一种集光系统的制作方法

文档序号:10683402阅读:504来源:国知局
一种集光系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种集光系统,属于道路桥梁领域的机电系统领域,用于对隧道入口段进行照明。所述集光系统包括:反射镜、机械平台和控制器,所述反射镜设置于所述机械平台,所述反射镜用于将太阳光反射入隧道入口,使反射光线均匀散布于整个入口段的地面,所述控制器用于发送控制指令至所述机械平台,所述机械平台根据所述控制指令控制所述反射镜运动以使所述反射镜反射的光射入所述隧道入口。本发明的目的在于提供一种集光系统,以有效利用太阳光实现隧道入口段的自然照明,降低隧道入口段的照明成本和能耗、提高现有的集光系统的光能利用率。
【专利说明】
-种集光系统
技术领域
[0001] 本发明设及光学元件、系统或仪器领域,具体而言,设及一种集光系统。
【背景技术】
[0002] 由于隧道入口段是隧道内部密闭黑暗空间与外部明亮空间的交界处,因隧道内外 巨大的亮度差异,导致驾驶者进入隧道时产生巨大的视觉明暗突变,形成白天与夜间进桐 时的"黑桐效应"与"白桐效应",极易引发行车安全事故。因此,公路隧道入口段的照明极为 重要,照明的照度指标极为苛刻,既要考虑隧道的结构尺寸、设计车速等因素,还要满足非 常特殊的空间光场分布标准,更要与桐外亮度匹配,W确保隧道内的行车安全。
[0003] 由于任何人造光源与阳光都有巨大的亮度差、无法达到照度匹配的要求,人们不 得不在隧道入口段大幅度增加照明灯具的安装密度、增大照明灯具的功率,从而在入口段 形成一个特殊的"加强照明"区段,W缓解隧道内外的巨大亮度差。运就导致隧道入口段加 强照明的建设成本与营运成本都要翻番,其平均建设成本约占整个隧道照明总投资的 30%,而平均能耗更占了整个隧道照明总能耗的40%左右。此外,要使"公路隧道入口段的 照明指标必须与隧道桐外亮度匹配",还必须增加自适应控制系统,使其随桐外亮度的变化 而自动改变亮度,运更进一步增加了入口段加强照明的技术难度与建设成本。因此隧道入 口段的加强照明,既是目前隧道照明节能最大能耗突破口,更是隧道照明节能的一个技术 瓶颈。
[0004] 光纤太阳光照明是目前最节能的照明技术,它是利用光导纤维将太阳光引入室 内,W实现照明零耗能、零排放。图1所示为现有的光纤太阳光照明系统,它由集光系统101、 控制系统102、传输系统103和输出系统104组成,其中集光系统101为聚光透镜,传输系统 103为光纤,输出系统104为光线灯具,聚光透镜将光能聚集到光纤里,利用光纤的低损耗特 性、就可W将光能远程传输到光纤灯具。
[0005] 考虑到成本的因素,光纤太阳光照明系统的聚光透镜一般采用菲涅尔透镜,但菲 涅尔透镜的面积也不可能太大、单个透镜接受的光通量很小,因此需要同时采用多套系统 才可能获得足够的光能。虽然菲涅尔透镜的成本较低,但受其原理限制、加之光纤的忍径过 小,因而太阳光汇聚进光纤的禪合效率较低,绝大部分光能都在光纤端面处散失;虽然采用 大忍径塑料光纤是改善其光能禪合效率的有效途径,但约占太阳光总能量一半的紫外与红 外等不可见光经透镜汇聚后使会聚点的溫度骤然升高到数百度,足W烤化塑料光纤,使得 光纤太阳能照明系统无法采用低成本、大忍径的塑料光纤,只能使用高成本、小忍径的石英 光纤,运增大了系统成本、限制了它的能量禪合效率,使其不可能用于隧道照明。
[0006] 为了解决光纤太阳能照明的能量禪合效率问题,人们提出了隧道太阳光二次反射 照明系统,如图2所示,所述系统包括第一反射镜201和第二反射镜202,所述第二反射镜202 安装在隧道入口的顶部,所述第一反射镜201将太阳光反射入所述第二反射镜202,经所述 第二反射镜202的二次反射射入隧道入口处,因此,所述系统解决了透镜与光线的禪合效率 低的问题、省去了昂贵的传输光线,但是,如图2所述的系统需要两个反射镜配合使用,增加 了安装的难度,并且太阳光经过两次反射之后使得光能利用率过低,同时,由于第一反射镜 201水平安装,使得灰尘、雨水等容易积落在反射镜上,使得反射镜的反射率大大降低,从而 使得光能损失加剧。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种全新的集光系统,可W有效解决上述二种阳光照明方 案的不足,W为隧道入口照明提供一种低成本、高效率的照明系统。
[0008] 第一方面,本发明实施例提供的一种集光系统,用于对隧道入口段进行照明,所述 集光系统包括:反射镜、探测器、机械平台和控制器,所述反射镜设置于所述机械平台,所述 反射镜用于将太阳光反射入隧道入口,所述探测器包括多个W所述探测器中屯、处对称分布 的光强采集器,并设置在所述反射镜平台的反射光路径上但不在凹面反射镜的焦面上、而 位于所述反射镜的平台上,多个光强采集器用于将采集到的光照强度转换成电信号后发送 给所述控制器,所述控制器用于将太阳照射角度变化转换为控制指令,将控制指令发送至 机械平台;所述机械平台根据所述控制指令控制所述反射镜运动W使所述反射镜与太阳保 持同步运动、并始终使反射光射入所述隧道入口内的预定区域上。
