一種陽光輸送機和led互補照明裝置的製作方法

2023-09-19 21:01:00 4

專利名稱：一種陽光輸送機和led互補照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能技術領域，特別涉及一種陽光輸送機和LED互補照明裝置。
背景技術：
隨著社會的發展，能源問題已經越來越受到了人們的關注，能源是人類賴以生存的基礎，也是經濟和社會發展的物質保障。近年以來，隨著一次性化石能源——煤炭、石油、 天然氣開採殆盡，開發利用新能源成為解決能源危機的最有效途徑。太陽能以儲量巨大、持續長久、低碳環保等優點贏得了廣泛關注，目前對太陽能的利用，通常是採用太陽能光伏發電後，再將電轉換成光照明(光-電-光)，其效率僅為5 %，低效率成為太陽能推廣利用的主要障礙之一。如果把太陽光直接通過光導纖維輸送到白天也需要照明的場所，比如地下停車場、博物館、大型商場、體育館、賓館等場合，太陽能的利用率將明顯提高，甚至可以達到55%以上。目前，國外的陽光導入器造價昂貴，不具備推廣價值；國內的光纖照明裝置性價比不高，使用性不強，更多的還停留在理論研究階段。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種陽光輸送機和LED互補照明裝置，在晴天把太陽光利用光纖引入需要照明的場所，而陰雨天和晚上利用節能LED 照明，該裝置不僅性價比高，運行穩定，提供了健康綠色環保的自然光，而且大幅度的提高了太陽能的利用效率，有效的節約了能源，具有結構簡單，製造和運行成本低的特點為了達到上述目的，本發明的技術方案是一種陽光輸送機和LED互補照明裝置，由雲臺、自動跟蹤系統、光纖照明裝置和 LED光源四部分構成；所述雲臺包括雲臺採光板A及安裝在其上面的玻璃凸透鏡104和太陽能電池板 103，雲臺採光板A通過雙端可調節杆107設置有雲臺底板B，所述雲臺採光板A固定於U型管架D上，U型管架D設置於控制箱及底座C上；所述自動跟蹤系統包括安裝在雲臺採光板A的陽光傳感器102、東西方向控制電機101和南北方向控制電機105，所述陽光傳感器102通過數據線連接有控制電路模塊液晶顯示器模塊和按鍵模塊，所述控制電路模塊包括單片機，單片機的輸出端連接驅動晶片的輸入端，驅動晶片的輸出口連接東西方向控制電機101和南北方向控制電機105的接口 ；所述驅動晶片和單片機的電源端連接有太陽能電池板103的正極；所述單片機的輸入端配置有電位器，根據單片機的控制信號實現對東西方向控制電機101和南北方向控制電機105 的正反轉和啟停控制；所述驅動晶片為L298N，單片機為STC12C5A60S2 ；所述光纖照明裝置由塑料光導纖維202和光纖終端發散器201組成，所述塑料光導纖維202採用直徑為2mm的PMMA型塑料光導纖維，所述纖終端發散器201通過塑料光導纖維202連接在雲臺底板B上；所述LED光源包括蓄電池108，蓄電池108的正極通過LED照明自動控制器203連接有節能LED燈204，節能LED燈204的另一端連接有蓄電池108的負極，所述照明控制器 203為一個觸發開關，單片機給其一個高脈衝信號便自動閉合，接受低脈衝信號自動斷開；所述太陽能電池板103將發出來的電能一部分用於整套系統消耗，剩餘部分存儲於蓄電池108中；一種陽光輸送機與LED互補照明裝置的控制方法，首先把太陽光的強度通過光電傳感器變換成電信號後，分為0-255的256個級別，其中0與255分別對應無光和最強的太陽光照強度，然後通過液晶顯示器把初始啟動系統時的雲臺採光板A的光照情況以數字形式顯示在液晶顯示器上，當液晶顯示器上所顯示的光照強度值之和大於設定閾值時，系統認定當前情況為白天，先驅動南北方向控制電機105轉動確定太陽在南北方向的位置， 接著再驅動東西方向控制電機101轉動進一步確定太陽在東西方向的位置，從而使太陽光到達雲臺採光板A的光照強度最大，即太陽光垂直照射玻璃平凸透鏡104和太陽能電池板 103。