專利名稱：簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自然光照明系統(tǒng)，特別是一種適合設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域用的簡化太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自古以來，人類為了獲得光明，一直想盡各種辦法獲取自然光，先后發(fā)明了反射鏡、導(dǎo)光管、光纖等采光技術(shù)，并且在相關(guān)方面不斷創(chuàng)新。
反射鏡傳光通常稱之為兩次反射法，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能價格比較高的采光方式。這種采光方式的典型應(yīng)用是將一塊平面反射鏡安裝在建筑物上部，另一塊反射鏡安裝在地面附近。當(dāng)陽光照射到建筑物上部的平面反射鏡后，被垂直反射向地面，照射到第二塊反射鏡，再將光反射進(jìn)室內(nèi)，從而達(dá)到采光目的。
本專利申請人多年來一直以建筑采光為課題，探索出多種采光照明技術(shù)，并對反射鏡采光技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。
在土地資源日益昂貴的今天，很多高層建筑為了獲取盡可能多的自然光，不得不耗費(fèi)寶貴的空間資源，設(shè)計(jì)出龐大的天井結(jié)構(gòu)。申請人發(fā)現(xiàn)，為了盡可能少的耗用空間資源，同時獲得理想的性能價格比，反射鏡采光成了類似天井這樣的被設(shè)定太陽光投射區(qū)域采光的最佳方式。
為此，本專利申請人曾于2002年12月3日提出名為《太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)》的專利申請(申請?zhí)枮?2148415.5)，對反射鏡采光技術(shù)的應(yīng)用做了比較詳細(xì)的論述，提出了可大幅度減少土地空間資源和平面反射鏡面積、并實(shí)現(xiàn)設(shè)定太陽光投射區(qū)域內(nèi)充滿準(zhǔn)直光的一整套技術(shù)方案該方案中的自動跟蹤太陽反射裝置由平面反射鏡、驅(qū)動平面反射鏡轉(zhuǎn)動的二維主、輔軸機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的處理電路組成(該裝置的自動跟蹤原理可以參見已授權(quán)發(fā)明專利《全自動跟蹤太陽的采光裝置》，其申請?zhí)枮?9114216.0、申請日為1999.05.19)。
此外，該方案中獨(dú)特的平面導(dǎo)軌運(yùn)動機(jī)構(gòu)含有布置在被設(shè)定的太陽投射柱狀區(qū)域上端口的導(dǎo)軌以及由處理電路控制、在導(dǎo)軌上運(yùn)動的基座，自動跟蹤太陽反射裝置中二維主、輔軸機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的底座安裝在基座上。該專利申請的技術(shù)方案依靠太陽光跟蹤技術(shù)和太陽光定位、間距、準(zhǔn)直傳感器的共同作用，可以將準(zhǔn)直太陽光充滿被設(shè)定太陽投射柱狀區(qū)域，大幅縮小了平面反射鏡面積，在原理上是正確的，具有較大創(chuàng)新性，也具有一定實(shí)用性，但申請人通過進(jìn)一步深入研究感到該方案還存在以下問題整體運(yùn)動環(huán)節(jié)多，控制系統(tǒng)過于復(fù)雜；驅(qū)動機(jī)構(gòu)多，系統(tǒng)成本還有下降空間。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述情況，本發(fā)明的首要目的在于提出一種可以將入射的平行太陽光通過平面反射鏡反射后投射到設(shè)定柱狀區(qū)域內(nèi)的簡化太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，并進(jìn)而通過安裝在設(shè)定柱狀區(qū)域內(nèi)的二次反射鏡反射進(jìn)入采光建筑內(nèi)照明利用。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提出一種以小面積、多片平面反射鏡實(shí)現(xiàn)設(shè)定投射柱狀區(qū)域充滿太陽光的簡化太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，尤其是解決本申請人此前申請的專利《太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)》中系統(tǒng)運(yùn)動環(huán)節(jié)復(fù)雜和驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)量過多的問題，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理、機(jī)構(gòu)更簡化、成本更降低。
為了達(dá)到上述首要目的，本發(fā)明簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)的基本技術(shù)方案為本系統(tǒng)包括平面反射鏡及其框架和安裝于設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)的二次反射鏡、調(diào)整平面反射鏡方位角和高度角的二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的處理電路、連接到處理電路的太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器，其中(A)所述二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的小車、Y形連桿、環(huán)形轉(zhuǎn)動架及約束環(huán)形轉(zhuǎn)動架運(yùn)動的環(huán)形軌道組成。其中Y形連桿兩分叉端分別鉸支于環(huán)形轉(zhuǎn)動架的兩外側(cè)壁，另一端與小車固連，環(huán)形軌道布置在被設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域上端口。(B)所述二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由連桿、電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的絲杠及其支撐架、螺母、豎直對稱固連于環(huán)形轉(zhuǎn)動架直徑方向上的兩組支架組成。支撐架與小車固連，絲杠鉸支于支撐架，連桿一端與平面反射鏡框架鉸接，另一端與可沿絲杠升降的螺母鉸接，框架兩側(cè)邊分別鉸支于兩組支架，兩鉸支點(diǎn)連線形成框架南北向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的回轉(zhuǎn)軸線。