[0009] 本发明实施例中,根据隧道与太阳的相对空间角度位置关系、将所述集光系统安 装在隧道入口前方的适当位置处,从而将太阳光反射入隧道入口内,W保证隧道入口的照 明亮度,缓减隧道入口内外的明亮差异。而通过呈空间对称分布的探测器输出、结合预设的 跟踪方法,实时调整机械平台运动、实现对反射镜俯仰角与方位角的调整,使反射镜自动跟 踪太阳运动、确保隧道入口的照明效果。
[0010] 运样在晴天的条件下,隧道入口段的照明可W完全不用任何人找光源、而仅利用 此集光系统,从而实现隧道照明的零耗能。而在阴天条件下,也可适当改善Lm)灯等人造光 源的照明效果。因此,与现有的纯人造光源照明方式相比,可W大幅度降低隧道入口照明的 能耗与成本。
[0011] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述,并且,部分地从说明书中变得 显而易见,或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说 明书、权利要求书、W及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可W根据运些附图获 得其他的附图。通过附图所示,本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部 附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图,重点 在于示出本发明的主旨。
[0013] 图1示出了现有的光纤太阳光照明系统的结构原理图;
[0014] 图2示出了现有的太阳光二次反射照明系统的结构示意图;
[001引图3示出了本发明实施例提供的一种隧道入口照明系统的结构原理图;
[0016]图4示出了本发明实施例提供的一种集光系统的结构原理图;
[0017] 图5示出了本发明实施例提供的另一种集光系统的结构原理图;
[0018] 图6示出了本发明实施例提供的太阳光跟踪方法的实施例的方法流程图;
[0019] 图7示出了本发明实施例提供的集光系统的探测器的实施例的结构原理图;
[0020] 图8示出了本发明实施例提供的所述反射镜竖直方向的转动示意图;
[0021] 图9示出了本发明实施例提供的所述反射镜水平方向的转动示意图;
[0022] 图10示出了本发明实施例提供的一种太阳光跟踪系统的实施例的模块框图;
[0023] 图11示出了本发明实施例提供的另一种太阳光跟踪系统的实施例的模块框图;
[0024] 图12示出了本发明实施例提供的另一种隧道入口照明系统的实施例的结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例,都属于本发明保护的范围。
[0026] 为了克服图1和图2的部分缺陷,W有效降低现有的用于提高隧道入口明亮度的系 统的成本W及有效提高现有的集光系统的光能利用率,本发明实施例提供了一种隧道入口 照明系统,如图3所示,所述隧道入口照明系统包括如图4所示的集光系统,所述集光系统包 括反射镜301、探测器303、机械平台302和控制器,所述反射镜301用于将太阳光反射入隧道 入口,所述探测器303包括多个W所述探测器303中屯、处对称分布的光强采集器,并设置在 所述反射镜平台的反射光路径上,例如,所述探测器303设置在所述反射镜将太阳光反射入 隧道入口的反射光路径上,所述多个光强采集器用于将采集到的光照强度转换成电信号后 发送给所述控制器,所述控制器用于将太阳照射角度变化转换为控制指令,将控制指令发 送至机械平台;所述机械平台根据所述控制指令控制所述反射镜运动W使所述反射镜反射 的光射入所述隧道入口,其中,所述反射镜为凹面反射镜,所述探测器303位于所述反射镜 的焦点与所述反射镜的镜面之间,所述探测器303位于所述反射镜的平台上。
[0027] 本发明实施例提供的所述集光系统的【具体实施方式】可W是:
[0028] 假设隧道的长度方向为南北方向,隧道的入口段位于北边,将所述集光系统安装 在隧道入口北边的适当位置处,例如,可W是隧道入口的北方的距离隧道入口 30米处,假设 此时的时间为正午,太阳光垂直于地面照射,所述反射镜301倾斜摆放,所述反射镜301的镜 面朝向隧道入口,太阳光射入所述反射镜301,经所述反射镜301的反射后射入所述隧道的 入口处,可W控制反射镜301的角度使所述反射镜301反射的光线射到隧道入口的地面上, 提高隧道入口的亮度,缓减隧道入口内外的明亮差异。
[0029] 本发明实施例中,根据隧道与太阳的相对空间角度位置关系、将所述集光系统安 装在隧道入口前方的适当位置处,从而将太阳光反射入隧道入口内,W增加隧道入口段的 照明亮度,缓减隧道入口内外的明亮差异。而通过呈空间对称分布的探测器输出、结合预设 的跟踪方法,实时调整机械平台运动、实现对反射镜俯仰角与方位角的调整,使反射镜自动 跟踪太阳运动、确保隧道入口的照明效果。
[0030] 运样在晴天的条件下,隧道入口段的照明可W完全不用任何人找光源、而仅利用 此集光系统,从而实现隧道照明的零耗能。而在阴天条件下,也可适当改善Lm)灯等人造光 源的照明效果。因此,与现有的纯人造光源照明方式相比,可w大幅度降低隧道入口照明的 能耗与成本。
