棱鏡式陽光導向器的制作方法

專利名稱：棱鏡式陽光導向器的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種陽光自動追蹤并通過透明組合棱鏡和反光鏡傳輸陽光的照明裝置，屬于太陽能應用技術領域。
背景技術：
照明是人類消耗能量最多的一項需求。據統計，發達國家的照明能耗占總能耗的 9%以上，我國發達地區的照明能耗占總能耗的6% 9%。以美國為例，每天花在照明上的費用高達1億美元以上，占全部發電量的1/4左右，而在照明用電中真正用于發光的不過 25%，其余則變為了熱能。眾所周知，太陽光是最典型、能量最強的自然光源，并且取之不盡，用之不竭。但實際上，僅有很少的太陽光通過玻璃窗、天窗，為人們用做室內照明，因此進一步開發利用太陽光不僅具有極大的潛力，可以有效節能，同時也符合人類追求高品質生活質量和生活環境的現代生活理念。太陽光光纖采光照明技術由于具有系統體積小巧、照明方式特殊等優點，因此長期以來一直是國外的研究熱點之一。這項技術通過聚光元件高效采集太陽光，借助柔軟的光纖將太陽光很方便地傳至任何所需場所使用，并且為提高采光效率，整機還配備有實時、 精確跟蹤太陽的裝置。本發明申請人對該課題也進行了長期深入的研究，其核心技術成果曾向國家知識產權局提交過申請號為200710022259. 6、200810196402. 8多項專利申請， 其中已授權的200720037444. 8《陽電采光器》公開了一種有聚光采光器、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傳感器組成的采光裝置。該裝置的具體情況可以參見已公開的專利文件，有光自動跟蹤控制的基本過程為當光敏探測傳感器中的探測傳感器件感知太陽光入射光線角度變化時，將向跟蹤控制電路發出相應信號，在跟蹤控制電路中信號經比較、 放大處理后，控制機械傳動機構向調整入射光線的相應方向運轉，直至太陽光入射角度達到理想狀態。雖然本發明申請人經過對聚光、跟蹤、傳光等多項技術的成功攻關，使自行研制的自動跟蹤太陽采光裝置的性能價格比已處于國際領先水平，但由于該裝置對光纖的長距離、低損耗傳輸性能和低成本制造技術要求都很高，而特定光纖的傳輸波長受到限制，加之國內家庭經濟承受能力有限，因此尚未能在國內得到大面積推廣應用。

發明內容
基于上訴情況，本發明的目的在于避開上述技術中采用傳光光纖存在的高傳輸性能與價格的矛盾，提出一種長距離、高效率、全光譜、低成本采集并傳輸太陽光的棱鏡式陽光導向器，從而使其適合國情，得以推廣。為了達到上述目的，本發明采集陽光的一種棱鏡式陽光導向器基本技術方案為透明組合棱鏡、反光鏡、光導管、采光折射和反射傳輸系統、感光探測傳感器、追蹤控制系統、機械傳動裝置、陽光轉化電能系統、方向限位開關、通風器、半球圓柱形透明防護罩、透明平板、底座所組成；本裝置在工作時，環境光感光探測傳感器檢測環境光的亮度以此來判斷是否有太陽；方位角感光探測傳感器向控制系統提供太陽東西方向位置信息，通過方位角感光探測傳感器的太陽位置的檢測，驅動透明組合棱鏡和反光鏡圍繞電機I軸作東、西平面方向角度調整；在透明組合棱鏡上裝有高度角感光探測傳感器，向控制系統提供太陽南北方向位置信息，通過高度角感光探測傳感器對太陽位置和朝向的檢測，驅動透明組合棱鏡和反光鏡圍繞II號軸作南、北高度方向角度調整自動調節透明組合棱鏡和反光鏡的折射和反射角度；并在朝北向位置和側面位置，各裝有兩個對應的方向限位開關；從而自動實現透明組合棱鏡和反光鏡完成跟蹤太陽所需的任何空間角度的運動調整，工作穩定可靠，從而進一步提高整機性能；并以折射和反射效率的面積最大化傳輸光路垂直向下，并且可以使光路傳輸到固定位置的二級方向反光鏡上，再反射三級方向反光鏡，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器將陽光傳輸到室內。