專利名稱：全自動跟蹤太陽的采光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種跟蹤采集太陽光的裝置，尤其是一種自動跟蹤太陽采集太陽光的裝置。
太陽光是自然界取之不盡、用之不竭的天然能源，至今人類對太陽光的利用還基本停留在自然光照明的初級階段。事實上，對太陽光進行有效采集、合理利用，其前景廣闊、意義深遠。例如，可以將有效采集到的太陽光送到彈藥庫、油庫、礦井、煤氣房等既需要照明，又嚴格要求安全的場所，從而既經濟又合理地解決上述場所的照明問題。經檢索發現，日本三洋電機株式會社于1995年5月30日在中國申請了申請號為95107312.5、名稱為《太陽光采光裝置及控制該太陽光采光裝置的太陽光采光控制裝置》。該申請公開了一種“將一塊或多塊采光棱鏡按照規定的間隔旋轉自如地裝在采光部器中”的采光裝置，以及一種含有“太陽位置檢測裝置及微機等運算存儲裝置構成的中央處理裝置、光軸傳感器”的采光控制裝置。上述專利公開的技術方案采用類似小孔成像的光軸傳感器探測太陽的高度位置，再通過含有微機的中央處理電路處理后，驅動機械裝置實現采光棱鏡的自動對日跟蹤。該方案存在以下兩大主要問題首先是感光探測裝置不夠科學，因而使得整個裝置結構十分復雜，造價昂貴，難以推廣應用，不適合我國國情；其次是采集的太陽光無法輸送到任意所需場所，因而用途有限。
本發明的首要目的在于針對上述現有技術存在的問題，提出一種感光探測裝置科學合理因而使得整機結構簡單、經濟實用的全自動跟蹤太陽的采光裝置。
本發明進一步的目的在于提出一種不僅可以自動跟蹤采光，而且可以十分方便地將采集到的太陽光傳輸到需要處的全自動跟蹤太陽的采光裝置(以下敘述中簡稱全自動跟蹤采光裝置)。
為了達到上述首要發明目的，本發明的全自動跟蹤采光裝置是通過以下技術方案實現的
該裝置的主要構成部分為聚光采光器、驅動聚光采光器轉動的機械傳動裝置、控制機械傳動裝置的光信號反饋處理電路、向光信號反饋處理電路傳送探測信號的光敏探測器，其特點是聚光采光器可以繞交叉的主軸和驅動機構裝在主軸上的輔助軸轉動，光敏探測器至少由四組位于聚光元件的軸向會聚光斑四周四個方位的光敏接收器件和聚光元件組成。
為了達到進一步的目的，本發明的全自動跟蹤采光裝置聚光采光器的中心軸(以下簡稱光軸)聚焦位置上裝有光學臺錐采光頭，光學臺錐可以是光導纖維臺錐或光學玻璃臺錐，該光學臺錐下底對著聚光光線、光學臺錐上底與傳光光導纖維束輸入端耦合。這種安裝了光學臺錐采光頭的全自動跟蹤采光裝置不僅可以自動跟蹤太陽、采集陽光，而且可以通過聚光采光器聚焦處的光學臺錐經光導纖維束將采集到的陽光輸送到需要照明的地方。由于不會像通電照明那樣產生電火花，因此這種全自動跟蹤采光裝置非常適合彈藥庫、油庫、礦井、煤氣房等場所使用，既節省能源，又十分安全。此外，光學臺錐具有良好的隔熱作用，可以避免光導纖維輸入端過熱，延長其使用壽命。
安裝時，本發明全自動跟蹤采光裝置的主軸成南北方向，輔助軸與主軸垂直。調整之后，太陽入射光應當與聚光采光器的光軸平行，此時光敏探測器聚光元件的會聚光斑位于四組光敏接收器件的中部。當聚光采光器對日偏斜，即聚光采光器的光軸與太陽入射光線呈現夾角時，光敏探測器中聚光元件的會聚光斑將落在一組或兩組光敏接收器件上，從而使其感知太陽光相對于聚光采光器光軸的偏斜方向，并通過光信號反饋處理電路控制機械傳動裝置，驅使聚光采光器繞主軸或輔助軸轉動，直至聚光采光器對準太陽為止。由于本發明的光敏探測器通過探測太陽光的入射角而不是通過測定太陽的高度位置進行控制，同時借助主軸及與主軸聯動的輔助軸機械結構實現聚光采光器的對日跟蹤，因此與現有技術相比，無需繁瑣的運算電路以及復雜的機械傳動，便于實施，成本低廉，從而也就顯得科學合理得多。