[0031] 并且,与图1所示的光纤太阳光照明系统相比,本发明实施例的所述反射镜301可 W由打磨后的侣板制作而成,突破了各种光学透镜W及菲涅尔透镜的工艺限制,增大了反 射镜的镜面面积,避免需要多个光学透镜同时作用才能获得足够的光能,大幅度降低了集 光系统的制作成本,同时,反射镜的镜面面积足够大,从而能够获得更多的光能,进一步降 低了整个系统的成本。
[0032] 另外,与图1所示的光纤太阳光照明系统相比,本发明实施例省去了光纤传输系 统,所述反射镜301反射的光束直接汇聚到隧道入口,不仅有效避免了由于透镜与光线的禪 合效率不高导致整个系统的效率过低,而且也有效避免了采用小忍径的石英光纤做传输而 导致系统的成本过高,因此,大幅度提升本发明实施例所提供的系统的传输效率,也进一步 降低了整个系统的成本。
[0033] 另外,与图1所示的光纤太阳光照明系统相比,所述反射镜301将太阳光反射入隧 道入口段的所需区域,从而不需要传输系统,有效避免光线在传输系统内多次反射而导致 光能的损耗,有效提高了系统的效率和光能利用率,同时也降低了整个系统的成本。
[0034] 再者,与图2所示的太阳光二次反射照明系统相比,本发明实施例中,太阳光只需 要经过所述反射镜的一次发射,有效避免了二次反射导致光能利用率过低,而且有效降低 了安装成本和安装的复杂程度。
[0035] 本发明实施例所提供的集光系统的所述反射镜301的结构可W是如图4所示,所述 反射镜301包括金属框架412和镜面401,所述镜面401安装在所述金属框架412上,所述金属 框架为中部凹陷的凹形结构,所述反射镜的镜面包括多个单独的子反射镜,所述多个子反 射镜均为平面镜,所述多个子反射镜安装在所述金属框架形成一个整体的凹面反射镜。
[0036] 因此,通过足够大的凹面的金属框架,并在金属框架上安装多个子反射镜,其中, 多个子反射镜均为平面反射镜,能够获得足够大的凹面反射镜,解决现有的大面积凹面镜 的工艺成本。本发明实施例提供的反射镜301可W采用金属框架412与多个子反射镜的组 合,固定安装在金属框架412上,使所述反射镜301易于制作,减少了制作成本,成本低廉,易 于运输W及便于安装。为了将太阳光反射入隧道入口,所述反射镜301被设置为倾斜安装, 有效降低了镜面上的积水和积累的灰尘。
[0037] 每个子反射镜上设有多个通孔411,每个所述通孔411的横截面的面积小于或等于 所述反射镜的整体镜面面积的千分之二。
[0038] 本发明实施例中,为了使所述反射镜301能接收更多的太阳光,所述反射镜301的 安装位置一般都比较高,就需要考虑风阻对反射镜301转动时的影响。本发明实施例中,为 了减小整个反射镜301的风阻,在反射镜301的镜面上设置多个通孔411,为了减少通孔411 对反射镜的反射的光能的影响,所述通孔411的直径不易过大。
[0039] 优选的,通孔411的横截面形状可W为圆形。当然,通孔411的横截面形状也可W为 其他形状,例如方形等,本发明的具体实现方式并不W此为限。优选的,多个通孔411可W呈 矩阵排列在镜面401,当然,多个通孔411也可W排列也可W是不均匀的,例如可W周边疏、 中间密,或者中间疏、周边密等。
[0040] 例如,所述镜面的面积为4平方米,每个通孔411的直径为1cm,则每个通孔411的横 截面约为0.7854平方厘米,即使每个反射镜301的镜面上安装有100个通孔,则所有通孔的 总面积约为0.117854平方米,只占整个反射镜面积的千分之二,相当于整个反射镜的4平方 米的面积来说可W忽略不计。因此,即减小了风阻,又没有过多降低反射镜反射面的总面 积,即对反射的光能的影响微乎其微。
[0041] 本发明实施例中,所述机械平台302的结构可W如图4所示,所述机械平台302包 括:支架、分别与所述控制器连接的第一驱动装置W及第二驱动装置,所述支架包括主支杆 409、转轴405、第一支杆413W及分别垂直设置于所述第一支杆413两端的两个第二支杆 403,所述第一支杆413与两个所述第二支杆403构成一个U形的支架。
[0042] 所述主支杆409活动的连接于所述第一支杆413并垂直于所述第一支杆413,优选 的,所述主支杆409连接于所述第一支杆413的中间位置。
[0043] 所述转轴405的两端分别活动的连接于其中一个所述第二支杆403,所述转轴405 平行于所述第一支杆413,所述反射镜固定连接于所述转轴405,所述第一驱动装置用于驱 动所述转轴405转动,所述第二驱动装置用于驱动所述第一支杆413相对于所述主支杆409 转动。
[0044] 如图4所示,本发明实施例中,所述第一驱动装置可W包括:与所述控制器连接的 第一步进电机406,所述第一步进电机406安装在其中一个第二支杆403的一端,另外一个所 述第二支杆403上设有第一轴承404,例如图4中的所述第一步进电机406安装在左边的第二 支杆403上,所述第一轴承404安装在右边的第二支杆403上,所述转轴405的一端与所述第 一步进电机406的蜗轮蜗杆连接,所述转轴405的另一端安装在所述第一轴承404内。
