专利名称：简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自然光照明系统，特别是一种适合设定的太阳光投射柱状区域用的简化太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，属于太阳能应用技术领域。
背景技术：
自古以来，人类为了获得光明，一直想尽各种办法获取自然光，先后发明了反射镜、导光管、光纤等采光技术，并且在相关方面不断创新。
反射镜传光通常称之为两次反射法，是一种经济实用、性能价格比较高的采光方式。这种采光方式的典型应用是将一块平面反射镜安装在建筑物上部，另一块反射镜安装在地面附近。当阳光照射到建筑物上部的平面反射镜后，被垂直反射向地面，照射到第二块反射镜，再将光反射进室内，从而达到采光目的。
本专利申请人多年来一直以建筑采光为课题，探索出多种采光照明技术，并对反射镜采光技术进行了较为深入的研究。
在土地资源日益昂贵的今天，很多高层建筑为了获取尽可能多的自然光，不得不耗费宝贵的空间资源，设计出庞大的天井结构。申请人发现，为了尽可能少的耗用空间资源，同时获得理想的性能价格比，反射镜采光成了类似天井这样的被设定太阳光投射区域采光的最佳方式。
为此，本专利申请人曾于2002年12月3日提出名为《太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统》的专利申请(申请号为02148415.5)，对反射镜采光技术的应用做了比较详细的论述，提出了可大幅度减少土地空间资源和平面反射镜面积、并实现设定太阳光投射区域内充满准直光的一整套技术方案该方案中的自动跟踪太阳反射装置由平面反射镜、驱动平面反射镜转动的二维主、辅轴机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路组成(该装置的自动跟踪原理可以参见已授权发明专利《全自动跟踪太阳的采光装置》，其申请号为99114216.0、申请日为1999.05.19)。
此外，该方案中独特的平面导轨运动机构含有布置在被设定的太阳投射柱状区域上端口的导轨以及由处理电路控制、在导轨上运动的基座，自动跟踪太阳反射装置中二维主、辅轴机械传动机构的底座安装在基座上。该专利申请的技术方案依靠太阳光跟踪技术和太阳光定位、间距、准直传感器的共同作用，可以将准直太阳光充满被设定太阳投射柱状区域，大幅缩小了平面反射镜面积，在原理上是正确的，具有较大创新性，也具有一定实用性，但申请人通过进一步深入研究感到该方案还存在以下问题整体运动环节多，控制系统过于复杂；驱动机构多，系统成本还有下降空间。
发明内容
基于上述情况，本发明的首要目的在于提出一种可以将入射的平行太阳光通过平面反射镜反射后投射到设定柱状区域内的简化太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，并进而通过安装在设定柱状区域内的二次反射镜反射进入采光建筑内照明利用。
本发明进一步的目的是提出一种以小面积、多片平面反射镜实现设定投射柱状区域充满太阳光的简化太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，尤其是解决本申请人此前申请的专利《太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统》中系统运动环节复杂和驱动机构数量过多的问题，从而使系统结构更合理、机构更简化、成本更降低。
为了达到上述首要目的，本发明简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统的基本技术方案为本系统包括平面反射镜及其框架和安装于设定太阳光投射柱状区域内的二次反射镜、调整平面反射镜方位角和高度角的二维机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路、连接到处理电路的太阳光定位和准直传感器，其中(A)所述二维机械传动机构的方位角调整机构主要由电机减速机构驱动的小车、Y形连杆、环形转动架及约束环形转动架运动的环形轨道组成。其中Y形连杆两分叉端分别铰支于环形转动架的两外侧壁，另一端与小车固连，环形轨道布置在被设定的太阳光投射柱状区域上端口。(B)所述二维机械传动机构的高度角调整机构主要由连杆、电机减速机构驱动的丝杠及其支撑架、螺母、竖直对称固连于环形转动架直径方向上的两组支架组成。支撑架与小车固连，丝杠铰支于支撑架，连杆一端与平面反射镜框架铰接，另一端与可沿丝杠升降的螺母铰接，框架两侧边分别铰支于两组支架，两铰支点连线形成框架南北向旋转运动的回转轴线。
工作时，本系统中的太阳光定位和准直传感器将感受到的太阳光位置和反射光角度信号输送到处理电路，处理电路通过电机驱动小车、Y形连杆、环形转动架及其环形轨道组成的方位角调整机构，使平面反射镜及其框架作东西方向的调整；与此同时，还通过电机驱动主要由连杆、丝杠及其支撑架、螺母、支架组成的高度角调整机构，使得平面反射镜及其框架作南北方向的调整，实现对太阳的自动跟踪，不断将接收到的太阳光反射到被设定太阳光投射区域，再通过二次反射镜将光反射进室内，达到采光目的。