在本發明上述技術方案基礎上的進一步改進是四組光敏接收器件均由光導纖維束構成的光纖接收器和光敏元件組成，各組光導纖維束的輸入端安裝在光學臺錐采光頭四周，并組合成封閉的環狀，每組光導纖維束的輸出端分別與對應的光敏元件耦合。這樣，無論太陽光朝那個方向偏斜，即無論會聚光斑朝那個方向位移，都必將經過光纖接收器，將光信號傳給對應的光敏元件，避免了光敏元件分布不合理產生“盲區”導致漏測，從而保證了全自動跟蹤采光裝置工作可靠、性能穩定。
在本發明上述技術方案基礎上的更進一步改進是還含有四組可以在太陽入射光相對于聚光采光器光軸偏斜很大時起監測作用的大范圍光敏探測器，該大范圍光敏探測器聚光元件與光敏接受器件為一體，分別安裝在聚光采光器周圍的四個方位上。這樣，原方案中的光敏探測器可以制作得更為小巧，為區別起見稱為小范圍光敏探測器。當聚光采光器對日偏斜較大，即聚光采光器的光軸與太陽光線呈較大夾角時，會聚光斑落在小范圍光敏探測器光纖接收器外。在此情況下，必有至少一組、最多二組大范圍光敏探測器將直接感知陽光。光信號反饋處理電路得此光信號后，將控制機械傳動裝置運動，使聚光采光器繞主軸或輔助軸朝減小對日偏斜的方向運動，直至聚光采光器的光軸與太陽光線夾角較小、會聚光斑進入小范圍光敏探測器光纖接收器內。此時，光信號反饋電路將根據小范圍光敏探測器傳來的感光信號繼續控制機械傳動裝置運動，使聚光采光器繞主軸或輔助軸朝減小對日偏斜的方向運動，直至聚光采光器的光軸與太陽光線平行為止。這種大范圍和小范圍光敏探測器的有機組合方式，可以充分發揮小范圍光敏探測器的精確定位控制作用，提高全自動跟蹤采光裝置的精度，實現聚光采光器的精確對日跟蹤。
值得一提的是，上述技術方案中聚光采光器可以是曲面反射鏡、菲涅耳透鏡、凸透鏡等；光敏元件可以是光敏二極管、光敏三極管、光電池、光敏電阻等；光導纖維束可以是多組份玻璃光導纖維、石英光導纖維、聚合物光導纖維、液芯光導纖維等。
綜上所述，可以看出，本發明的設計方案科學合理，經濟實用，適合我國國情，推廣之后將產生較高的社會效益和經濟效益。
下面結合附圖及實施例對本發明的技術方案作進一步詳細說明。
圖1是本發明實施例一的結構示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是實施例一的光信號反饋處理電路原理圖。
圖4是實施例一光學臺錐處的立體放大圖。
圖5是實施例一中大范圍光敏探測器的放大結構示意圖。
圖6是實施例二的小范圍光敏探測器結構示意圖。
圖7是實施例二光敏探測器位置示意圖。
圖8是圖7的俯視圖。
圖9是實施例三的光敏探測器結構示意圖。
圖10是實施例三光敏探測器位置示意圖。
圖11是圖10的俯視圖。
實施例一圖1至圖5中1是作為聚光采光器的曲面反射鏡，2是鍍鋁反射層，3是光學臺錐，4是輔助軸，6是傳光用的聚合物光纖，7是弓形支架，8是主軸，9是主軸可逆電機，10和11是主軸蝸桿蝸輪副，12是輔助軸蝸輪，12-1是螺桿，13是輔助軸可逆電機，14是往復螺母，14-1是往復螺母滑鍵，14-2是轉動銷，17是輔助軸蝸桿，19是圓輪，19-1是圓輪滑鍵，20是連桿，21-24是光纖接收器，25-28是光敏二極管，29-32是四組大范圍光敏探測器。
實施例一中的全自動跟蹤采光裝置主要由聚光采光器、驅動聚光采光器轉動的機械傳動裝置、控制機械傳動裝置的光信號反饋處理電路、向光信號反饋處理電路傳送探測信號的光敏探測器組成。