[0045] 因此,本发明实施例中,所述第一驱动装置驱动所述转轴405转动的方式是:所述 第一步进电机406的蜗轮蜗杆的转动带动所述转轴405的转动,所述转轴405的另一端安装 在所述第一轴承404内,所述第一轴承404既能够减少所述转轴405转动时的阻力,又能够起 到一个限位的作用,减少所述转轴405转动时的振动幅度。
[0046] 如图4所示,本发明实施例中,所述第二驱动装置可W包括:与所述控制器连接的 第二步进电机407和滚轮408,所述第二步进电机407和滚轮408固定于所述第一支杆413,所 述第二步进电机407为所述滚轮408提供动力W使所述第一支杆413可相对于所述主支杆 409转动,例如,所述第二步进电机407的满轮蜗杆穿入所述滚轮408的轮穀内。
[0047] 因此,本发明实施例中,所述第二驱动装置驱动所述第一支杆413相对于所述主支 杆409转动的方式是:将所述主支杆409的自由端固定,例如,在将所述机械平台置于地面上 时,将所述主支杆409的自由端插入地面的一定深度内,具体插入地面的深度视安装位置处 的地面情况而定,W保证所述主支杆409插入地面的部分不会脱离出为准。所述控制器启动 所述第二步进电机407,所述第二步进电机407的满轮蜗杆的转动带动所述滚轮408的转动, 由于所述主支杆409的限位作用,导致所述滚轮408的运动轨迹围绕所述主支杆409,从而使 所述第一支杆413可相对于所述主支杆409转动。
[0048] 另外,为了便于整个集光系统的安装和运输,本发明实施例中,所述集光系统还可 W包括底座410,所述底座410的中央具有一个通孔,所述第一支杆413安装于所述底座410 的上表面,所述第二步进电机407和滚轮408固定于所述底座410的下表面,所述主支杆409 穿过所述通孔。
[0049] 其中,优选地,所述底座410设有=个滚轮,所述=个滚轮的连线构成一个等边= 角形,其中一个滚轮的轮穀与所述第二步进电机407的蜗轮蜗杆连接,因此,与所述第二步 进电机407连接的滚轮作为主动轮,其余两个滚轮作为从动轮,=个滚轮构成的等边=角形 的中屯、点的竖直方向上对应的所述底座410的位置处设置一个通孔,在所述通孔内设置一 个轴承,所述主支杆409的一端位于所述轴承内。其中,所述主支杆与所述底座的连接处为 所述底座的中屯、点,同时也是整个机械平台的水平方向的中屯、点。
[0050] 另外,本发明实施例还提供了机械平台的另一种实施例,如图5所示,所述机械平 台302包括:支架、分别与所述控制器连接的第一驱动装置W及第二驱动装置,所述支架包 括主支杆409、转轴405、第一支杆413W及分别垂直设置于所述第一支杆413两端的两个第 二支杆403,所述第一支杆413与两个所述第二支杆403构成一个U形的支架。
[0051] 所述转轴405的两端分别活动的连接于其中一个所述第二支杆403,所述转轴405 平行于所述第一支杆413,所述反射镜固定连接于所述转轴405,所述第一驱动装置用于驱 动所述转轴405转动,所述第二驱动装置用于驱动所述第一支杆413跟随所述主支杆409转 动。
[0052] 所述第一驱动装置包括:与所述控制器连接的第一步进电机406,所述第一步进电 机406安装在其中一个第二支杆403的一端,另外一个所述第二支杆403上设有第一轴承 404,例如图4中的所述第一步进电机406安装在左边的第二支杆403上,所述第一轴承404安 装在右边的第二支杆403上,所述转轴405的一端与所述第一步进电机406的蜗轮蜗杆连接, 所述转轴405的另一端安装在所述第一轴承404内。
[0053] 与图4所述的第二驱动装置不同,图5所提供的另一种机械平台的实施例中,所述 第二驱动装置包括:与所述控制器连接的第二步进电机407和滚轮408,所述滚轮408固定于 所述第一支杆413上,所述主支杆409的一端固定安装在所述第一支杆413上,所述主支杆 409的另一端与所述第二步进电机407的蜗轮蜗杆连接,所述第二步进电机407的蜗轮蜗杆 带动所述主支杆409转动。
[0054] 所述第二驱动装置用于驱动所述第一支杆413跟随所述主支杆409转动的方式可 W是:所述机械平台302安装在地面上,所述第二步进电机407固定在地面上,例如可W采用 螺母或者法兰固定在地面上,所述第二步进电机407的蜗轮蜗杆的转动会带动所述主支杆 409的转动,由于所述主支杆409与所述第一支杆413是固定连接的,因此,所述主支杆409的 转动会带动所述第一支杆413的转动,从而所述滚轮408 W所述主支杆409的转动方向而从 动。
[0055] 优选地,还包括底座410,所述底座410的中央具有一个通孔,所述第一支杆413安 装于所述底座410的上表面,所述滚轮408固定于所述底座410的下表面,所述主支杆409的 一端固定在所述底座410的中央,其中,所述主支杆409与所述底座410的连接方式可W是: 所述底座410的中央具有一个通孔,所述主支杆409的一端穿过所述底座410的通孔固定于 所述第一支杆413上,也可W是,所述底座410的通孔内设有内齿轮,所述主支杆409的一端 设有外齿轮,所述内齿轮与所述外齿轮内晒合,作为本发明实施例的优先,采用内齿轮与外 齿轮晒合的方式实现所述主支杆409的转动带所述第一支杆413转动。