与原先专利申请的系统机构相比，本发明以小车带动环形转动架沿环形轨道围绕上端口旋转的东西向运动机构代替了原先的二组直线主副导轨机构和主轴机构，以螺母带动连杆沿丝杠而升降移动的南北向运动机构代替了原先的辅轴机构，因此大幅度简化了整体结构，传动更简捷，运动方式更清晰，原理也更简单明了。
为了达到进一步的发明目的，本发明系统含有三片以上奇数片的平面反射镜及其伸缩运动驱动机构，所述平面反射镜中居中的一片中置反射镜与铰支在支架上的框架固连，可以随框架绕回转轴线回转，其他反射镜对称分布于中置反射镜前、后；所述伸缩运动驱动机构主要由电机减速机构、齿轮组、丝杠螺母结构、推板、滑竿和支撑套组成，对称分布于中置反射镜前、后的平面反射镜两侧分别固连一根滑竿，所述滑竿插装在固连于框架上的对应支撑套内，可沿着支撑套滑移。各滑竿的另一端分别与对应的上、下推板固连，上、下推板与对应的丝杠螺母机构中的螺母固连，各丝杠上分别固连相互啮合的齿轮，其中一丝杠与电机减速机构的输出轴连接，电机减速机构固定安装于框架一端。
这样，在电机动力的驱动下，通过丝杠螺母机构以及滑竿和支撑套构成的移动副，前、后两片平面反射镜可以中置反射镜为中心，自动根据太阳高度位置，同时做相对或相反方向的伸缩运动，以保证设定的太阳光投射柱状区域内始终充满太阳准直光。由于前、后反射镜通过同一动力源驱动、且前后重量自相平衡，因此与原先专利申请中的机构每片平面反射镜附带一套前后伸缩运动驱动机构的技术方案相比，明显减少了驱动机构数量，而且解决了原先平面反射镜向前伸出时悬臂过长以及必须加载配重的问题。
总之，为了实现设定的太阳光投射柱状区域内充满太阳准直光，本发明的系统含有三套自成体系、又相互有机联系的独特机构由小车带动环形转动架沿环形轨道围绕端口旋转的东西向运动机构；由螺母带动连杆沿丝杠而升降移动的南北向运动机构；驱动前、后两片平面反射镜以中置反射镜为中心，同时做相对或相反方向伸缩运动的驱动机构。这三套独特机构不仅使本发明的系统自动跟踪太阳，始终保证设定的太阳光投射柱状区域内充满太阳准直光，而且整机结构大大简化、紧凑，由于在驱动同样数量平面反射镜时，驱动机构的数量比原先减少50％以上，因此制造成本进一步降低，更便于推广应用。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施例方式
本实施例简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统结构示意如图1所示，包括平面反射镜12、13、14及其框架16和安装于设定太阳光投射柱状区域内的二次反射镜(图中未示出)、调整平面反射镜方位角和高度角的二维机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路(图中未示出)、太阳光定位和准直传感器(图中未示出)。其中调整平面反射镜方位角和高度角的二维机械传动机构分别为1、由电机减速机构驱动的小车6带动环形转动架3沿环形轨道1内壁围绕端口旋转的东西向运动机构；2、由螺母9带动连杆10沿由电机减速机构驱动的丝杠8升降移动的南北向运动机构。
具体来说，二维机械传动机构的方位角调整机构主要由电机减速机构驱动的小车6、Y形连杆5、5’、环形转动架3以及约束环形转动架3运动的环形轨道1组成。其中Y形连杆5、5’的两分叉端分别铰支于环形转动架3的两外侧壁，另一端与小车6固连，环形轨道1的布置位置使其几何中心与被设定的太阳光投射柱状区域上端口(ABCD)几何中心基本重合。为了降低对环形轨道1加工精度的要求，以降低成本，环形转动架3的侧面安装有若干个可沿环形轨道1内壁滚动的弹性小滚轮2。
二维机械传动机构的高度角调整机构主要由连杆10、由电机减速机构驱动的丝杠8及其支撑架7、螺母9、竖直对称固连于环形转动架3直径方向上的两组支架11组成。支撑架7与小车6上表面固连，丝杠8铰支于支撑架7中，连杆10一端与平面反射镜框架16铰接，另一端与可沿丝杠8升降的螺母9铰接，框架16两侧边分别铰支于两组支架11，两铰支点连线形成框架16南北向旋转运动的回转轴线OO’。
以上系统工作时，来自太阳光定位、准直传感器的探测信号通过处理电路的处理，分别控制二维机械传动机构中方向角和高度角调整机构的运动，不断通过东西向和南北向形成的复合运动调整平面反射镜的空间角度，使平面反射镜始终跟踪太阳，以便充分接收和反射太阳光。在此基础上，当太阳高度很高、即高度角很大时，反射镜的反射光投影面积变小，因此尺寸有限的单片平面反射镜将无法全部照明被设定太阳光投射柱状区域。
