簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統的製作方法
2023-07-26 08:50:46
專利名稱：簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自然光照明系統，特別是一種適合設定的太陽光投射柱狀區域用的簡化太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，屬於太陽能應用技術領域。
背景技術：
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，先後發明了反射鏡、導光管、光纖等採光技術，並且在相關方面不斷創新。
反射鏡傳光通常稱之為兩次反射法，是一種經濟實用、性能價格比較高的採光方式。這種採光方式的典型應用是將一塊平面反射鏡安裝在建築物上部，另一塊反射鏡安裝在地面附近。當陽光照射到建築物上部的平面反射鏡後，被垂直反射向地面，照射到第二塊反射鏡，再將光反射進室內，從而達到採光目的。
本專利申請人多年來一直以建築採光為課題，探索出多種採光照明技術，並對反射鏡採光技術進行了較為深入的研究。
在土地資源日益昂貴的今天，很多高層建築為了獲取儘可能多的自然光，不得不耗費寶貴的空間資源，設計出龐大的天井結構。申請人發現，為了儘可能少的耗用空間資源，同時獲得理想的性能價格比，反射鏡採光成了類似天井這樣的被設定太陽光投射區域採光的最佳方式。
為此，本專利申請人曾於2002年12月3日提出名為《太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統》的專利申請(申請號為02148415.5)，對反射鏡採光技術的應用做了比較詳細的論述，提出了可大幅度減少土地空間資源和平面反射鏡面積、並實現設定太陽光投射區域內充滿準直光的一整套技術方案該方案中的自動跟蹤太陽反射裝置由平面反射鏡、驅動平面反射鏡轉動的二維主、輔軸機械傳動機構、控制機械傳動機構的處理電路組成(該裝置的自動跟蹤原理可以參見已授權發明專利《全自動跟蹤太陽的採光裝置》，其申請號為99114216.0、申請日為1999.05.19)。
此外，該方案中獨特的平面導軌運動機構含有布置在被設定的太陽投射柱狀區域上埠的導軌以及由處理電路控制、在導軌上運動的基座，自動跟蹤太陽反射裝置中二維主、輔軸機械傳動機構的底座安裝在基座上。該專利申請的技術方案依靠太陽光跟蹤技術和太陽光定位、間距、準直傳感器的共同作用，可以將準直太陽光充滿被設定太陽投射柱狀區域，大幅縮小了平面反射鏡面積，在原理上是正確的，具有較大創新性，也具有一定實用性，但申請人通過進一步深入研究感到該方案還存在以下問題整體運動環節多，控制系統過於複雜；驅動機構多，系統成本還有下降空間。
發明內容
基於上述情況，本發明的首要目的在於提出一種可以將入射的平行太陽光通過平面反射鏡反射後投射到設定柱狀區域內的簡化太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，並進而通過安裝在設定柱狀區域內的二次反射鏡反射進入採光建築內照明利用。
本發明進一步的目的是提出一種以小面積、多片平面反射鏡實現設定投射柱狀區域充滿太陽光的簡化太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，尤其是解決本申請人此前申請的專利《太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統》中系統運動環節複雜和驅動機構數量過多的問題，從而使系統結構更合理、機構更簡化、成本更降低。
為了達到上述首要目的，本發明簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統的基本技術方案為本系統包括平面反射鏡及其框架和安裝於設定太陽光投射柱狀區域內的二次反射鏡、調整平面反射鏡方位角和高度角的二維機械傳動機構、控制機械傳動機構的處理電路、連接到處理電路的太陽光定位和準直傳感器，其中(A)所述二維機械傳動機構的方位角調整機構主要由電機減速機構驅動的小車、Y形連杆、環形轉動架及約束環形轉動架運動的環形軌道組成。其中Y形連杆兩分叉端分別鉸支於環形轉動架的兩外側壁，另一端與小車固連，環形軌道布置在被設定的太陽光投射柱狀區域上埠。(B)所述二維機械傳動機構的高度角調整機構主要由連杆、電機減速機構驅動的絲槓及其支撐架、螺母、豎直對稱固連於環形轉動架直徑方向上的兩組支架組成。支撐架與小車固連，絲槓鉸支於支撐架，連杆一端與平面反射鏡框架鉸接，另一端與可沿絲槓升降的螺母鉸接，框架兩側邊分別鉸支於兩組支架，兩鉸支點連線形成框架南北向旋轉運動的迴轉軸線。
工作時，本系統中的太陽光定位和準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，處理電路通過電機驅動小車、Y形連杆、環形轉動架及其環形軌道組成的方位角調整機構，使平面反射鏡及其框架作東西方向的調整；與此同時，還通過電機驅動主要由連杆、絲槓及其支撐架、螺母、支架組成的高度角調整機構，使得平面反射鏡及其框架作南北方向的調整，實現對太陽的自動跟蹤，不斷將接收到的太陽光反射到被設定太陽光投射區域，再通過二次反射鏡將光反射進室內，達到採光目的。