[0056] 因此,所述第二驱动装置驱动所述第一支杆413跟随所述主支杆409转动的方式还 可W是:所述机械平台安装在地面上,所述第二步进电机407固定在地面上,例如可W采用 螺母或者法兰固定在地面上,所述第二步进电机407的蜗轮蜗杆的转动会带动所述主支杆 409的转动,所述主支杆409的外齿轮与所述底座410的通孔内的外齿轮的晒合,使所述主支 杆409带动所述第一支杆413转动。
[0057] 本发明实施例中,所述控制器能够应用所述探测器实现太阳自动跟踪方法,W使 所述集光系统的反射镜能够自动跟踪太阳的位置,所述探测器位于在所述反射镜平台的反 射光路径上,且安装在机械平台上,用一米左右的引线就可W实现控制器与探测器的电连 接,而探测器不安装在反射镜的镜面上也不在焦点上,能够有效避免太阳光将探测器烧坏。
[0058] 本发明实施例中,所述控制器将太阳照射角度变化转换为控制指令,将控制指令 发送至机械平台的【具体实施方式】可W为如图6所示的太阳光跟踪方法,所述方法包括:
[0059] S61:获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照强度之间 的差值;
[0060] 所述控制器内设有对应表,所述对应表包括属于同一对所述光照度集器中每个所 述光强采集器的身份标识与其在所述探测器上的安装位置的对应关系。
[0061] 例如,假设隧道的长度方向为南北方向,隧道的入口段位于北边,将所述集光系统 安装在隧道入口北边的适当位置处,例如,可W是隧道入口的北方的距离隧道入口 30米处, 所述探测器的平面面对所述反射镜的镜面。
[0062] 如图7所示,所述探测器为圆形,所述光强采集器A1和所述光强采集器A2的连线和 所述光强采集器A3与所述光强采集器A4的连线垂直,所述光强采集器A1和所述光强采集器 A2的连线与所述转轴405的长度方向垂直,所述光强采集器A3与所述光强采集器A4的连线 与所述主支杆409的长度方向垂直。假设所述光强采集器A1和所述光强采集器A2的连线为 所述探测器平面的Y轴,所述光强采集器A3与所述光强采集器A4的连线为所述探测器平面 的X轴,所述光强采集器A1位于Y轴的正半轴,所述光强采集器A2位于Y轴的负半轴,所述光 强采集器A3位于X轴的负半轴,所述光强采集器A4位于X轴的正半轴。所述光强采集器A1和 所述光强采集器A2相对所述探测器的中屯、对称,所述光强采集器A3和所述光强采集器A4相 对所述探测器的中屯、对称。
[0063] 所述光强采集器A1位于所述探测器的上端,所述光强采集器A2位于所述探测器的 下端,所述光强采集器A3位于所述探测器的左端,所述光强采集器A4位于所述探测器的右 玉山 乂而。
[0064] 采用的算法如下:
[0065] (1)
[0066] (2)
[0067] v =化 XI =化 X(PXri+lD) (3)
[0068] 其中:V为负载电压;化为负载电阻;I为光电池产生的电流;P为照射到光电池上的 光照强度;n为光电转换系数,为定值,与溫度有关;Id为光电池的暗电流,为定值,与溫度有 关,暗电流包括反向饱和电流、薄层漏电流和体漏电流。
[0069] 假设在同一时刻A1与A2,A3与A4的n、lD相同,将公式(3)代入公式(1);
[0070]
[0072]
[0071] 由于Id非常小可W忽略不计,因此:
[0073]
[0074] 当射入所述探测器平面的光线与所述探测器的平面垂直时,光强采集器A1、光强 采集器A2、光强采集器A3和光强采集器A4接收的光照是一致,光强采集器A1、光强采集器 A2、光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度一致,即Bi和B2的值均为零,或非常小的一个 数值。
[0075] 所述对应表的内容为光强采集器A1和光强采集器A2为同一对,获得光强采集器A1 和光强采集器A2的光照强度之间的差值,获得光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度之 间的差值。
[0076] 所述控制器在与所述光强采集器传输数据时,能够获得所述光强采集器的身份标 识,具体的实现方式可W是所述光强采集器设有多个数据传输通道,每个数据传输通道用 于接收一个光强采集器,因此,一个数据传输通道对应一个光强采集器的身份标识,例如P1 对应A1,P2对应A2,其中,P1和P2表示两个不同的数据传输通道,因此,P1接收的信号为A1发 送的,P2接收的信号为A2发送的,则所述控制器能够将接收的数据与光强采集器的身份标 识对应;当然也可W采用在所述光强采集器将光照强度值发送给所述控制器时,会将采集 的光照强度值和身份标识一起打包发送给控制器。
[0077] 控制器根据对应表就能够获得光照强度、身份标识W及安装位置的唯一对应关 系。