工作時，本系統(tǒng)中的太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器將感受到的太陽光位置和反射光角度信號輸送到處理電路，處理電路通過電機(jī)驅(qū)動小車、Y形連桿、環(huán)形轉(zhuǎn)動架及其環(huán)形軌道組成的方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)，使平面反射鏡及其框架作東西方向的調(diào)整；與此同時，還通過電機(jī)驅(qū)動主要由連桿、絲杠及其支撐架、螺母、支架組成的高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)，使得平面反射鏡及其框架作南北方向的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對太陽的自動跟蹤，不斷將接收到的太陽光反射到被設(shè)定太陽光投射區(qū)域，再通過二次反射鏡將光反射進(jìn)室內(nèi)，達(dá)到采光目的。
與原先專利申請的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)相比，本發(fā)明以小車帶動環(huán)形轉(zhuǎn)動架沿環(huán)形軌道圍繞上端口旋轉(zhuǎn)的東西向運(yùn)動機(jī)構(gòu)代替了原先的二組直線主副導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和主軸機(jī)構(gòu)，以螺母帶動連桿沿絲杠而升降移動的南北向運(yùn)動機(jī)構(gòu)代替了原先的輔軸機(jī)構(gòu)，因此大幅度簡化了整體結(jié)構(gòu)，傳動更簡捷，運(yùn)動方式更清晰，原理也更簡單明了。
為了達(dá)到進(jìn)一步的發(fā)明目的，本發(fā)明系統(tǒng)含有三片以上奇數(shù)片的平面反射鏡及其伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述平面反射鏡中居中的一片中置反射鏡與鉸支在支架上的框架固連，可以隨框架繞回轉(zhuǎn)軸線回轉(zhuǎn)，其他反射鏡對稱分布于中置反射鏡前、后；所述伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)、齒輪組、絲杠螺母結(jié)構(gòu)、推板、滑竿和支撐套組成，對稱分布于中置反射鏡前、后的平面反射鏡兩側(cè)分別固連一根滑竿，所述滑竿插裝在固連于框架上的對應(yīng)支撐套內(nèi)，可沿著支撐套滑移。各滑竿的另一端分別與對應(yīng)的上、下推板固連，上、下推板與對應(yīng)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)中的螺母固連，各絲杠上分別固連相互嚙合的齒輪，其中一絲杠與電機(jī)減速機(jī)構(gòu)的輸出軸連接，電機(jī)減速機(jī)構(gòu)固定安裝于框架一端。
這樣，在電機(jī)動力的驅(qū)動下，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及滑竿和支撐套構(gòu)成的移動副，前、后兩片平面反射鏡可以中置反射鏡為中心，自動根據(jù)太陽高度位置，同時做相對或相反方向的伸縮運(yùn)動，以保證設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)始終充滿太陽準(zhǔn)直光。由于前、后反射鏡通過同一動力源驅(qū)動、且前后重量自相平衡，因此與原先專利申請中的機(jī)構(gòu)每片平面反射鏡附帶一套前后伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的技術(shù)方案相比，明顯減少了驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)量，而且解決了原先平面反射鏡向前伸出時懸臂過長以及必須加載配重的問題。
總之，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)充滿太陽準(zhǔn)直光，本發(fā)明的系統(tǒng)含有三套自成體系、又相互有機(jī)聯(lián)系的獨(dú)特機(jī)構(gòu)由小車帶動環(huán)形轉(zhuǎn)動架沿環(huán)形軌道圍繞端口旋轉(zhuǎn)的東西向運(yùn)動機(jī)構(gòu)；由螺母帶動連桿沿絲杠而升降移動的南北向運(yùn)動機(jī)構(gòu)；驅(qū)動前、后兩片平面反射鏡以中置反射鏡為中心，同時做相對或相反方向伸縮運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。這三套獨(dú)特機(jī)構(gòu)不僅使本發(fā)明的系統(tǒng)自動跟蹤太陽，始終保證設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)充滿太陽準(zhǔn)直光，而且整機(jī)結(jié)構(gòu)大大簡化、緊湊，由于在驅(qū)動同樣數(shù)量平面反射鏡時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的數(shù)量比原先減少50％以上，因此制造成本進(jìn)一步降低，更便于推廣應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，包括平面反射鏡12、13、14及其框架16和安裝于設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)的二次反射鏡(圖中未示出)、調(diào)整平面反射鏡方位角和高度角的二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的處理電路(圖中未示出)、太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器(圖中未示出)。