與原先專利申請的系統機構相比，本發明以小車帶動環形轉動架沿環形軌道圍繞上埠旋轉的東西向運動機構代替了原先的二組直線主副導軌機構和主軸機構，以螺母帶動連杆沿絲槓而升降移動的南北向運動機構代替了原先的輔軸機構，因此大幅度簡化了整體結構，傳動更簡捷，運動方式更清晰，原理也更簡單明了。
為了達到進一步的發明目的，本發明系統含有三片以上奇數片的平面反射鏡及其伸縮運動驅動機構，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，可以隨框架繞迴轉軸線迴轉，其他反射鏡對稱分布於中置反射鏡前、後；所述伸縮運動驅動機構主要由電機減速機構、齒輪組、絲槓螺母結構、推板、滑竿和支撐套組成，對稱分布於中置反射鏡前、後的平面反射鏡兩側分別固連一根滑竿，所述滑竿插裝在固連於框架上的對應支撐套內，可沿著支撐套滑移。各滑竿的另一端分別與對應的上、下推板固連，上、下推板與對應的絲槓螺母機構中的螺母固連，各絲槓上分別固連相互嚙合的齒輪，其中一絲槓與電機減速機構的輸出軸連接，電機減速機構固定安裝於框架一端。
這樣，在電機動力的驅動下，通過絲槓螺母機構以及滑竿和支撐套構成的移動副，前、後兩片平面反射鏡可以中置反射鏡為中心，自動根據太陽高度位置，同時做相對或相反方向的伸縮運動，以保證設定的太陽光投射柱狀區域內始終充滿太陽準直光。由於前、後反射鏡通過同一動力源驅動、且前後重量自相平衡，因此與原先專利申請中的機構每片平面反射鏡附帶一套前後伸縮運動驅動機構的技術方案相比，明顯減少了驅動機構數量，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，為了實現設定的太陽光投射柱狀區域內充滿太陽準直光，本發明的系統含有三套自成體系、又相互有機聯繫的獨特機構由小車帶動環形轉動架沿環形軌道圍繞埠旋轉的東西向運動機構；由螺母帶動連杆沿絲槓而升降移動的南北向運動機構；驅動前、後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動的驅動機構。這三套獨特機構不僅使本發明的系統自動跟蹤太陽，始終保證設定的太陽光投射柱狀區域內充滿太陽準直光，而且整機結構大大簡化、緊湊，由於在驅動同樣數量平面反射鏡時，驅動機構的數量比原先減少50％以上，因此製造成本進一步降低，更便於推廣應用。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明一個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
本實施例簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統結構示意如圖1所示，包括平面反射鏡12、13、14及其框架16和安裝於設定太陽光投射柱狀區域內的二次反射鏡(圖中未示出)、調整平面反射鏡方位角和高度角的二維機械傳動機構、控制機械傳動機構的處理電路(圖中未示出)、太陽光定位和準直傳感器(圖中未示出)。其中調整平面反射鏡方位角和高度角的二維機械傳動機構分別為1、由電機減速機構驅動的小車6帶動環形轉動架3沿環形軌道1內壁圍繞埠旋轉的東西向運動機構；2、由螺母9帶動連杆10沿由電機減速機構驅動的絲槓8升降移動的南北向運動機構。
具體來說，二維機械傳動機構的方位角調整機構主要由電機減速機構驅動的小車6、Y形連杆5、5』、環形轉動架3以及約束環形轉動架3運動的環形軌道1組成。其中Y形連杆5、5』的兩分叉端分別鉸支於環形轉動架3的兩外側壁，另一端與小車6固連，環形軌道1的布置位置使其幾何中心與被設定的太陽光投射柱狀區域上埠(ABCD)幾何中心基本重合。為了降低對環形軌道1加工精度的要求，以降低成本，環形轉動架3的側面安裝有若干個可沿環形軌道1內壁滾動的彈性小滾輪2。
二維機械傳動機構的高度角調整機構主要由連杆10、由電機減速機構驅動的絲槓8及其支撐架7、螺母9、豎直對稱固連於環形轉動架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，絲槓8鉸支於支撐架7中，連杆10一端與平面反射鏡框架16鉸接，另一端與可沿絲槓8升降的螺母9鉸接，框架16兩側邊分別鉸支於兩組支架11，兩鉸支點連線形成框架16南北向旋轉運動的迴轉軸線OO』。
以上系統工作時，來自太陽光定位、準直傳感器的探測信號通過處理電路的處理，分別控制二維機械傳動機構中方向角和高度角調整機構的運動，不斷通過東西向和南北向形成的複合運動調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。在此基礎上，當太陽高度很高、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定太陽光投射柱狀區域。