[0078] 所述控制器可W在每次获取属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采 集的光照强度时,根据所述光强采集器的身份标识在所述对应表内查找获得所述光强采集 器的身份标识对应的安装位置;也可W是,当所述控制器获取到光强采集器的身份标识对 应的安装位置时,下次再获得该身份标识对应的光强采集器的采集的光照强度时,只更新 该身份标识对应的光强采集器的光照强度数值,而不需要再获取该光强采集器的身份标识 对应的位置。
[0079] S62:判断所述差值的绝对值是否大于预设阔值;
[0080] 所述控制器判断光强采集器A1和光强采集器A2的光照强度之间的差值的绝对值 是否大于预设阔值,即Bi的绝对值是否大于预设阔值,如果是,则表示射入所述探测器平面 的光线与所述探测器平面不垂直,表示反射镜反射的光线的汇集点偏离了预设区域。
[0081] 如果所述光强采集器A1和光强采集器A2的光照强度之间的差值大于0,则表示光 强采集器A1采集的光强大于光强采集器A2采集的光强,即所述反射镜反射入所述探测器平 面的光线向上偏移,使得射入所述光强采集器A1的光能大于射入所述光强采集器A2的光 能;反之,如果所述差值小于0,则表示光强采集器A2采集的光强大于光强采集器A1采集的 光强,即所述反射镜反射入所述探测器平面的光线向下偏移,使得射入所述光强采集器A2 的光能大于射入所述光强采集器A1的光能。
[0082] 同理,所述控制器判断光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度之间的差值的绝 对值是否大于预设阔值,即B2的绝对值是否大于预设阔值,如果是,则表示射入所述探测器 平面的光线与所述探测器平面不垂直,表示反射镜反射的光线的汇集点偏离了预设区域。
[0083] 如果所述光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度之间的差值大于0,则表示光 强采集器A3采集的光强大于光强采集器A4采集的光强,即所述反射镜反射入所述探测器平 面的光线向左偏移,使得射入所述光强采集器A3的光能大于射入所述光强采集器A4的光 能;反之,如果所述差值小于0,则表示光强采集器A4采集的光强大于光强采集器A3采集的 光强,即所述反射镜反射入所述探测器平面的光线向右偏移,使得射入所述光强采集器A4 的光能大于射入所述光强采集器A3的光能。
[0084] S64:根据所述差值的正负W及所述差值对应的两个光强采集器的安装位置获得 所述反射镜的转动方向,根据所获得的转动方向控制所述机械平台W使所述反射镜沿所述 转动方向转动;
[0085] 当所述光强采集器A1和光强采集器A2的光照强度之间的差值大于0,根据所述光 强采集器A1和所述光强采集器A2的位置关系,可W得出射入所述探测器平面的光线向上偏 移,则所述控制器得到的所述反射镜的转动方向为竖直方向顺时针转动,即图8中,所述的 反射镜的转动方向,图8中,反射镜的虚线轮廓表示W所述的竖直方向顺时针转动方向转动 后的状态。
[0086] 使所述反射镜的上端靠近所述光强采集器A1,具体的控制方式可W是,所述控制 器控制所述第一步进电机转动,使所述反射镜的上端靠近所述光强采集器A1转动。
[0087] 当所述光强采集器A1和光强采集器A2的光照强度之间的差值小于0时,则所述控 制器得到的所述反射镜的转动方向为竖直方向逆时针转动,与图8中所述的转动方向相反, 使所述反射镜的上端远离所述光强采集器A1。所述控制器控制所述第二电机转动,使使所 述反射镜的上端远离所述光强采集器A1转动。
[0088] 当所述光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度之间的差值大于0时,根据所述 光强采集器A3和所述光强采集器A4的位置关系,可W得出射入所述探测器平面的光线向左 偏移,则所述控制器得到的所述反射镜的转动方向为水平方向顺时针转动,如图9所示的转 动方向,图9中,所述反射镜的虚线轮廓为W所述的水平方向顺时针转动一定角度后的位 置,使所述反射镜的左端靠近所述光强采集器A3。
[0089] 同理,当所述光强采集器A3和光强采集器A4的光照强度之间的差值小于0时,所述 控制器得到的所述反射镜的转动方向为水平方向逆时针转动,即采用图9中的转动方向相 反的方向转动。
[0090] 所述控制器控制所述反射镜的转动后,再次返回执行S61,即再次获得属于同一对 光强采集器中的两个所述光强采集器的安装位置W及采集的光照强度之间的差值,然后在 执行一次S62,直至再次获得的差值小于或等于所述预设阔值。
[0091] 因此,当所述差值的绝对值小于或等于预设阔值,则表示此时所述反射镜的镜面 反射的太阳光射入所述探测器的角度满足需求,即此时大部分光射入所述隧道入口的预设 位置处。则此时,执行S63。
[0092] S63:延时预定时间;
[0093] 设定一个时间间隔,例如5分钟,当所述差值的绝对值小于或等于预设阔值时,延 时5分钟,再执行S61。因此,W预定时间间隔执行上述跟踪方法。