其中，聚光采光器采用曲面反射鏡1實現，該反射鏡上鍍有可以增強反射效果的鍍鋁反射層2，并支撐在弓形支架7的輔助軸4上，弓形支架7與主軸8固連。這樣，曲面反射鏡1可以通過繞主軸與輔助軸轉動，使其幾何中心的光軸對準任意方向。曲面反射鏡1的軸向會聚光斑處裝有作為采光頭的光學臺錐3，該光學臺錐下底與聚光采光器聚焦點重合，其上底與傳光光導纖維束耦合。這樣放置的光學臺錐既可以增強集光能力，又可以起隔熱作用。
驅動聚光采光器轉動的機械傳動裝置主要由主軸蝸桿蝸輪副10和11、輔助軸蝸桿17、輔助軸蝸輪12、螺桿12-1、往復螺母14、圓輪19、連桿20構成。其中，主軸蝸桿10直接由主軸可逆電機9帶動，主軸蝸輪11與主軸8固連。輔助軸蝸桿17直接由輔助軸可逆電機13帶動，輔助軸蝸輪12、螺桿12-1連成一體，間隙配合套裝在主軸8上。輔助軸蝸輪12與輔助軸蝸桿17嚙合，螺桿12-1與往復螺母14嚙合。往復螺母14與圓輪19銷接，往復螺母14、圓輪19均以間隙配合方式套裝在主軸8上，并受往復螺母滑鍵14-1約束。往復螺母14只能沿主軸8往復滑動，圓輪19受圓輪滑鍵19-1約束可在隨主軸8轉動的同時，沿軸向作往復滑動。圓輪19通過連桿20與支撐在弓形支架7的輔助軸4上的曲面反射鏡1鉸接。這種機械傳動與現有技術相比，結構簡捷，動作可靠，便于控制。
控制機械傳動裝置的光信號反饋處理電路如圖3所示，該電路主要由光敏探測電路A、極限開關電路B、8751單片機電路C、繼電器電路D、電機控制電路E組成。其中光敏探測電路A、極限開關電路B作為輸入部分與8751單片機電路C相連，繼電器電路D作為輸出執行部分與8751單片機電路C相連。具體來說，光敏探測電路A由八組光敏二極管25～32、光電耦合器I1～I8及反相器NOT1～NOT8組成，八組光敏二極管25～32分別作為光電耦合器I1～I8的輸入信號；極限開關電路B由四只極限開關K21～K24、光電耦合器I9～I12及反相器NOT9～NOT12組成，四只極限行程開關K21～K24的信號分別作為光電耦合器I9～I12的輸入信號，上述各光電耦合器的輸出信號分別經各自的反相器NOT1～NOT12接單片機8751的輸入口，單片機的輸出口接分別由六只反相器NOT13～NOT18和六只繼電器J1～J6串聯構成的繼電器電路D，各繼電器的觸點分別位于電機控制電路E的主軸可逆電機9和輔助軸可逆電機13的開關控制回路中。上述電路的處理控制功能也可以通過PLC控制電路、差動電路實現。
向光信號反饋處理電路傳送探測信號的光敏探測器包括小范圍光敏探測器和大范圍光敏探測器，其中小范圍光敏探測器中直接以聚光采光器1作為聚光元件，含有四組光導纖維束構成的光纖接收器21～24，四組光導纖維束的輸入端組合成封閉的正方環狀，安裝在光學臺錐3的四周，每組光導纖維束的輸出端分別與固定在其后的光敏二極管25～28耦合(參見圖4)。四組大范圍光敏探測器29～32如圖5所示，分別由三只光敏二極管沿曲面均布組成，該四組大范圍光敏探測器分別安裝在聚光采光器周圍的四個方位上。
本實施例的全自動跟蹤采光裝置安裝后，令主軸線為XX’軸，對準南北方向；輔助軸線為YY’軸，與XX’軸垂直；聚光采光器1的光軸為ZZ’軸。小范圍光敏探測器用于感知聚光采光器ZZ’軸線和太陽入射光線偏差為0～α2(例如0～2°)的小范圍偏差，大范圍光敏探測器用于感知聚光采光器ZZ’軸線和太陽入射光線偏差從α1(例如從1°)開始的大范圍偏差陽光信號。為保證探測到全方位的偏差信號，且不留死角，要求0＜α1＜α2。這樣，大、小范圍光敏探測器就有α2-α1的重合區。在太陽入射光線和ZZ’軸線出現大偏差時，即偏差角大于α2時，如太陽光線偏東，光敏探測器29接收到陽光信號，輸入到單片機電路C的接口，控制主軸可逆電機9帶動曲面反射鏡1由西向東轉，直到太陽的入射光線與ZZ’軸線的偏差進入α2-α1重合區的范圍，此時光纖接收器21接收到會聚光斑的光信號并控制主軸可逆電機9繼續轉動，直至太陽入射光線與ZZ’軸線平行。太陽入射光線偏西、南、北時的情形，可以根據上述過程類推。
