位置信息，當(dāng)太陽(yáng)直射光同曲面聚光鏡的光學(xué)軸不平行時(shí)，由控制系統(tǒng)向執(zhí)行電機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)信號(hào)，調(diào)整曲面聚光鏡的光學(xué)軸并使其與太陽(yáng)直射光保持平行。其中俯仰執(zhí)行電機(jī)通過(guò)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)使俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組帶動(dòng)曲面聚光鏡俯仰方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿帶動(dòng)方向控制鏡以二分之一于曲面聚光鏡運(yùn)動(dòng)角度的關(guān)系運(yùn)動(dòng)；水平執(zhí)行電機(jī)接收到運(yùn)動(dòng)信號(hào)后，帶動(dòng)安裝在水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的機(jī)械配件組以及清潔臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)上述兩維運(yùn)動(dòng)，可以使曲面聚光鏡始終正對(duì)太陽(yáng)，太陽(yáng)直射光同曲面聚光鏡的光學(xué)軸平行。陽(yáng)光被曲面聚光鏡反射后發(fā)生匯聚，曲面二次反射鏡安裝在曲面聚光鏡的焦點(diǎn)，匯聚后的陽(yáng)光經(jīng)過(guò)曲面二次反射鏡的反射后被校正為平行光，該束光被反射到方向控制鏡上后，由方向控制鏡以固定傳播路徑反射到固定位置，并最終通過(guò)窗前鏡進(jìn)入室內(nèi)并在需要的場(chǎng)所發(fā)散。這樣，雖然太陽(yáng)位置不斷發(fā)生變化，該裝置可以將聚光鏡最大面積接收到的陽(yáng)光傳輸?shù)焦潭ㄎ恢貌⑦M(jìn)入室內(nèi)。
裝置中各反射鏡均經(jīng)過(guò)冷鏡鍍膜處理，使紅外線大部分透過(guò)反射鏡表面而不被反射，反射的主要是可見(jiàn)光。在曲面二次反射鏡的反射面后安裝太陽(yáng)能光伏電池，將透過(guò)發(fā)射面的紅外線轉(zhuǎn)化為電能，不僅可以為設(shè)備自身提供電力，多余的電能還可以儲(chǔ)存以滿足其他設(shè)備的需求。，調(diào)節(jié)曲面二次反射鏡在曲面聚光鏡焦點(diǎn)的位置就可以調(diào)整反射后光斑的大小。
在本實(shí)用新型上述方案基礎(chǔ)上的更進(jìn)一步改進(jìn)是使用透鏡作為光接受器件，光通過(guò)透鏡的折射后發(fā)生匯聚，匯聚后的光經(jīng)過(guò)方向控制鏡的反射后為發(fā)散光，經(jīng)過(guò)校正透鏡校正為平行光后傳輸?shù)焦潭ㄎ恢谩８倪M(jìn)方案的其他結(jié)構(gòu)及工作原理同上述方案基本相同。
值得一提的是，光進(jìn)入室內(nèi)不僅可以通過(guò)窗前鏡反射入室內(nèi)，還可以通過(guò)使用光耦合器將上述裝置傳輸過(guò)來(lái)的光耦合進(jìn)光導(dǎo)纖維，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳輸進(jìn)室內(nèi)。光導(dǎo)纖維非常柔軟，易于安裝，并且由于其全反射特點(diǎn)，所以光傳輸效率高。在本實(shí)用新型中可以使用石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖或者液芯光纖等。
本實(shí)用新型的有益效果是光收集器始終以最大接收面積接收陽(yáng)光，并將光始終傳輸?shù)焦潭ㄎ恢?，使光收集器的面積得到最大效率的利用，有效降低了成本；在設(shè)備中使用鍍膜反射鏡將紅外線同可見(jiàn)光分離，利用防護(hù)罩濾除了陽(yáng)光中的紫外線，使進(jìn)入室內(nèi)的光更符合照明需求，將紅外線轉(zhuǎn)化為電能，提高了能量利用效率；安裝了清潔臂，使裝置的日常維護(hù)工作量減少，降低了使用成本；設(shè)備安裝的位置更加靈活，可以適應(yīng)各種建筑形式的需求，尤其可以應(yīng)用于目前為數(shù)眾多的高層建筑，解決了現(xiàn)有陽(yáng)光采光裝置只能應(yīng)用于低層建筑，并需要對(duì)建筑頂部結(jié)構(gòu)破壞的狀況；本實(shí)用新型的裝置將陽(yáng)光匯聚后進(jìn)行傳輸，減少了次級(jí)反射裝置的尺寸，不僅可以降低成本，而且不會(huì)影響建筑外觀。綜上所述，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，適合各種建筑形式的大面積采光需求，是一套完整的采光解決方案，推廣后將產(chǎn)生較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
圖2是實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、4是實(shí)施例一俯仰運(yùn)動(dòng)原理圖。
圖5是防護(hù)罩與清潔臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例二結(jié)構(gòu)原理圖。
圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例三建筑安裝示意圖。
圖2-4示意了本實(shí)施例光采集器1結(jié)構(gòu)與工作原理。圖2中，曲面聚光鏡7通過(guò)支架10鉸接在水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)16的托架11上，水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)16由水平執(zhí)行電機(jī)22驅(qū)動(dòng)，可以在A-A”雙方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以完成裝置在水平方向?qū)μ?yáng)位置的跟蹤。曲面二次反射鏡8由三條支撐桿9固定在曲面聚光鏡的焦點(diǎn)附近，支撐桿9的長(zhǎng)度可以微調(diào)，曲面二次反射鏡8反射面背部安裝太陽(yáng)能光伏電池19和感光探測(cè)傳感器18，曲面二次反射鏡8表面經(jīng)過(guò)冷鏡鍍膜處理，這種鍍膜可以使紅外線穿過(guò)反射鏡，而將大部分可見(jiàn)光反射，紅外線穿過(guò)反射鏡后，被后面的太陽(yáng)能光伏電池19吸收并轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行儲(chǔ)存。感光探測(cè)器18內(nèi)有多個(gè)光電二極管，可以給出曲面聚光鏡7的光學(xué)軸同太陽(yáng)直射光之間在水平和俯仰兩個(gè)方向的誤差，并向控制單元發(fā)出誤差信號(hào)。為了更有效地濾除紅外線，在曲面聚光鏡7、方向控制鏡12表面進(jìn)行冷鏡鍍膜處理。
曲面聚光鏡7俯仰方向的運(yùn)動(dòng)是由俯仰執(zhí)行電機(jī)20驅(qū)動(dòng)的，俯仰執(zhí)行電機(jī)20安裝在基座21上，鉸接桿14和15的一端分別同支架10和托架11鉸接，另一端鉸接在基座21上，絲桿13的固定端安裝在方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿17上，絲桿13通過(guò)俯仰執(zhí)行電機(jī)軸20中心的螺母形成絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，方向控制鏡12安裝在方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿17上。俯仰方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖3、4所示，當(dāng)太陽(yáng)2俯仰角度從a變化到a”時(shí)，控制系統(tǒng)向俯仰執(zhí)行電機(jī)20發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步距信號(hào)，俯仰執(zhí)行電機(jī)通過(guò)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉸接桿14和15運(yùn)動(dòng)，調(diào)整支架10與托架11之間的角度，使曲面聚光鏡7的光學(xué)軸俯仰變化角度為(a”-a)，在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，絲桿13的角度變化為(a”-a)/2，絲桿13的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿17，并使方向控制鏡12俯仰角度變化為(a”-a)/2。通過(guò)這種聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，使得光束23的傳播方向不隨太陽(yáng)俯仰位置的變化而改變。
在圖5中，采光器件組和機(jī)械裝配組件等器件均放置在防護(hù)罩24內(nèi)，防護(hù)罩由有機(jī)玻璃、玻璃等透明物質(zhì)制成，這些材料可以濾除陽(yáng)光中的大部分紫外線。清潔臂25在水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)16的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，清潔防護(hù)罩表面的灰塵，使防護(hù)罩保持高的光透過(guò)率。本實(shí)施例中安裝了兩個(gè)互相垂直的清潔臂25，是因?yàn)樘?yáng)水平角變化在多數(shù)地區(qū)小于180°，如果采用一個(gè)清潔臂25，將存在無(wú)法清潔的死角。
實(shí)施例二本實(shí)施例在實(shí)施例一基礎(chǔ)上的改進(jìn)是在圖6中，光接受器件采用光學(xué)透鏡28，透鏡28將太陽(yáng)直射光3匯聚在方向控制鏡12表面，經(jīng)過(guò)方向控制鏡12反射后成為一束發(fā)散光，該束光經(jīng)過(guò)透鏡29匯聚后成為平行光23，該束平行光始終照射到固定位置并通過(guò)窗前鏡或光導(dǎo)纖維進(jìn)入室內(nèi)發(fā)散。