为了解决这一问题，本系统还包括三片(或者三片以上奇数片)平面反射镜12、13、14，中间一片平面反射镜13固定安装于两铰支点间的框架16上，可以通过框架16绕回转轴线OO’回转，形成中置反射镜；另外的每两片反射镜12、14组成一组，对称分布在此中置反射镜13两侧，每组反射镜12、14的两侧分别固连一根滑竿15，此滑竿15插装在固连于框架16的支撑套23上，可以沿支撑套23滑行。每组两片平面反射镜12、14以中置反射镜13为中心，可以同时做相对或相反方向伸缩运动。驱动伸缩运动的驱动机构主要由电机21及其减速机构22、齿轮组17、18、两根丝杠20、20’、分别与各自丝杠啮合并可沿其移动的两个螺母19、19’、与滑竿15另一端固连的两块推板24、24’组成。电机21及其减速机构22固定安装于框架16一端，减速机构22的输出轴与其中一根丝杠20’固连，每根丝杠上固连一个齿轮，每个螺母与对应的推板固连。这样，当减速机构22的输出轴带动丝杠20’旋转时，螺母19’沿丝杠20’移动，进而带动推板24’运动，使得滑竿15沿框架16上的支撑套23滑行；同时由于齿轮组17、18的反向转动传递作用，巧妙地实现了平面反射镜14做与反射镜12相反或相对方向的运动，从而使三片反射镜共同反射太阳光，将设定太阳光投射柱状区域ABCD充满。
关于本发明太阳光定位和准直传感器的结构、原理以及控制机械传动机构的处理电路原理在此前申请的专利《太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统》中有详细描述，此处不再赘述。值得一提的是，本发明二维机械传动机构跟踪太阳的运动与平面反射镜组及其伸缩运动驱动机构不是简单的叠加，而是有机的结合，因此可以最大限度地利用太阳光进行设定太阳光投射柱状区域的充分照明。
除以上实施例外，本发明还有其他多种实施方式。例如，环形转动架约束于环形轨道外壁，从而由沿环形轨道内壁旋转改为沿外壁旋转，驱动平面反射镜前后伸缩运动的丝杠螺母机构改为螺母旋转、丝杠移动的方案等等。凡是本领域技术人员在本发明基础上所做的等同替换或类似组合变换均属于本发明保护范围。
权利要求
1.一种简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，包括平面反射镜及其框架和安装于设定太阳光投射柱状区域内的二次反射镜、调整平面反射镜方位角和高度角的二维机械传动机构、控制机械传动机构的处理电路、连接到处理电路的太阳光定位和准直传感器，其特征在于(A)所述二维机械传动机构的方位角调整机构主要由电机减速机构驱动的小车、Y形连杆、环形转动架及约束环形转动架运动的环形轨道组成；其中Y形连杆两分叉端分别铰支于环形转动架的两外侧壁，另一端与小车固连，环形轨道布置在被设定的太阳光投射柱状区域上端口；(B)所述二维机械传动机构的高度角调整机构主要由连杆、电机减速机构驱动的丝杠及其支撑架、螺母、竖直对称固连于环形转动架直径方向上的两组支架组成；其中支撑架与小车固连，丝杠铰支于支撑架，连杆一端与平面反射镜框架铰接，另一端与可沿丝杠升降的螺母铰接，框架两侧边分别铰支于两组支架，两铰支点连线形成框架南北向旋转运动的回转轴线。
2.根据权利要求1所述简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于还含有三片以上奇数片的平面反射镜及其伸缩运动驱动机构；所述平面反射镜中居中的一片中置反射镜与铰支在支架上的框架固连，其他反射镜对称分布于中置反射镜前、后；所述伸缩运动驱动机构主要由电机减速机构、齿轮组、丝杠螺母结构、推板、滑竿和支撑套组成，对称分布于中置反射镜前、后的平面反射镜两侧分别固连一根滑竿，所述滑竿插装在固连于框架上的对应支撑套内，各滑竿的另一端分别与对应的上、下推板固连，上、下推板与对应的丝杠螺母机构中的螺母固连，各丝杠上分别固连相互啮合的齿轮，其中一丝杠与电机减速机构的输出轴连接，电机减速机构固定安装于框架一端。
3.根据权利要求1或2所述简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于所述环形转动架的侧面安装可沿环形轨道侧壁滚动的弹性小滚轮。
4.根据权利要求1或2所述简化的太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，其特征在于所述环形转动架约束于环形轨道侧壁。
全文摘要
本发明涉及一种适合设定的太阳光投射柱状区域用的简化太阳光跟踪反射、定位准直采光照明系统，属于太阳能应用技术领域。该系统包括平面反射镜及其框架、二次反射镜、二维机械传动机构、处理电路、太阳光定位和准直传感器。其中由电机及其减速机构驱动的小车带动环形转动架沿环形轨道围绕端口旋转的东西向运动机构调整平面反射镜方位角，螺母带动连杆沿由电机和减速机构驱动的丝杠而升降移动的南北向运动机构调整平面反射镜高度角。本发明在太阳光定位和准直传感器、控制处理电路的作用下，将准直太阳光充满被设定的太阳光投射柱状区域，系统运动环节紧凑、精练，驱动机构数量大幅减少，成本进一步降低，有推广应用的良好前景。
文档编号F21V13/04GK1519504SQ03112730
公开日2004年8月11日 申请日期2003年1月23日 优先权日2003年1月23日
发明者张耀明, 张文进, 孙利国, 刘晓晖, 陈强, 张振远, 徐明泉 申请人:张耀明, 张振远, 南京春辉科技实业有限公司