為了解決這一問題，本系統還包括三片(或者三片以上奇數片)平面反射鏡12、13、14，中間一片平面反射鏡13固定安裝於兩鉸支點間的框架16上，可以通過框架16繞迴轉軸線OO』迴轉，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，每組反射鏡12、14的兩側分別固連一根滑竿15，此滑竿15插裝在固連於框架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動。驅動伸縮運動的驅動機構主要由電機21及其減速機構22、齒輪組17、18、兩根絲槓20、20』、分別與各自絲槓嚙合並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21及其減速機構22固定安裝於框架16一端，減速機構22的輸出軸與其中一根絲槓20』固連，每根絲槓上固連一個齒輪，每個螺母與對應的推板固連。這樣，當減速機構22的輸出軸帶動絲槓20』旋轉時，螺母19』沿絲槓20』移動，進而帶動推板24』運動，使得滑竿15沿框架16上的支撐套23滑行；同時由於齒輪組17、18的反向轉動傳遞作用，巧妙地實現了平面反射鏡14做與反射鏡12相反或相對方向的運動，從而使三片反射鏡共同反射太陽光，將設定太陽光投射柱狀區域ABCD充滿。
關於本發明太陽光定位和準直傳感器的結構、原理以及控制機械傳動機構的處理電路原理在此前申請的專利《太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統》中有詳細描述，此處不再贅述。值得一提的是，本發明二維機械傳動機構跟蹤太陽的運動與平面反射鏡組及其伸縮運動驅動機構不是簡單的疊加，而是有機的結合，因此可以最大限度地利用太陽光進行設定太陽光投射柱狀區域的充分照明。
除以上實施例外，本發明還有其他多種實施方式。例如，環形轉動架約束於環形軌道外壁，從而由沿環形軌道內壁旋轉改為沿外壁旋轉，驅動平面反射鏡前後伸縮運動的絲槓螺母機構改為螺母旋轉、絲槓移動的方案等等。凡是本領域技術人員在本發明基礎上所做的等同替換或類似組合變換均屬於本發明保護範圍。
權利要求
1.一種簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，包括平面反射鏡及其框架和安裝於設定太陽光投射柱狀區域內的二次反射鏡、調整平面反射鏡方位角和高度角的二維機械傳動機構、控制機械傳動機構的處理電路、連接到處理電路的太陽光定位和準直傳感器，其特徵在於(A)所述二維機械傳動機構的方位角調整機構主要由電機減速機構驅動的小車、Y形連杆、環形轉動架及約束環形轉動架運動的環形軌道組成；其中Y形連杆兩分叉端分別鉸支於環形轉動架的兩外側壁，另一端與小車固連，環形軌道布置在被設定的太陽光投射柱狀區域上埠；(B)所述二維機械傳動機構的高度角調整機構主要由連杆、電機減速機構驅動的絲槓及其支撐架、螺母、豎直對稱固連於環形轉動架直徑方向上的兩組支架組成；其中支撐架與小車固連，絲槓鉸支於支撐架，連杆一端與平面反射鏡框架鉸接，另一端與可沿絲槓升降的螺母鉸接，框架兩側邊分別鉸支於兩組支架，兩鉸支點連線形成框架南北向旋轉運動的迴轉軸線。
2.根據權利要求1所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還含有三片以上奇數片的平面反射鏡及其伸縮運動驅動機構；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於中置反射鏡前、後；所述伸縮運動驅動機構主要由電機減速機構、齒輪組、絲槓螺母結構、推板、滑竿和支撐套組成，對稱分布於中置反射鏡前、後的平面反射鏡兩側分別固連一根滑竿，所述滑竿插裝在固連於框架上的對應支撐套內，各滑竿的另一端分別與對應的上、下推板固連，上、下推板與對應的絲槓螺母機構中的螺母固連，各絲槓上分別固連相互嚙合的齒輪，其中一絲槓與電機減速機構的輸出軸連接，電機減速機構固定安裝於框架一端。
3.根據權利要求1或2所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於所述環形轉動架的側面安裝可沿環形軌道側壁滾動的彈性小滾輪。
4.根據權利要求1或2所述簡化的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於所述環形轉動架約束於環形軌道側壁。
全文摘要
本發明涉及一種適合設定的太陽光投射柱狀區域用的簡化太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，屬於太陽能應用技術領域。該系統包括平面反射鏡及其框架、二次反射鏡、二維機械傳動機構、處理電路、太陽光定位和準直傳感器。其中由電機及其減速機構驅動的小車帶動環形轉動架沿環形軌道圍繞埠旋轉的東西向運動機構調整平面反射鏡方位角，螺母帶動連杆沿由電機和減速機構驅動的絲槓而升降移動的南北向運動機構調整平面反射鏡高度角。本發明在太陽光定位和準直傳感器、控制處理電路的作用下，將準直太陽光充滿被設定的太陽光投射柱狀區域，系統運動環節緊湊、精練，驅動機構數量大幅減少，成本進一步降低，有推廣應用的良好前景。
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 優先權日2003年1月23日
發明者張耀明, 張文進, 孫利國, 劉曉暉, 陳強, 張振遠, 徐明泉 申請人:張耀明, 張振遠, 南京春輝科技實業有限公司