太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統的製作方法
2023-12-04 06:40:51 3
專利名稱：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投射柱狀區域用的太陽光跟蹤反射、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：
目前，住宅平面普遍按照建築設計要求，形成許多凹凸結構，以求外牆與陽光的接觸面儘可能大一些，從而滿足住戶的採光要求。很多公共場所的大型建築，例如大商場均設計了比較大的中空建築區域(俗稱為天窗)。即使如此，這類大型建築內的採光依然需要大量採用人工照明的方法。然而人工照明不僅消耗大量能源，而且這種光環境遠不及自然光有益人體健康，所以人們一直在通過種種辦法對取之不盡、用之不竭的太陽光進行有效的採集，並設法將陽光送到需要的場所。
以本專利申請人為主要發明人的已授權發明專利《全自動跟蹤太陽的採光裝置》(申請號為99114216.0、申請日為1999.05.19)公開了一種由聚光採光器、驅動聚光採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的採光裝置，該發明的核心是建立了交叉主軸和輔軸構成的複合運動傳動機構，同時提出了由四組位於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的光敏探測器，因此可以實現採光器對太陽光的自動跟蹤。
除此之外，現有技術中另一類實現採光器對太陽光自動跟蹤的技術方案為，根據太陽相對於地球的運行規律，設定電腦程式，以該程序通過處理電路，控制驅動採光器轉動的機械傳動裝置。例如專利申請號為95107312.5、申請日為95年5月30日、名稱為《太陽光採光裝置及控制該太陽光採光裝置的太陽光採光控制裝置》即是如此。
在對自動跟蹤太陽技術的研究基礎上，發明人對採集太陽光照明的技術進行了探索研究。
據申請人了解，採集太陽光照明技術按傳輸介質分類大體可分為導光管傳光、光纖傳光和反射鏡直接傳光三種方式。其中，導光管和光纖傳光雖然具有一定的優越性，但制約兩者應用的最大缺陷是價格比較昂貴，如美國著名的3M公司生產的稜鏡導光管售價約在5000元/米，日本製造的六眼光纖採光器HIMAWARI系統價格也在3000美元/套左右，因此很難在我國推廣應用。
反射鏡直接傳光是一種經濟實用、性能價格比較高的採光方式，也就是通常所用的兩次反射法。這種採光方式將一塊反射鏡安裝在建築物上部，另一塊安裝在地面附近。當陽光照射到建築物上部的反射鏡後，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。將建築物諸如天窗的區域設定為太陽投射柱狀區域，採用此採光方式時，存在如下明顯問題1、固定在一處的反射鏡即使採用自動跟蹤太陽的技術，也無法從早到晚將反射光全部照射到設定投射柱狀區域內，因而不能充分有效地利用太陽光；2、如要達到整個設定投射柱狀區域完全被反射光照明的目的，反射鏡尺寸勢必非常龐大，其驅動和防風機構將相當複雜。
發明內容
基於上述情況，本發明的首要目的在於提出一種不僅可以自動跟蹤太陽、而且可以始終將反射的太陽光投射到設定柱狀區域內的太陽光跟蹤反射、定位準直採光系統，從而使太陽光得到充分有效的利用。
本發明進一步的目的是提出一種以小面積平面反射鏡實現設定投射柱狀區域完全被照明的太陽光跟蹤反射、定位準直採光系統，尤其是要解決太陽高度升高後、高度角很大時，以小面積平面反射鏡使設定太陽投射柱狀區域完全照明的問題。
本發明更進一步的目的在於提出一種可以監控設定太陽投射柱狀區域是否始終充滿太陽光的太陽光跟蹤反射、定位準直採光系統。
為了達到上述首要目的，本發明太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統的基本方案為本系統包括自動跟蹤太陽反射裝置，該裝置由平面反射鏡、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，此外還包括平面導軌運動機構，所述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，所述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所述基座上。