在本發明上述技術方案基礎上的進一步改進是所述的透明組合棱鏡為棱鏡平面連接組合，材質采用聚碳酸酯加工性良好及耐氣候性能良好的高折射材料；其表面形狀為上面三角直齒橫行組合，下面為平面。所述的反光鏡為冷光反射鏡面，其材質為金屬鋁、不銹鋼、玻璃、塑料，且工作表面均須經過真空鍍銀膜制鏡處理；反光鏡為平面反射鏡也可為凹曲面聚光反光鏡或凸曲面擴光反光鏡。所述的透明平板為浮法白玻璃或鉆石白玻璃，以及亞克力材質的環帶狀螺紋透鏡組合平板。所述的追蹤控制系統是環境光感光探測傳感器、方位角感光探測傳感器和高度角感光探測傳感器將東西南北方向的太陽能信號轉換成電信號；中央處理電路對太陽光跟蹤傳感器的信號進行采集后，經運算放大電路放大信號后傳輸給中央處理器，中央處理器分析后給出控制信號至動作驅動電路；動作驅動電路有驅動器、限位開關、繼電器和電機組成，中央處理器給出的控制信號經驅動器放大后驅動繼電器，由繼電器控制電機動作。值得一提的是為了防止灰塵聚集，裝有半球圓柱形透明防護罩，其材質為亞克力或PC+UV透光板，表面至少被覆一層一定厚度的防止光線在表面上反射用的氟系列防反射膜。本發明的有益效果是透明組合棱鏡和反光鏡折射和反射效率的面積最大化其光路始終垂直朝向下傳輸，并且可以使光路傳輸到固定位置的二級方向反光鏡上，再反射三級方向反光鏡，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器將陽光傳輸到室內；使采集的光得到最大效果的利用，有效降低了成本；設施安裝方便靈活，可以適應各種建筑形成的需要，尤其可以應用于高層建筑樓，利用屋頂陽光改善高樓內的光線。 綜上所述，本發明不僅能傳輸可見光，還能傳輸紅外光、紫外光，因此真正實現了太陽光的全光譜利用；具有設計方案科學合理，適合各種建筑的大面積采光需求，同時經濟適用，采光效果高。是一套完整的采光解決方案，推廣后將產生較高的社會效益和經濟效益。


圖1是棱鏡式陽光導向器折射和反射結構正視示意視圖；圖2是棱鏡式陽光導向器折射和反射結構俯視示意視圖；圖3是透明組合棱鏡正視示意視圖。圖4是透明組合棱鏡俯視示意視圖。
具體實施例方式參見圖1-3所示，示意了一種設施的結構與工作原理，圖中的1是高度角感光探測傳感器，2是夾持器，3是U形架，4是南北向A限位開關，5是光伏電池，6是I號軸電機，7 是光導管，8是半球圓柱形透明防護罩，9是方位角感光探測傳感器，10是漫射器，11是反光鏡，12是南北向B限位開關，13是電機支架，14是透明組合棱鏡，15是鏈輪，16是II號軸電機，17是鏈條，18是透明平板，19是底座，20是高層建筑，21是第二級方向反光鏡，22是第三級方向反光鏡，23是通風器，24是微機全自動程序控制器，25是蓄電池，26是環境光感光探測傳感器，27是東西方向A限位開關，28是東西方向B限位開關，29是太陽，30是支撐架。由此可見一種棱鏡式陽光導向器，主要包括反光鏡、透明組合棱鏡、感光探測傳感器、 追蹤控制系統、機械傳動裝置、方向限位開關、陽光轉化電能系統、光導管、半球圓柱形透明防護罩所組成。反光鏡11和透明組合棱鏡14安裝在夾持器2上，夾持器可根據反光鏡和透明組合棱鏡的大小和形狀任意調節，采集最大面積匯聚陽光，將陽光折射和反射傳輸光路垂直向下；并且可以使光路傳輸到固定位置的二級方向反光鏡21上，再反射三級方向反光鏡 22，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器10將陽光傳輸到室內。