實(shí)施例三本實(shí)施例在實(shí)施例一基礎(chǔ)上的改進(jìn)是在圖7中，光采集器1將光傳輸?shù)焦潭ǖ攸c(diǎn)后，由光耦合器26將光進(jìn)一步匯聚，并耦合入光導(dǎo)纖維27，通過(guò)光導(dǎo)纖維27傳導(dǎo)進(jìn)室內(nèi)并發(fā)散用做照明。該實(shí)施例充分利用光纖高傳輸效率、柔軟易于布線的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于長(zhǎng)距離光的傳輸是在空氣中進(jìn)行的，所以大大減少了光纖的使用量，較單純使用光纖傳輸光的方式可以節(jié)省大量成本。
權(quán)利要求1.一種陽(yáng)光入室裝置，主要由采光器件組、機(jī)械裝配組件、清潔臂、防護(hù)罩、感光探測(cè)傳感器、控制單元、水平執(zhí)行電機(jī)及俯仰執(zhí)行電機(jī)組成。其特征在于采光器件組由采光器、方向控制鏡、窗前鏡、光耦合器、光導(dǎo)纖維組成，機(jī)械裝配組件由水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)、俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組、絲桿螺母、方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿組成，絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)在調(diào)整采光器俯仰角度的同時(shí)，帶動(dòng)采光器件組中的方向控制鏡運(yùn)動(dòng)，水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)在調(diào)整采光器水平角度的同時(shí)，帶動(dòng)清潔臂運(yùn)動(dòng)，采光器件組表面經(jīng)過(guò)冷鏡鍍膜處理，將陽(yáng)光中的紅外線同可見(jiàn)光分離。裝置將可見(jiàn)光匯聚后始終以固定路徑傳輸?shù)焦潭ㄎ恢貌⑦M(jìn)入室內(nèi)發(fā)散以用做照明。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述俯仰調(diào)節(jié)連接支桿組形成鉸接結(jié)構(gòu)，絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)同支桿鉸接，絲桿同方向控制鏡聯(lián)動(dòng)桿連接，方向控制鏡光學(xué)軸在俯仰方向二分之一于采光器光學(xué)軸俯仰角角度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述采光器件組采用曲面聚光鏡匯聚陽(yáng)光，并通過(guò)曲面二次反射鏡將光校正為平行光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述采光器件經(jīng)過(guò)冷鏡鍍膜處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述采光器件組采用透鏡匯聚陽(yáng)光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述防護(hù)罩外安裝清潔臂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述匯聚后光通過(guò)窗前鏡反射入室內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述匯聚后光通過(guò)光耦合器耦合進(jìn)光導(dǎo)纖維，由光導(dǎo)纖維傳輸至室內(nèi)發(fā)散。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽(yáng)光入室裝置，其特征是所述陽(yáng)光中的紅外線通過(guò)太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)化為電能。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可以自動(dòng)跟蹤并始終以光收集器最大面積匯集陽(yáng)光，并將光始終以固定角度傳輸?shù)焦潭ㄎ恢眠M(jìn)入室內(nèi)發(fā)散的陽(yáng)光入室裝置。裝置由采光器件組、機(jī)械裝配組件、清潔臂、防護(hù)罩、感光探測(cè)傳感器、控制單元、水平執(zhí)行電機(jī)及俯仰執(zhí)行電機(jī)組成。裝置將陽(yáng)光中的可見(jiàn)光傳輸?shù)叫枰膱?chǎng)所用做室內(nèi)日間照明，將紅外線轉(zhuǎn)化為電能，裝置還具有自動(dòng)清潔功能。另外，裝置將光匯聚后進(jìn)行傳輸，減少了次級(jí)反射的尺寸，使裝置對(duì)建筑外觀影響減少。裝置適合各種高層建筑和大面積建筑，成本低，效率高，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)F21S11/00GK2555455SQ02238388
公開(kāi)日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2002年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月4日
發(fā)明者譚洪源 申請(qǐng)人:譚洪源