再通過利用玻璃凸透鏡104把太陽光匯聚到光纖受口器106的中心孔處，把塑料光導纖維202初始端插入光纖受口器106的中心孔，利用光纖的全反射原理導入室內進行照明，由於太陽能電池板103—直受到陽光垂直照射，效率提高80%以上太陽能電池板提供12v左右的電源可以直接為東西方向控制電機101和南北方向控制電機105提供動力； 太陽能電池板103與單片機控制板的電源電路連接，通過7805穩壓電路將電壓轉換為5v 給單片機提供電源，同時還通過單片機控制板與蓄電池108相連並給其充電儲存能量，用於陰雨天和夜間LED照明；當液晶顯示器上所顯示的光照強度值之和小於設定閾值時，認為當前情況為陰雨天或者夜晚，自動跟蹤系統停止跟蹤，而LED照明自動控制器203則自動接通蓄電池108，利用節能LED 204提供照明，當光照強度大於設定閾值時又會自動切換為光纖照明。由於本發明利用陽光傳感器102來感知太陽光的照射情況，通過陽光傳感器102 以及自動跟蹤系統進而驅動南北方向控制電機105和東西方向控制電機101工作，使陽光輸送機的雲臺採光板A始終正對太陽光，具有結構簡單，製造和運行成本低的特點，具有很高的性價比和廣闊的應用前景。


圖1(a)是本發明的陽光輸送機的主視圖，圖1(b)是本發明的陽光輸送機的左視圖。圖2(a)是本發明的光纖照明的結構示意圖，圖2(b)是本發明LED光源結構示意圖。圖3是本發明的光纖受口器的結構示意圖。圖4是本發明的太陽能電池板為控制板供電和蓄電池充電原理圖。圖5是本發明的驅動晶片控制電機原理圖。圖6是本發明的單片機處理陽光傳感器採集信號原理圖。圖7(a)是本發明的顯示模塊示意圖，圖7(b)是本發明的顯示模塊的電路原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。參照圖1，一種陽光輸送機和LED互補照明裝置，由雲臺、自動跟蹤系統、光纖照明裝置和LED光源四部分構成；所述雲臺包括雲臺採光板A及安裝在其上面的玻璃凸透鏡104和太陽能電池板 103，雲臺採光板A通過雙端可調節杆107設置有雲臺底板B，所述雲臺採光板A固定於U型管架D上，U型管架D設置於控制箱及底座C上；所述自動跟蹤系統包括安裝在雲臺採光板A的陽光傳感器102、東西方向控制電機101和南北方向控制電機105，所述陽光傳感器102通過數據線連接有控制電路模塊， 液晶顯示器模塊和按鍵模塊，所述控制電路模塊包括單片機，單片機的輸出端連接驅動晶片的輸入端，驅動晶片的輸出口連接東西方向控制電機101和南北方向控制電機105的接口 ；所述驅動晶片和單片機的電源端連接有太陽能電池板103的正極；所述單片機的輸入端配置有電位器，根據單片機的控制信號實現對東西方向控制電機101和南北方向控制電機105的正反轉和啟停控制；所述驅動晶片為L298N，單片機為STC12C5A60S2 ；如圖2 (a)所示，所述光纖照明裝置由塑料光導纖維202和光纖終端發散器201組成，所述塑料光導纖維202採用直徑為2mm的PMMA型塑料光導纖維，所述纖終端發散器201 通過塑料光導纖維202連接在雲臺底板B上；所述玻璃凸透鏡104接收太陽光，通過雙端可調節杆107來改變雲臺採光板A和底板B之間的距離來調節玻璃凸透鏡104的光斑大小， 再通過上下、左右移動光纖受口器106在雲臺底板B上的圓孔中的位置，可以使光斑正好落到光纖受口器106中心位置，將聚光後的陽光導入塑料光導纖維202，最後通過光纖以全反射的方式把光導入室內直接照明。如圖2(b)所示，所述LED光源包括蓄電池108，蓄電池108的正極通過LED照明自動控制器203連接有節能LED燈204，節能LED燈204的另一端連接有蓄電池108的負極，所述照明控制器203為一個觸發開關，單片機給其一個高脈衝信號便自動閉合，接受低脈衝信號自動斷開；所述蓄電池108還連接有太陽能電池板103 ；本發明白天直接將室外陽光引入照明，特別適合地下停車場、博物館、大型商場、 體育館、賓館等場合，可以節約大量電源；照明控制器203為一個觸發開關，單片機給其一個高脈衝信號便自動閉合，接受低脈衝信號自動斷開。