以上系統開始工作時，平面導軌運動機構使自動跟蹤太陽反射裝置處在處理電路預先設定的起步位置，接著自動跟蹤太陽反射裝置通過處理電路的處理，控制二維主、輔軸機械傳動機構運動，不斷調整平面反射鏡的空間角度，使平面反射鏡始終跟蹤太陽；與此同時，自動跟蹤太陽反射裝置還在平面導軌運動機構的帶動下，隨基座一起逐漸在太陽投射柱狀區域上埠布置的導軌上運動，以使反射光始終投射到所需設定柱狀區域內。結果，平面反射鏡不僅始終自動跟蹤太陽，充分接收太陽光，而且將所接收到的太陽光全部經反射後投射到設定的柱狀區域內，從而使太陽光得到最大限度地利用。值得一提的是，本發明二維主、輔軸機械傳動機構跟蹤太陽的運動與平面導軌運動機構調整基座所處位置的運動不是簡單的疊加，而是有機的結合。
眾所周知，當太陽高度很高、即高度角很大時，反射光的投影面積變小，因此尺寸有限的單片平面反射鏡無法全部照明被設定太陽投射柱狀區域。為了解決這一問題，即為了達到本發明進一步的目的以上系統中還含有兩片以上的平面反射鏡，各平面反射鏡平行安裝在各自的伸縮機構上，所述伸縮機構主要由滑板、固定板、滑竿、滑竿套、平面反射鏡框架及驅動滑板運動的驅動機構組成，驅動機構安裝於固定板，固定板與滑竿套一端固連，滑板兩端分別與滑竿固連，滑竿另一端固連平面反射鏡框架，各平面反射鏡背面的底側裝有能感知後片平面反射鏡相對位置、間距大小的光敏元件，構成間距傳感器，間距傳感器的信號輸出端接處理電路的信號輸入端。
為了達到更進一步的發明目的，本發明的系統還包括太陽光定位傳感器，所述定位傳感器由四組光敏接收器件構成，對稱布置於被設定太陽投射柱狀區域的四個上頂角位置。這樣，當投射到設定柱狀區域的太陽光不能充滿被設定太陽投射柱狀區域時，勢必引起太陽光定位傳感器中光敏接收器件的感光不均衡，此不均衡信號輸入到處理電路後，可以通過機械傳動機構調整起作用的平面反射鏡的個數和位置以及基座在導軌上的位置，確保被設定太陽投射柱狀區域充滿反射光。
改進後的本發明系統早上工作時，首先由第一片平面反射鏡跟蹤太陽光，並將太陽光反射後投射到被設定區域。隨著時間推移，太陽位置即方位角和高度角發生了變化，由於太陽高度角較高，導致單片平面反射鏡的投射無法充滿整個區域，於是定位傳感器、間距傳感器起作用，通過處理電路驅動電機，並通過伸縮機構驅動第一片平面反射鏡前移一段距離，使得後片平面反射鏡也起作用，從而增加反射光照射面積，讓投射的太陽光充滿整個設定區域。依次類推，不斷重複上述過程，直至中午。過了正午時刻，太陽高度角開始降低，系統按以上相反過程，依次撤回反射鏡。
總之，本發明與以往反射鏡反射的光斑只能在被設定投射柱狀區域某一局部範圍內移動甚至移出設定區域外的採光方案相比，不僅能實現整個區域始終充滿太陽光，而且在照明相同區域面積的前提下，大幅度縮小了所需平面反射鏡的面積，系統結構緊湊、實用。這樣，從建築上可以減小天窗的面積，儘可能少耗費空間資源。如果與採用光纖、導光管等傳光的採光系統相比，本發明顯然成本較低，優勢明顯，更便於推廣應用。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明實施例一的結構示意圖。
圖2是本發明實施例一的平面反射鏡前後伸縮運動機構及其力矩平衡用彈簧機構示意圖。
圖3是本發明實施例一的光學原理圖。
圖4是本發明實施例一的平面反射鏡背面的間距傳感器位置示意圖。
圖5是本發明實施例一的準直傳感器結構示意圖。
圖6是本發明實施例一的處理電路控制流程示意圖。
圖7是本發明實施例二的環形平面導軌運動機構示意圖。
具體實施例方式
實施例一本實施例太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統結構示意如圖1和圖2所示，可以分解成如下主要機構驅動多片平行平面反射鏡轉動以跟蹤太陽的二維主輔軸機械傳動機構，受單片機程序電路控制可預先設定基座位置的平面導軌運動機構，驅動多片平行平面反射鏡做前後伸縮滑行的多套伸縮運動機構及其力矩平衡用彈簧機構，平行平面反射鏡轉軸轉動機構。此外，本實施例還包括控制機械傳動機構的處理電路，向處理電路傳送信號的太陽光準直、間距、定位傳感器。本實施例實現太陽位置的跟蹤探測由太陽光跟蹤傳感器完成，並向處理電路傳送跟蹤信號。圖中天窗AA』BB』CC』DD』表示一個設定的太陽投射柱狀區域。