在曲面反射鏡1精確跟蹤太陽后或者在沒有太陽的時候，所有光敏探測器接收不到光信號，在此情況下主軸可逆電機9、輔助軸可逆電機13處于待命狀態。
在傳動箱中安裝四只行程開關，分別控制主軸8和往復螺母14的運動位置，它們與單片機電路接口相連后起控制曲面反射鏡1運動極限位置的作用。
當全自動跟蹤采光裝置系統通電后，8751單片機通過P0口(I/O)檢測光敏二極管25～28有無光信號，如25有光信號，則P01就會輸入高電平，接著8751單片機再通過P2口檢測有無行程開關的限位信號，若行程開關K21已閉合，P20就會輸入高電平，說明曲面反射鏡1已到極限位置，主軸可逆電機9待命。若K21斷開，P20輸入低電平，則單片機的P10、P11輸出低電平，使繼電器J1、J2吸合，結果主軸可逆電機9帶動曲面反射鏡1由西向東轉，直到光敏二極管25的光信號消失。
如果8751單片機的P0口檢測光敏二極管25～28沒有光信號，再通過P0口檢測光敏探測器29～32有無光信號；如也沒有，則主軸可逆電機9、輔助軸可逆電機13處于待命狀態。如果檢測光敏探測器29有光信號，則P04就會輸入高電平；再通過P2口檢測行程開關K21有無限位信號，若K21已閉合，說明曲面反射鏡1已到極限位置，主軸可逆電機9處于待命狀態。若K21斷開，則光信號反饋處理電路將控制曲面反射鏡1由西向東轉動，直至光敏二極管26接收到光信號。
光信號反饋處理電路對光敏二極管25、27、28以及光敏探測器30、31、32的光信號處理過程與上述同理，不另贅述。實施例二本實施例與實施例一的主要區別在于(參見圖6圖8)四個小范圍光敏探測器的四組光敏接收器件按四個方向布置組裝成一體。安裝時，該小范圍光敏探測器的EE’光軸應和聚光采光器光軸ZZ’平行，其輸入端上方固定有聚光透鏡37，這樣小范圍光敏探測器可以較為機動地安裝在曲面反射鏡1的外側，而不必像實施例一那樣安裝在作為采光頭的光學臺錐3處。其工作原理及過程與實施例一相同。實施例三本實施例與實施例一的主要區別在于(參見圖9圖11)小范圍光敏探測器和大范圍光敏探測器有機組合在一起，其具體結構如圖9所示，每組光敏探測器由一組兩個光敏二極管46和一個經光纖接收器50-1耦合的光敏二極管50-2組成，光纖接收器50-1的輸入端上方安裝有聚光透鏡50。安裝時，上述結構的四組光敏探測器分四個方位固定在曲面反射鏡1的周邊。這樣，每個光敏探測器同時可以兼有實施例一中小范圍光敏探測器與大范圍光敏探測器的作用，其工作原理及過程不難類推，不再贅述。
除以上實施例外，本發明還有許多其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案均落在本發明的保護范圍中。
權利要求
1．一種全自動跟蹤太陽的采光裝置，由聚光采光器、驅動聚光采光器轉動的機械傳動裝置、控制機械傳動裝置的光信號反饋處理電路、向光信號反饋處理電路傳送探測信號的光敏探測器組成，其特征在于所述聚光采光器可以繞交叉的主軸和驅動機構裝在主軸上的輔助軸轉動，所述光敏探測器至少由四組位于聚光元件的軸向會聚光斑四周四個方位的光敏接收器件和聚光元件組成。
2．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述聚光采光器的中心軸聚焦位置上裝有光學臺錐采光頭，該光學臺錐下底對著聚光光線、光學臺錐上底與傳光光導纖維束輸入端耦合。