當光照強度小於設定值閾值時，陽光輸送機的自動跟蹤系統停止跟蹤，單片機發出控制信號使LED照明控制器203將節能LED 燈204與蓄電池108接通，利用節能LED燈204可以提供長達12小時的持續照明；當光照強度大於設定值閾值時，單片機發出控制信號使LED照明控制器203切斷節能LED燈204 與蓄電池108的連接，陽光輸送機的自動跟蹤系統重新開始跟蹤轉換為光纖照明，如果需要特別明亮的照明環境，可以通過關閉LED照明自動控制器203的開關，使蓄電池108和光纖照明裝置共同工作，從而光纖照明和LED照明同時運行為室內提供加強照明。如圖3所示，光纖受口器106呈漏鬥狀，光纖受口器106的一端設置有聚光孔301 及頂蓋302，與聚光孔301相對位置配置有光纖入口 304及光纖圓形套管303，所述光纖圓形套管303的外直徑為2. 5mm,內徑為2. 1mm。如圖4所示，太陽能電池板103提供12v左右的電源可以直接為東西方向控制電機101和南北方向控制電機105提供動力，單向導電二極體Dl的正極接四口接線端子JP3的4腳，單向導電二極體Dl的負極接蓄電池108正極，二極體D2連接7805穩壓電源晶片的輸入端，為系統提供5V左右的電源。在白天的時候，太陽能電池板103將發出來的電能一部分用於整套系統消耗，剩餘部分存儲於蓄電池108中；光照強度很弱時，由於單向導電二極體Dl的單向導通作用，蓄電池108不能給電容C6、C7、C8、C9、ClO供電，兩個控制電機也由於沒有電力不能運轉，而可以通過穩壓電源晶片7805繼續為單片機供電，保證單片機程序的正常運行。在光照良好的情況下，太陽能電池板103輸出電壓高於蓄電池108的充電電壓，因此太陽能電池板103、單向導電二極體D1、蓄電池108和控制電路模塊構成迴路，實現了對蓄電池108的充電與控制電路模塊的供電，實現了對陽光的跟蹤；光照較差的情況下，蓄電池108電壓高於太陽能電池板103電壓，由於單向導電二極體Dl具有單向導電性，因此截止了蓄電池108向太陽能電池板103方向的電流，降低了蓄電池108的損耗並且對太陽能電池板103起到保護作用。如圖5示，STC12C5A60S2單片機與U98N驅動晶片驅動控制電機原理是單片機的 P3. 4、P3. 5、P3. 6、P3. 7 引腳分別連接 L298N 驅動晶片的 5 (INl)、7 (IN2)、10 (IN3)、 12(IN4)引腳，為其發送控制信號，控制東西方向電機101和南北方向電機105的工作和停止。U98N驅動晶片的4腳Vss直接接太陽能電池板103的正極，利用太陽能電池板 103為兩個控制電機提供動力，2 (OUTl)、3 (0UT2)、13 (0UT3)、14 (0UT4)引腳為輸出端，分別接東西方向控制電機101和南北方向控制電機103的正負極，根據單片機提供的指令控制電機正反轉或者停止。二極體D5、D6、D7、D8和D12、D13、D14、D15為續流二極體，發光二極體D9、 D1(l、D11和Dni用於分別顯示兩個電機的正反轉情況，J6(即C0N4)為4 口接線端子，由上至下1-4分別外接東西方向控制電機101和南北方向控制電機103的正負極。如圖6所示，本發明通過陽光傳感器102來判斷太陽光的照射情況，陽光傳感器 102上安裝的光敏電阻元件對於不同的光照強度其阻值在一定範圍成近似線性變化，陽光傳感器102將光敏元件產生的模擬量通過數據線傳輸到STC12C5A60S2單片機的Pl 口 (P1. 0 Pl. 7)，STC12C5A60S2單片機自帶8路10位高速A/D轉化器，它們的A/D轉換口都在Pl 口( 1.0 ？1.7)，轉換速度可達ΙΟΟΚΗζ，因為該單片機的8路A/D轉化器為電壓輸入型，光敏元件提供的模擬量為電流信號，在Pl. 0 Pl. 7 口外接8個電位器(即可變電阻器)，將陽光傳感器102提供的電流信號轉換為電壓信號再經過信號放大電路，濾波電路， 比較電路的處理提供給單片機。採用電位器而不用電阻，因為不同環境不同地域外界光照強度差異很大，通過簡單調節8個電位器就可以調節陽光傳感器102給單片機的輸入量的大小，從而可以對控制系統進行一定的校準。STC12C5A60S2單片機通過內部程序處理陽光傳感器102和相關電路提供的數位訊號，利用集成晶片L298N驅動控制電機，使陽光輸送機的雲臺的光板A始終正對太陽光。