其中調(diào)整平面反射鏡方位角和高度角的二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)分別為1、由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的小車6帶動環(huán)形轉(zhuǎn)動架3沿環(huán)形軌道1內(nèi)壁圍繞端口旋轉(zhuǎn)的東西向運(yùn)動機(jī)構(gòu)；2、由螺母9帶動連桿10沿由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的絲杠8升降移動的南北向運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
具體來說，二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的小車6、Y形連桿5、5’、環(huán)形轉(zhuǎn)動架3以及約束環(huán)形轉(zhuǎn)動架3運(yùn)動的環(huán)形軌道1組成。其中Y形連桿5、5’的兩分叉端分別鉸支于環(huán)形轉(zhuǎn)動架3的兩外側(cè)壁，另一端與小車6固連，環(huán)形軌道1的布置位置使其幾何中心與被設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域上端口(ABCD)幾何中心基本重合。為了降低對環(huán)形軌道1加工精度的要求，以降低成本，環(huán)形轉(zhuǎn)動架3的側(cè)面安裝有若干個可沿環(huán)形軌道1內(nèi)壁滾動的彈性小滾輪2。
二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由連桿10、由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的絲杠8及其支撐架7、螺母9、豎直對稱固連于環(huán)形轉(zhuǎn)動架3直徑方向上的兩組支架11組成。支撐架7與小車6上表面固連，絲杠8鉸支于支撐架7中，連桿10一端與平面反射鏡框架16鉸接，另一端與可沿絲杠8升降的螺母9鉸接，框架16兩側(cè)邊分別鉸支于兩組支架11，兩鉸支點(diǎn)連線形成框架16南北向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的回轉(zhuǎn)軸線OO’。
以上系統(tǒng)工作時，來自太陽光定位、準(zhǔn)直傳感器的探測信號通過處理電路的處理，分別控制二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)中方向角和高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，不斷通過東西向和南北向形成的復(fù)合運(yùn)動調(diào)整平面反射鏡的空間角度，使平面反射鏡始終跟蹤太陽，以便充分接收和反射太陽光。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)太陽高度很高、即高度角很大時，反射鏡的反射光投影面積變小，因此尺寸有限的單片平面反射鏡將無法全部照明被設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域。
為了解決這一問題，本系統(tǒng)還包括三片(或者三片以上奇數(shù)片)平面反射鏡12、13、14，中間一片平面反射鏡13固定安裝于兩鉸支點(diǎn)間的框架16上，可以通過框架16繞回轉(zhuǎn)軸線OO’回轉(zhuǎn)，形成中置反射鏡；另外的每兩片反射鏡12、14組成一組，對稱分布在此中置反射鏡13兩側(cè)，每組反射鏡12、14的兩側(cè)分別固連一根滑竿15，此滑竿15插裝在固連于框架16的支撐套23上，可以沿支撐套23滑行。每組兩片平面反射鏡12、14以中置反射鏡13為中心，可以同時做相對或相反方向伸縮運(yùn)動。驅(qū)動伸縮運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)21及其減速機(jī)構(gòu)22、齒輪組17、18、兩根絲杠20、20’、分別與各自絲杠嚙合并可沿其移動的兩個螺母19、19’、與滑竿15另一端固連的兩塊推板24、24’組成。電機(jī)21及其減速機(jī)構(gòu)22固定安裝于框架16一端，減速機(jī)構(gòu)22的輸出軸與其中一根絲杠20’固連，每根絲杠上固連一個齒輪，每個螺母與對應(yīng)的推板固連。這樣，當(dāng)減速機(jī)構(gòu)22的輸出軸帶動絲杠20’旋轉(zhuǎn)時，螺母19’沿絲杠20’移動，進(jìn)而帶動推板24’運(yùn)動，使得滑竿15沿框架16上的支撐套23滑行；同時由于齒輪組17、18的反向轉(zhuǎn)動傳遞作用，巧妙地實(shí)現(xiàn)了平面反射鏡14做與反射鏡12相反或相對方向的運(yùn)動，從而使三片反射鏡共同反射太陽光，將設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域ABCD充滿。
關(guān)于本發(fā)明太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器的結(jié)構(gòu)、原理以及控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的處理電路原理在此前申請的專利《太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)》中有詳細(xì)描述，此處不再贅述。值得一提的是，本發(fā)明二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)跟蹤太陽的運(yùn)動與平面反射鏡組及其伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)不是簡單的疊加，而是有機(jī)的結(jié)合，因此可以最大限度地利用太陽光進(jìn)行設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域的充分照明。