[0094] 由于太阳的转动角度相对所述反射镜来说,角速度很小,如果反射镜与太阳的位 置满足系统要求,在一定时间范围内,即使反射镜不跟随太阳的位置,反射镜所反射的光线 的汇聚点与预设区域的偏离非常小,因此,为了减小系统一直跟随太阳光的功耗和负担,本 发明实施例预先设定了一个时间间隔,所述控制器W预设的时间间隔执行上述步骤,将系 统的持续性工作方式改为间歇性工作方式,可W有效地降低现有的隧道入口照明系统的成 本。
[0095] 另外,所述控制器具有电子钟的功能,例如,所述控制器内设有电波时钟模块,所 述电波时钟模块能够接收来自标准时间电波发射塔发射的标准时间电波信号,能够获得标 准时间,或者,也可W是所述控制器内设有电子表模块,所述电子表模块的时间始终等于当 地时间。
[0096] 所述控制器判断根据所述电波时钟模块接收的标准时间是否在预设时间范围内, 若是,则执行所述太阳光跟踪算法,若不是,则不执行,直至所述当地的标准时间在所述预 设范围内。其中,所述预设时间可W是上午6点至下午18点,即所述集光系统在下午18点至 第二天早上6点的光照不充足的情况下,停止太阳光跟踪,减少能源消耗。
[0097] 如图10所示的本发明实施例提供了的一种太阳光跟踪系统,应用于上述实施例所 述的集光系统,所述集光系统包括:反射镜、机械平台112、控制器111和探测器113,所述反 射镜设置于所述机械平台,所述反射镜用于将太阳光反射入隧道入口,所述探测器设置在 所述反射镜将太阳光反射入隧道入口的反射光路径上,所述探测器的平面与所述反射光路 径垂直,所述探测器上安装有多个光强采集器,所述多个光强采集器用于在不同位置采集 光照强度并将采集到的光照强度发送给所述控制器,所述多个光强采集器包括至少一对光 强采集器,所述控制器111包括:定时单元118和跟踪单元114。
[0098] 所述定时单元118,用于W预设的时间间隔跳转至所述跟踪单元114, W启动所述 跟踪单元114。
[0099] 所述跟踪单元114包括:获得子单元115、判断子单元116和执行子单元117。
[0100] 所述跟踪单元的具体工作过程如下:
[0101] 获得子单元115获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照 强度之间的差值,判断子单元116判断所述差值的绝对值是否大于预设阔值,当所述差值大 于预设阔值时,执行子单元117根据所述差值的正负W及所述差值对应的两个光强采集器 的安装位置获得所述反射镜的转动方向,根据所获得的转动方向控制所述机械平台W使所 述反射镜沿所述转动方向转动,跳转至所述获得子单元115, W使所述获得子单元115再次 获得所述的属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照强度之间的差值, 所述判断子单元116再执行一次判断,重复上述过程,直至所述差值的绝对值小于等于所述 预设阔值。
[0102] 当所述差值小于或等于预设阔值时,所述执行子单元117发送控制指令至所述机 械平台112, W控制所述反射镜的转动,另一方面,跳转至定时单元118, W使所述定时单元 118在延时一定的时间长度后,跳转至所述跟踪单元114。
[0103] 另外,如图11所示,本发明实施例还提供了另一种太阳光跟踪系统,所述集光系统 包括:反射镜、机械平台122、控制器121和探测器123,所述反射镜设置于所述机械平台,所 述反射镜用于将太阳光反射入隧道入口,所述探测器设置在所述反射镜将太阳光反射入隧 道入口的反射光路径上,所述探测器的平面与所述反射光路径垂直,所述探测器上安装有 多个光强采集器,所述多个光强采集器用于在不同位置采集光照强度并将采集到的光照强 度发送给所述控制器,所述多个光强采集器包括至少一对光强采集器。
[0104] 所述控制器121包括:定时单元128和跟踪单元124。
[0105] 所述定时单元128,用于W预设的时间间隔跳转至所述跟踪单元124, W启动所述 跟踪单元124。
[0106] 所述跟踪单元124包括:获得子单元125、判断子单元126和执行子单元127。
[0107] 所述跟踪单元124的具体工作过程如下:
[0108] 获得子单元125获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照 强度之间的差值,判断子单元126判断所述差值的绝对值是否大于预设阔值,当所述差值大 于预设阔值时,执行子单元127根据所述差值的正负W及所述差值对应的两个光强采集器 的安装位置获得所述反射镜的转动方向,根据所获得的转动方向控制所述机械平台W使所 述反射镜沿所述转动方向转动,跳转至所述获得子单元125, W使所述获得子单元125再次 获得所述的属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照强度之间的差值, 所述判断子单元126再执行一次判断,重复上述过程,直至所述差值的绝对值小于等于所述 预设阔值。