，再利用玻璃凸透鏡104將太陽光進行聚光，雲臺採光板A的平面和雲臺底板B的平面必須平行放置，並且以雲臺底板B上正對玻璃凸透鏡104的焦點為圓心開6mm左右的圓形孔，將光纖受口器106安裝於雲臺底板B的圓形孔上，通過調節雙端可調節杆107，改變雲臺採光板A和底板B之間的距離來調節玻璃凸透鏡104的光斑大小，調節光斑直徑大小約為2mm。通過上下、左右移動光纖受口器106在雲臺底板B上的圓孔中的位置，可以使光斑正好落到光纖受口器106中心位置，因為光纖始端安裝於光纖受口器106的中心，這樣就相當於光斑打到了光纖的受光面上，從而將聚光後的陽光導入塑料光導纖維202，再通過光纖以全反射的方式把光導入室內直接照明。因為太陽光經過玻璃凸透鏡104匯聚到直徑為 2mm的聚光接口區域，其聚光面積比例達到(π*502)/(π*12) = 2500 (倍)，導致聚光接口區域的溫度大幅度上升，最高可達到120°C左右接近塑料光纖的熔點，所以塑料光導纖維處於融溶狀態必不可免，為了有效的提高散熱效果，採用金屬材料的光纖受口器106，並將其金屬材料上表面與雲臺鋁製底板B緊密連接，從而形成一個巨大的散熱器，使得聚光區域溫度大幅降低至70°C左右，達到了塑料光纖正常工作的溫度範圍。經過測試該陽光輸送機的終端光纖始終保持高亮狀態，16根光纖可以提供相當於兩個60W的日光燈的光通量；同時，由於太陽光也始終直射太陽能電池板103，顯著提高了太陽能發電效率，對於太陽能電池板103來說，太陽能發電效率能提高到22%以上，太陽電池板103產生的能量一部分為控制系統和電機提供動力，大部分儲存於鉛酸蓄電池中用於夜間LED照明。如圖7的結構示意圖所示，手動控制板由液晶顯示器IXD12864、9針串口插頭 UART、6個按鍵Sl S6組成。通過1觀64液晶顯示器可以隨時觀察陽光輸送機和LED互補照明裝置當前的運行情況，通過操作按鍵Sl可以把控制系統設置為手動和自動控制兩種模式，在自動控制模式下該裝置可以自動尋找太陽的方位，最終使陽光直射雲臺A的採光板；在手動模式下停止自動跟蹤，可以通過按下S2使雲臺向北運動，按下S5使雲臺向南運動，按下S4下使雲臺向西運動，按下S6下使雲臺向東運動，手動調節使雲臺採光板A正對陽光照射，用來對自動跟蹤情況進行校正。通過長按下S6超過30秒後，可以進入設置光照強度閾值界面，按下S2對原有閾值進行增加設置，按下S5對原有閾值進行減少設置，從而根據實際照明需要設置合適的光照強度閾值。一種陽光輸送機與LED互補照明裝置的控制方法，首先把太陽光的強度通過光電傳感器變換成電信號後，分為0-255的256個級別，其中0與255分別對應無光和最強的太陽光照強度，然後通過液晶顯示器把初始啟動系統時的雲臺採光板A的光照情況以數字形式顯示在液晶上，當液晶顯示器上的所顯示的光照強度值之和大於設定閾值時，系統認定當前情況為白天，先驅動南北方向控制電機105轉動確定太陽在南北方向的位置，接著再驅動東西方向控制電機101轉動進一步確定太陽在東西方向的位置，從而使太陽光到達雲臺採光板A的光照強度最大，即太陽光垂直照射玻璃凸透鏡104和太陽能電池板103。再通過利用凸透鏡104把太陽光匯聚到光纖受口器106的中心孔處，把塑料光導纖維202初始端插入光纖受口器106的中心孔，利用光纖的全反射原理導入室內進行照明， 由於太陽能電池板103—直受到陽光垂直照射，效率提高80%以上太陽能電池板提供12v 左右的電源可以直接為東西方向控制電機101和南北方向控制電機105提供動力；太陽能電池板103與單片機控制板的電源電路連接，通過7805穩壓電路將電壓轉換為5v給單片機提供電源，同時還通過單片機控制板與鉛酸蓄電池108相連並給其充電儲存能量，用於陰雨天和夜間LED照明。當液晶顯示器上所顯示的光照強度值之和小於設定閾值時，認為當前情況為陰雨天或者夜晚，自動控制系統停止跟蹤，而LED照明自動控制器203則自動接通蓄電池108，利用節能LED提供照明，當光照強度大於設定閾值時又會自動切換為光纖照明。
權利要求