除以上實(shí)施例外，本發(fā)明還有其他多種實(shí)施方式。例如，環(huán)形轉(zhuǎn)動架約束于環(huán)形軌道外壁，從而由沿環(huán)形軌道內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)改為沿外壁旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動平面反射鏡前后伸縮運(yùn)動的絲杠螺母機(jī)構(gòu)改為螺母旋轉(zhuǎn)、絲杠移動的方案等等。凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所做的等同替換或類似組合變換均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，包括平面反射鏡及其框架和安裝于設(shè)定太陽光投射柱狀區(qū)域內(nèi)的二次反射鏡、調(diào)整平面反射鏡方位角和高度角的二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的處理電路、連接到處理電路的太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器，其特征在于(A)所述二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的小車、Y形連桿、環(huán)形轉(zhuǎn)動架及約束環(huán)形轉(zhuǎn)動架運(yùn)動的環(huán)形軌道組成；其中Y形連桿兩分叉端分別鉸支于環(huán)形轉(zhuǎn)動架的兩外側(cè)壁，另一端與小車固連，環(huán)形軌道布置在被設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域上端口；(B)所述二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由連桿、電機(jī)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的絲杠及其支撐架、螺母、豎直對稱固連于環(huán)形轉(zhuǎn)動架直徑方向上的兩組支架組成；其中支撐架與小車固連，絲杠鉸支于支撐架，連桿一端與平面反射鏡框架鉸接，另一端與可沿絲杠升降的螺母鉸接，框架兩側(cè)邊分別鉸支于兩組支架，兩鉸支點(diǎn)連線形成框架南北向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的回轉(zhuǎn)軸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，其特征在于還含有三片以上奇數(shù)片的平面反射鏡及其伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)；所述平面反射鏡中居中的一片中置反射鏡與鉸支在支架上的框架固連，其他反射鏡對稱分布于中置反射鏡前、后；所述伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)減速機(jī)構(gòu)、齒輪組、絲杠螺母結(jié)構(gòu)、推板、滑竿和支撐套組成，對稱分布于中置反射鏡前、后的平面反射鏡兩側(cè)分別固連一根滑竿，所述滑竿插裝在固連于框架上的對應(yīng)支撐套內(nèi)，各滑竿的另一端分別與對應(yīng)的上、下推板固連，上、下推板與對應(yīng)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)中的螺母固連，各絲杠上分別固連相互嚙合的齒輪，其中一絲杠與電機(jī)減速機(jī)構(gòu)的輸出軸連接，電機(jī)減速機(jī)構(gòu)固定安裝于框架一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形轉(zhuǎn)動架的側(cè)面安裝可沿環(huán)形軌道側(cè)壁滾動的彈性小滾輪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)形轉(zhuǎn)動架約束于環(huán)形軌道側(cè)壁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適合設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域用的簡化太陽光跟蹤反射、定位準(zhǔn)直采光照明系統(tǒng)，屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括平面反射鏡及其框架、二次反射鏡、二維機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、處理電路、太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器。其中由電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的小車帶動環(huán)形轉(zhuǎn)動架沿環(huán)形軌道圍繞端口旋轉(zhuǎn)的東西向運(yùn)動機(jī)構(gòu)調(diào)整平面反射鏡方位角，螺母帶動連桿沿由電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動的絲杠而升降移動的南北向運(yùn)動機(jī)構(gòu)調(diào)整平面反射鏡高度角。本發(fā)明在太陽光定位和準(zhǔn)直傳感器、控制處理電路的作用下，將準(zhǔn)直太陽光充滿被設(shè)定的太陽光投射柱狀區(qū)域，系統(tǒng)運(yùn)動環(huán)節(jié)緊湊、精練，驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)量大幅減少，成本進(jìn)一步降低，有推廣應(yīng)用的良好前景。
文檔編號F21V13/04GK1519504SQ03112730
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
發(fā)明者張耀明, 張文進(jìn), 孫利國, 劉曉暉, 陳強(qiáng), 張振遠(yuǎn), 徐明泉 申請人:張耀明, 張振遠(yuǎn), 南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司