驅動多片平行平面反射鏡轉動以跟蹤太陽的二維主、輔軸機械傳動機構如圖1所示，包括主軸7、輔軸8和輔軸座9，主軸7通過軸承鉸裝在底座2中，由主軸電機帶動；輔軸座9與主軸7固連，輔軸8通過軸承鉸裝在輔軸座9中，由輔軸電機帶動。此相互疊加的二維轉軸機構可實現太陽方位角和高度角的調整，在與現有技術相同的控制機械傳動機構的處理電路、向處理電路傳送信號的太陽光跟蹤傳感器作用下，成為自動跟蹤太陽反射裝置，達到自動跟蹤太陽的目的。
平面導軌運動機構如圖1所示，可以分成二組直線主、副導軌機構，其中主導軌機構包括主基座27、燕尾槽導軌27』(本發明不限於燕尾槽導軌，其他形式的導軌也可)以及由絲杆28、電機及其減速機構29構成的驅動機構。電機及其減速機構29的輸出軸與絲杆28連接，燕尾槽導軌27』固定在被設定的太陽投射柱狀區域上埠一側，主基座27的底面插裝在燕尾槽導軌27』中，並固定有與絲杆28構成絲杆螺母機構(本發明不限於絲杆螺母機構，其他的平移機構也可)的螺母。副導軌機構的構成與主導軌機構類同，包括副基座30和燕尾槽導軌30』等，可以類推。其中，燕尾槽導軌30』固定在主基座27上，二維主、輔軸機械傳動機構中的底座2固定在副基座30上。燕尾槽導軌30』的四個端角還裝有起支撐作用的四個滾輪30」。這樣，在設定的單片機程序控制下，通過二組導軌機構的複合運動，可以實現底座2圍繞設定太陽投射柱狀區域AA』BB』CC』DD』上埠的轉動，從而與太陽光自動跟蹤反射裝置共同作用，使反射光始終投射到該區域內。
驅動多片平行平面反射鏡做前後伸縮滑行的多套伸縮運動機構參見圖2(圖中只示出一套)，主要由滑板13、固定板14、兩根滑竿15和15』、兩根側面開槽的滑竿套16和16』、平面反射鏡框架17以及由電機及其減速機構10、絲杆11、螺母12構成的驅動機構組成。電機受控端接處理電路的控制輸出端，電機及其減速機構10安裝於固定板14上，其輸出軸與絲杆11一端固連。固定板14與兩根滑竿套16、16』一端固連，兩根滑竿15、15』分別插裝在兩根滑竿套16、16』中，其一端與從兩根滑竿套16、16』的側面槽中伸出的滑板13固連。螺母12與滑板13固連，並與絲杆11嚙合構成絲杆螺母機構。平面反射鏡1固定在平面反射鏡框架17上，框架17與兩根滑竿15、15』的伸出端固連。整個機構在電機及其減速機構10的驅動下，可以通過滑板13沿側面開槽的滑竿套16、16』軸線方向滑行，從而帶動滑竿及反射鏡1作伸縮運動，實現多片反射鏡共同作用，使反射光充滿設定的太陽投射柱狀區域。
每片平面反射鏡背面的底側裝有能感知後片平面反射鏡相對位置、間距大小的兩組光敏元件18、18』構成的間距傳感器(參見圖4)，間距傳感器的信號輸出端接處理電路的信號輸入端。這樣可以實現各片平面反射鏡是否重疊作用的自動探測，保證每片平面反射鏡最大限度的利用。
為了防止平面反射鏡1作前後伸縮運動時平面反射鏡轉軸單側力矩過大，系統還設有圖2所示平衡該單側力矩變化用的彈簧機構，該彈簧機構主要由彈簧19、滑輪20、鋼絲繩21組成，彈簧19一端與輔軸座延伸板22相連，另一端通過滑輪20與滑板13固連，通過調節彈簧19的張緊程度，可以平衡平面反射鏡前後伸縮而變化的力矩。
平行平面反射鏡轉軸轉動機構也在圖2中示出，主要由平面反射鏡轉軸23、兩支撐塊24、24』、同步齒形帶25、半徑比為2∶1的兩個帶輪26組成。平面反射鏡轉軸23與輔軸8都通過軸承平行鉸裝在輔軸座9上，兩端分別固連兩塊支撐塊24、24』，該兩支撐塊上分別固連與轉軸23垂直的多根平行滑竿套16、16』，平面反射鏡轉軸23與輔軸8經由速比為1∶2的兩個帶輪26，通過同步齒形帶25銜接。這樣，平面反射鏡轉軸23南北向的旋轉角始終是輔軸8旋轉角的一半，從而保證將反射光垂直向下投射。