3．一種如權利要求2所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述四組光敏接收器件均由光導纖維束構成的光纖接收器和光敏元件組成，光導纖維束的輸入端安裝在光學臺錐采光頭四周，并組合成封閉的環狀，每組光導纖維束的輸出端分別與對應的光敏元件耦合。
4．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光敏探測器中還含有由四組光敏元件構成的大范圍光敏探測器，分別安裝在聚光采光器周圍的四個方位上。
5．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光敏探測器的四組光敏接收器件可按四個方位布置組裝成一體，安裝在聚光采光器外側，其輸入端上方固定有聚光透鏡。
6．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光敏探測器可為四組，分別由一組至少兩個光敏二極管和一個經光纖接收器耦合的光敏二極管組成，所述光纖接收器的輸入端上方安裝有聚光透鏡，該四組光敏探測器分四個方位固定在聚光采光器的周邊。
7．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述機械傳動裝置主要由主軸蝸桿蝸輪副、輔助軸蝸桿蝸輪副、螺桿、往復螺母、圓輪、連桿構成，其中，主軸蝸桿直接由主軸可逆電機帶動，主軸蝸輪與主軸固連，輔助軸蝸桿直接由輔助軸可逆電機帶動，輔助軸蝸輪、螺桿連成一體，間隙配合套裝在主軸上，輔助軸蝸輪與輔助軸蝸桿嚙合，螺桿與往復螺母嚙合，往復螺母與圓輪銷接，往復螺母、圓輪均以間隙配合方式套裝在主軸上，圓輪通過連桿與支撐在弓形支架的輔助軸上的曲面反射鏡鉸接。
8．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光信號反饋處理電路主要由光敏探測電路、極限開關電路、8751單片機電路、繼電器電路、電機控制電路組成，其中光敏探測電路、極限開關電路作為輸入部分與8751單片機電路相連，繼電器電路作為輸出執行部分與8751單片機電路相連，各繼電器的觸點分別位于電機控制電路的主軸可逆電機和輔助軸可逆電機的開關控制回路中。
9．一種如權利要求2所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光導纖維束可以是玻璃光導纖維、石英光導纖維、聚合物光導纖維或液芯光導纖維。
10．一種如權利要求1所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述聚光采光器為曲面反射鏡、菲涅耳透鏡或凸透鏡。
11．一種如權利要求3所述的全自動跟蹤太陽的采光裝置，其特征在于所述光敏元件是光敏二極管、光敏三極管、光電池或光敏電陽。
全文摘要
本發明公開了一種全自動跟蹤太陽的采光裝置，由聚光采光器、驅動聚光采光器轉動的機械傳動裝置、控制機械傳動裝置的光信號反饋處理電路、向光信號反饋處理電路傳送探測信號的光敏探測器組成，其特點是聚光采光器可以繞交叉的主軸和驅動機構裝在主軸上的輔助軸轉動，光敏探測器至少由四組位于聚光元件的軸向會聚光斑四周四個方位的光敏接收器件和聚光元件組成。本發明的設計方案科學合理，經濟實用，適合我國國情，推廣之后將產生較高的社會效益和經濟效益。
文檔編號F24J2/38GK1237693SQ9911421
公開日1999年12月8日 申請日期1999年5月19日 優先權日1999年5月19日
發明者張耀明, 張振遠, 徐明泉, 張文進, 孔維彪, 陳強, 孫利國 申請人:南京春輝科技實業有限公司