感光探測傳感器是在設有檢測太陽光位置的傳感器分為三組環境光感光探測傳感器沈、方位角感光探測傳感器9、高度角感光探測傳感器1 ；環境光感光探測傳感器沈檢測環境光的亮度以此來判斷是否有太陽；方位角感光探測傳感器9向控制系統提供太陽東西方向位置信息，通過方位角感光探測傳感器的太陽位置的檢測，驅動反光鏡和透明組合棱鏡圍繞I號軸6作東、西平面方向角度調整；在反光鏡下方透明平板18裝有高度角感光探測傳感器1，向控制系統提供太陽南北方向位置信息，通過高度角感光探測傳感器對太陽位置進行朝向的檢測，驅動反光鏡和透明組合棱鏡圍繞II號軸16作南、北方向角度調整自動調節反光鏡和透明組合棱鏡的折射或反射角度，并使反光鏡和透明組合棱鏡的反射和折射光路垂直向下；并在朝北向位置觀、27和側面位置4、12，各裝有兩個對應的限位開關； 從而自動實現反光鏡和透明組合棱鏡完成跟蹤太陽所需的任何空間角度的運動調整，工作穩定可靠，從而進一步提高整機性能；以折射和反射效率的面積最大化傳輸光路垂直向下； 并且可以使光路傳輸到固定位置的二級方向反光鏡21上，再反射到三級方向反光鏡22，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器10將陽光傳輸到室內。追蹤控制系統是方位角感光探測傳感器9和高度角感光探測傳感器1將東西南北方向的太陽能信號轉換成電信號；中央處理電路對太陽光跟蹤傳感器的信號進行采集后，經運算放大電路放大信號后傳輸給中央處理器，中央處理器分析后給出控制信號至動作驅動電路；動作驅動電路有驅動器、限位開關、繼電器和電機組成，中央處理器給出的控制信號經驅動器放大后驅動繼電器，由繼電器控制電機動作；追蹤控制系統可以借用《太陽光聚光器控制系統》專利號200910026741. 6和《一種太陽聚光器的控制方法》專利號 200910031297. 7等專利的現有技術。機械傳動裝置包括I號軸電機6機構、II號軸電機15、16、17機構；電機支架13 安裝I號軸電機6并固連U形架3，II號軸電機16固定在U形架3上，II號軸電機16固連鏈輪15，反光鏡11、透明組合棱鏡14通過鏈條17連接，反光鏡11、透明組合棱鏡14安裝在夾持器2上，要使反光鏡11、透明組合棱鏡14以最大面積折射和反射陽光傳輸光路垂直向下；并且可以使光路傳輸到固定位置的二級方向反光鏡21上，再反射三級方向反光鏡 22，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器10將陽光傳輸到室內；特在帶底座19朝北方向對中左右位置，裝有27、28、兩個東西方向A、B限位開關，鏈輪 15側面位置，裝有4、12兩個南北方向A、B限位開關，U形架3安裝上方位角感光探測傳感器9和環境光感光探測傳感器沈，底座19下方安裝透明平板18，透明組合棱鏡14上裝有高度角感光探測傳感器1，這樣，當太陽位置發生變化時，太陽光追蹤傳感器將太陽位置信號傳遞給追蹤控制系統，驅動機械傳動裝置動作，即I號軸電機6通過U形架3圍繞I號軸的軸線作東西向位置調整，同時II號軸電機16，并經鏈輪15鏈條17的驅動下，反光鏡11、 透明組合棱鏡14采光折射和反射傳輸系統還圍繞II號軸的軸線作南北向傾角調整，其復合運動的結果使采光系統的采光面可以始終正對太陽，保持最有效的采光折射和反射。陽光轉化電能系統是由光伏電池組件5、蓄電池25、控制器、構成；由太陽能光伏電池板組件5將太陽能輻射直接轉化為電能，作為發電系統，讓電池板電源經過控制系統給蓄電池充電，當蓄電池電源達到一定程度時，控制系統內設的自動保護系統動作，電池板自動切斷電源，實行自動保護；用作電機驅動。實踐證明，一種棱鏡式陽光導向器不耗電、長距離、高效率、全光譜、低成本地采集并傳輸太陽光，并且工藝簡單，便于推廣應用。本發明提供了一種棱鏡式陽光導向器結構原理的思路，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和變化，這些改進和變化也應視為本發明和保護范圍。
權利要求