從圖2還可以看出，太陽光定位傳感器4由四組光敏接收器件(4』、4」、4、4」」)構成、對稱布置於被設定太陽投射柱狀區域的四個上頂角ABCD位置，控制機械傳動機構的處理電路可以根據來自定位傳感器4的信號，控制平行滑竿的滑動和底座沿平面導軌的滑移，從而確保被設定太陽投射柱狀區域始終充滿反射光。
安裝於AB中心位置處的準直傳感器5具體結構如圖5所示，由四組沿柱狀長孔5底部周邊布置的光敏元件5』、5」、5、5」」組成。當太陽光不準直時，必然引起5』、5」、5、5」」的信號不平衡，從而通過處理電路控制機械傳動機構微調平面反射鏡的角度，使反射光準直。
整個系統的工作程序是這樣的單片機程序電路預先設定底座位置——使平面反射鏡基本跟蹤上太陽——使投射的陽光準直——確定多片平面反射鏡相互間距——底座微調，具體流程如圖6所示。詳細運行過程為早上，太陽高度角很低，依靠最前反射鏡就能使太陽光充滿整個被設定太陽投射柱狀區域。隨著時間推移，太陽位置即方位角和高度角發生了變化。這時，首先由單片機程序控制平面導軌運動機構工作並預先設定底座2位置，接著太陽光跟蹤傳感器3及其處理電路完成對二維主輔軸機械傳動機構的控制，使得反射鏡基本跟蹤上太陽。由於平面反射鏡轉軸23是輔軸8旋轉角度的一半，使得太陽光經過平面反射鏡後投射到被設定區域。這時設置的準直傳感器5起作用，判斷太陽光是否完全準直，如果不完全準直，通過準直傳感器5的控制電路微調反射鏡1位置。由於此時的太陽高度角較高，單片反射鏡的投射無法充滿整個區域，間距傳感器(18、18』)和定位傳感器4起作用，反射鏡前移一段距離，後片反射鏡也起作用，再微調底座位置。此時，四個角落都能接收到陽光。當太陽高度角再次發生變化，重新預先設定底座位置、跟蹤準直傳感器再起作用，這時可能要求第一、二反射鏡繼續前移一段由間距傳感器(18、18』)決定的距離，即滿足後片反射鏡前點的反射陽光恰好落在18、18』之間(圖4所示)，第三塊反射鏡起作用，同時定位傳感器微調底座位置，以後不斷重複上述過程直至中午。過了正午時刻，由於太陽高度角開始降低，此後又不斷需要每過一段時間，依次撤回反射鏡。
整體系統的光學原理如圖3所示，若干塊反射鏡33、34、35各自接收平面反射鏡的部分準直光反射進入採光建築36玻璃窗內。由於設定太陽投射柱狀區域的四周粘貼了高效反光材料，使得天空中太陽散射光被反射起輔助照明作用。所述系統整體置於塑料或玻璃的透明防塵罩37內。
實施例二本實施例與實施例一相比，其不同之處在於被設定的太陽投射柱狀區域上埠周圍固定兩條環形導軌，其中一條導軌為環形齒條導軌40，如圖7所示，二維主、輔軸機械傳動機構底座固定的基座下裝有受電機驅動的、與齒條導軌40齒牙嚙合的主動齒輪39、39』以及與緊靠另一導軌的滾輪38、38』。這樣，在程序電路控制下，同樣可以實現底座圍繞被設定的太陽投射柱狀區域運行，從而使反射光始終投射到該區域內。
除以上實施例外，本發明還有其他多種實施方式。例如，處理電路對太陽的跟蹤不是通過太陽光跟蹤傳感器確定太陽方位，而是採用程序完成跟蹤；或者將這兩種跟蹤控制方式相結合。再如，實現平面反射鏡轉軸旋轉一半輔軸角度的機構採用三個齒輪(半徑比為2∶1∶1)；安裝在支撐塊上的多根平行滑竿套可設計在一水平面內間隔布置；平面導軌運動機構中基座的運動和平面反射鏡的前後伸縮運動由電機——鏈輪機構或其他驅動機構驅動；平面導軌運動機構由PLC程序電路或某傳感器電路控制；齒輪39』改換為滾輪；其它可使底座圍繞被設定投射區域轉動的平面導軌運動機構等等。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
1.一種太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，包括自動跟蹤太陽反射裝置，該裝置由平面反射鏡、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，其特徵在於還包括平面導軌運動機構，所述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，所述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所述基座上。