1.一種陽光輸送機和LED互補照明裝置，由雲臺、自動跟蹤系統、光纖照明裝置和LED 光源四部分構成，其特徵在於，所述雲臺包括雲臺採光板(A)及安裝在其上面的玻璃凸透鏡(104)和太陽能電池板 (103)，雲臺採光板(A)通過雙端可調節杆(107)設置有雲臺底板(B)，所述雲臺採光板(A) 固定於U型管架(D)上，U型管架(D)設置於控制箱及底座(C)上；所述自動跟蹤系統包括安裝在雲臺採光板(A)上的陽光傳感器(102)、東西方向控制電機(101)和南北方向控制電機(105)，所述陽光傳感器(10 通過數據線連接有控制電路模塊，液晶顯示器模塊和按鍵模塊，所述控制電路模塊包括單片機，單片機的輸出端連接驅動晶片的輸入端，驅動晶片的輸出口連接東西方向控制電機(101)和南北方向控制電機(105)的接口 ；所述驅動晶片和單片機的電源端連接有太陽能電池板(103)的正極；所述單片機的輸入端配置有電位器，根據單片機的控制信號實現對東西方向控制電機 (101)和南北方向控制電機(105)的正反轉和啟停控制；所述驅動晶片為L298N，單片機為 STC12C5A60S2 ；所述光纖照明裝置由塑料光導纖維(20 和光纖終端發散器O01)組成，所述塑料光導纖維(20 採用直徑為2mm的PMMA型塑料光導纖維，所述纖終端發散器(201)通過塑料光導纖維(20 連接在雲臺底板(B)上；所述LED光源包括蓄電池(108)，蓄電池(108)的正極通過LED照明自動控制器(203) 連接有節能LED燈004)，節能LED燈Q04)的另一端連接有蓄電池(108)的負極，所述照明控制器O03)為一個觸發開關，單片機給其一個高脈衝信號便自動閉合，接受低脈衝信號自動斷開；所述蓄電池108還連接有太陽能電池板(103)。
2.根據權利要求1所述的一種陽光輸送機與LED互補照明裝置的控制方法，其特徵在於，首先把太陽光的強度通過陽光傳感器(10 變換成電信號後，分為0-255的256個級別，其中0與255分別對應無光和最強的太陽光照強度，然後通過液晶顯示器把初始啟動系統時的雲臺採光板(A)的光照情況以數字形式顯示在液晶顯示器上，當液晶顯示器上所顯示的光照強度值之和大於設定閾值時，系統認定當前情況為白天，先驅動南北方向控制電機(10 轉動確定太陽在南北方向的位置，接著再驅動東西方向控制電機(101)轉動進一步確定太陽在東西方向的位置，從而使太陽光到達雲臺採光板(A)的光照強度最大，即太陽光垂直照射玻璃凸透鏡(104)和太陽能電池板(103)；再通過玻璃凸透鏡(104)把太陽光匯聚到光纖受口器(106)的中心孔處，把塑料光導纖維(202)初始端插入光纖受口器(106)的中心孔，利用光纖的全反射原理導入室內進行照明，由於太陽能電池板(103) —直受到陽光垂直照射，效率提高80%以上太陽能電池板 (103)提供12v左右的電源直接為西方向控制電機(101)和南北方向控制電機(10 提供動力；太陽能電池板(10 與單片機控制板的電源電路連接，通過7805穩壓電路將電壓轉換為5v給單片機提供電源，同時還通過單片機控制板與蓄電池(108)相連並給其充電儲存能量，用於陰雨天和夜間LED照明；當液晶顯示器上所顯示的光照強度值之和小於設定閾值時，認為當前情況為陰雨天或者夜晚，自動跟蹤系統停止跟蹤，而LED照明自動控制器 (203)則自動接通蓄電池(108)，利用節能LED燈(204)提供照明，當光照強度大於設定閾值時又會自動切換為光纖照明。
全文摘要
一種陽光輸送機和LED互補照明裝置，由雲臺、自動跟蹤系統、光纖照明裝置和LED光源四部分構成，所述雲臺包括雲臺採光板A及安裝在上面的玻璃凸透鏡和太陽能電池板，自動跟蹤系統包括陽光傳感器和控制電機，所述陽光傳感器通過數據線連接有控制電路模塊，液晶顯示器模塊和按鍵模塊，光纖照明裝置採用塑料光導纖維和光纖終端發散器組成，LED光源包括蓄電池，蓄電池通過LED照明自動控制器連接有節能LED燈，利用陽光傳感器來感知太陽光的照射情況，通過陽光傳感器以及自動跟蹤系統進而驅動控制電機工作，具有結構簡單，製造和運行成本低的特點，具有很高的性價比和廣闊的應用前景。
文檔編號F21Y101/02GK102374479SQ20111028840
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者吳濤, 寧鐸, 金巖, 黃建兵 申請人:陝西科技大學