1.一種陽光自動跟蹤的棱鏡式陽光導向器的傳輸照明裝置，主要由透明組合棱鏡、反光鏡、采光折射和反射傳輸系統、感光探測傳感器、追蹤控制系統、機械傳動裝置、陽光轉化電能系統、方向限位開關、光導管、通風器、半球圓柱形透明防護罩、透明平板所組成；其中 透明組合棱鏡和反光鏡的位置近似90°相對轉動狀態；所述的采光折射和反射傳輸系統包含透明組合棱鏡、反光鏡、光導管、透明平板；所述的感光探測傳感器為環境光感光探測傳感器、方位角感光探測傳感器、高度角感光探測傳感器；追蹤控制系統包含太陽光追蹤感光探測傳感器、微機全自動程序控制器、以及機械傳動裝置；其特征在于是在設有檢測太陽光位置的感光探測傳感器，以及方向限位開關，通過控制系統向機械傳動裝置的電機輸送控制指令，控制驅動透明組合棱鏡、反光鏡作東西方向、南北方向轉動調整，將采集最大面積匯聚陽光，折射和反射傳輸到指定位置上；電機供電來源于太陽能光伏電池轉化的電能；本裝置主要解決高層天井建筑的天井采光改善要求，利用屋頂陽光改善高樓內的光線。
2.根據權利要求1所述棱鏡式陽光導向器，其特征在于I號軸電機直接安裝在電機支架中心，通過I號電機軸芯的平鍵與U形架固連，夾持器用螺釘連接在U形架上，透明組合棱鏡、反光鏡裝在夾持器上，U形架側面安裝II號軸電機，II號軸電機由平鍵連接鏈輪，通過鏈條連接透明組合棱鏡和反光鏡，底座內壁裝有光導管，底座底部裝上透明平板，半球圓柱形透明防護罩和通風器裝在底座上部，底座裝在支撐架上，支撐架與樓頂用地腳螺栓連接，在朝北方向對中左右位置，裝有兩個東西方向A、B限位開關，鏈輪側面位置，裝有兩個南北方向A、B限位開關，U形架上安裝方位角感光探測傳感器和環境光感光探測傳感器，透明組合棱鏡上裝有高度角感光探測傳感器，光伏電池組件、蓄電池、微機全自動程序控制器安裝在支撐架上。
3.根據權利要求1所述棱鏡式陽光導向器，其特征在于所述的設有陽光轉化電能系統是由光伏電池組件、蓄電池、控制器、驅動負載構成。
4.根據權利要求1所述棱鏡式陽光導向器，其特征在于所述的透明組合棱鏡采用聚碳酸酯材料；其表面形狀為上面三角直齒橫行組合，下面為平面；所述的反光鏡為冷光平面反射鏡也可為凹曲面聚光反光鏡或凸曲面擴光反光鏡；其材質為金屬鋁、不銹鋼、玻璃、塑料，且工作表面均須經過真空鍍銀膜制鏡處理。
5.根據權利要求1所述棱鏡式陽光導向器，其特征在于所述的追蹤控制系統是方位角感光探測傳感器和高度角感光探測傳感器將東西南北方向的太陽能信號轉換成電信號；中央處理電路對太陽光跟蹤傳感器的信號進行采集后，經運算放大電路放大信號后傳輸給中央處理器，中央處理器分析后給出控制信號至動作驅動電路；動作驅動電路有驅動器、 限位開關、繼電器和電機組成，中央處理器給出的控制信號經驅動器放大后驅動繼電器，由繼電器控制電機動作。
6.根據權利要求1所述棱鏡式陽光導向器，其特征在于所述折射和反射效率的面積最大化傳輸光路垂直向下；并且可以使光路傳輸到到固定位置的二級方向反光鏡上，再反射到三級方向反光鏡，以及可以繼續不斷再反射到多級方向控制反光鏡上，再通過漫射器將陽光傳輸到室內。
全文摘要
本發明公開了一種棱鏡式陽光導向器，屬于太陽能應用技術領域；該裝置主要由自動追蹤陽光，并自動調節透明組合棱鏡和反光鏡的角度，以折射和反射效率的面積最大化傳輸光路垂直向下，并可射向配套的固定位置的二級方向反光鏡上，再反射三級方向反光鏡，通過漫射器將陽光傳輸到室內；裝置含蓋透明組合棱鏡、反光鏡、光導管、采光折射和反射傳輸系統、感光探測傳感器、追蹤控制系統、機械傳動裝置、陽光轉化電能系統、方向限位開關、通風器、半球圓柱形透明防護罩、透明平板；該裝置適合高層建筑樓，利用屋頂陽光改善高樓內的光線，讓高樓的內部各處變得如同室外一樣明亮，具有陽光的長距離傳輸，節省了光纖，成本低，采光效率高的特點。
文檔編號H05B37/02GK102537816SQ20101059367
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者劉子寧 申請人:劉子寧