2.如權利要求1所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還含有兩片以上的平面反射鏡，各平面反射鏡平行安裝在各自的伸縮機構上，所述伸縮機構主要由滑板、固定板、滑竿、滑竿套、平面反射鏡框架及驅動滑板運動的驅動機構組成，驅動機構安裝於固定板，固定板與滑竿套一端固連，滑板兩端分別與滑竿固連，滑竿另一端固連平面反射鏡框架，各平面反射鏡背面的底側裝有能感知後片平面反射鏡相對位置、間距大小的光敏元件，構成間距傳感器，間距傳感器的信號輸出端接處理電路的信號輸入端。
3.如權利要求2所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還包括太陽光定位傳感器，所述定位傳感器由四組光敏接收器件構成，對稱布置於被設定太陽投射柱狀區域的四個上頂角位置。
4.如權利要求1或3所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還配有準直傳感器，所述準直傳感器由至少二組光敏接收器件組成，對稱布置於中心軸線與被設定太陽投射柱狀區域的中心軸線平行的柱狀長孔的底部周邊。
5.如權利要求4所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於所述平面導軌運動機構分成二組直線主、副導軌機構，所述主、副導軌機構為主基座和主導軌、副基座和副導軌以及主、副驅動機構構成的平移機構，其中所述主導軌固定在被設定的太陽投射柱狀區域上埠一側，所述副導軌固定在主基座上，所述二維主、輔軸機械傳動機構中的底座固定在副基座上。
6.如權利要求4所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於所述平面導軌運動機構為固定在被設定的太陽投射柱狀區域上埠周圍的兩條環形導軌和底部裝有受電機驅動的主動齒輪和滾輪的基座，其中兩條環形導軌中的一條為環形齒條導軌，所述主動齒輪與齒條導軌的齒牙嚙合，所述滾輪緊靠另一環形導軌。
7.如權利要求2所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還包含平行平面反射鏡轉軸轉動機構，該機構主要由平面反射鏡轉軸、支撐塊組成，所述平面反射鏡轉軸與所述輔軸均通過軸承平行鉸裝在輔軸座上，兩端分別固連支撐塊，支撐塊上固連與平面反射鏡轉軸垂直的平行滑竿套，平面反射鏡轉軸與輔軸通過速比為1∶2的機械傳動機構銜接。
8.如權利要求2所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還含有平衡單側力矩變化的彈簧機構，所述彈簧機構主要由彈簧、滑輪、鋼絲繩組成，所述彈簧一端與所述輔軸座延伸板相連，另一端通過滑輪與所述滑板固連。
9.如權利要求1所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於還包含反射平面反射鏡的部分準直光進入採光建築內的若干塊反射鏡，所述設定太陽投射柱狀區域的四周粘貼高效反光材料。
10.如權利要求1所述的太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，其特徵在於所述系統整體置於塑料或玻璃的透明防塵罩內。
全文摘要
本發明公開了一種太陽光跟蹤反射、定位準直採光照明系統，屬於太陽能應用技術領域。該系統包括自動跟蹤太陽反射裝置。該裝置由平面反射鏡、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。此外還包括平面導軌運動機構，該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。本發明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，成本較低，優勢明顯，更便於推廣應用。
文檔編號F24J2/38GK1504673SQ0214841
公開日2004年6月16日 申請日期2002年12月3日 優先權日2002年12月3日
發明者張耀明, 張文進, 孫利國, 張振遠, 徐明泉, 劉曉暉, 陳強 申請人:張耀明, 張振遠, 張文進