[0109] 当所述差值小于或等于预设阔值时,所述执行子单元127发送控制指令至所述机 械平台122, W控制所述反射镜的转动,另一方面,跳转至定时单元128, W使所述定时单元 118在延时一定的时间长度后,跳转至所述跟踪单元124。
[0110] 所述控制器121还包括时间判断单元129,所述定时单元128延时一定时间后跳转 至所述时间判断单元12 9,所述时间判断单元119判断当时时间是否在预设时间范围之内, 其中,所述控制器具有电子钟的功能,例如,所述控制器内设有电波时钟模块,所述电波时 钟模块能够接收来自标准时间电波发射塔发射的标准时间电波信号,能够获得标准时间, 或者,也可W是所述控制器内设有电子表模块,所述电子表模块的时间始终等于当地时间。
[0111] 所述控制器判断根据所述电波时钟模块接收的标准时间是否在预设时间范围内, 若是,则执行所述太阳光跟踪算法,若不是,则不执行,直至所述当地的标准时间在所述预 设范围内。其中,所述预设时间可W是上午6点至下午18点,即所述集光系统在下午18点至 第二天早上6点的光照不充足的情况下,停止太阳光跟踪,减少能源消耗。
[0112] 当所述时间判断单元12 9判断所述系统所在地的当地时间位于预设时间范围内 时,贝峭至所述获得子单元125, W使所述获得子单元125开始执行获得属于同一对光强 采集器中的两个所述光强采集器采集的光照强度之间的差值的步骤。
[0113] 另外,如图7、图8和图9中的探测器,所述探测器上的多个光强采集器包括安装于 所述探测器的第一位置处的第一光强采集器W及安装于所述探测器的第二位置处的第二 光强采集器,W及安装于所述探测器的第=位置处的第=光强采集器W及安装于所述探测 器的第四位置处的第四光强采集器,其中,第一光强采集器为图7中的光强采集器A1,第二 光强采集器为图7中的光强采集器A2,第S光强采集器为图7中的光强采集器A3,第四光强 采集器为图7中的光强采集器A4。
[0114] 所述第一位置和所述第二位置的连线垂直于所述转轴405,所述第=位置和所述 第四位置的连线垂直于所述主支杆409,所述控制器内设有对应表,所述对应表包括属于同 一对所述光强采集器中每个所述光强采集器的身份标识与其在所述探测器上的安装位置 的对应关系。
[0115] 所述执行子单元127根据所述差值的正负W及所述差值对应的两个光强采集器的 安装位置获得所述反射镜的转动方向,根据所获得的转动方向控制所述机械平台W使所述 反射镜沿所述转动方向转动,【具体实施方式】可W是:
[0116] 根据所述对应表查找获得所述第=光强采集器和所述第四光强采集器的安装位 置,根据所获得的所述第=光强采集器和所述第四光强采集器采集的光照强度的差值的正 负W及所述第=光强采集器和所述第四光强采集器的安装位置获得所述反射镜的所述第 二轴向的转动方向,根据所获得的所述第二轴向的转动方向控制所述机械平台W使所述反 射镜沿所述第二轴向的转动方向转动。
[0117] 根据所述对应表查找获得所述第一光强采集器和所述第二光强采集器的安装位 置,所述控制器根据所获得的所述第一光强采集器和所述第二光强采集器采集的光照强度 的差值的正负W及所述第一光强采集器和所述第二光强采集器的安装位置获得所述反射 镜的所述第一轴向的转动方向,根据所获得的所述第一轴向的转动方向控制所述机械平台 W使所述反射镜沿所述第一轴向的转动方向转动。
[0118] 其中,所述第一轴向可W为所述转轴405,所述第二轴向可W为所述主支杆409。
[0119] 所属领域的技术人员可W清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的系统、 装置和单元的具体工作过程,可W参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再寶述。
[0120] 另外,为了能够达到比较均匀的照明效果,本发明实施例还提供了如图12所述的 隧道入口照明系统,所述隧道入口照明系统包括多个集光系统131,所述集光系统131的具 体结构描述W及工作过程可W参考图3-图11的实施例,在此不再寶述。
[0121] 如图12所示,包括6个集光系统131,每个集光系统131独立控制,因此,可W灵活控 制多个集光系统131的反射镜角度,使太阳光经反射W不同的方向和角度射入所述隧道入 口,有效降低车辆进入隧道入口时,车辆影子对隧道入口光照的影响W实现隧道入口的均 匀的照明效果。
[0122] 另外,附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计 算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在运点上,流程图或框图中的每个方框 可W代表一个模块、程序段或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或 多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框 中所标注的功能也可不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上 可W基本并行地执行,它们有时也可W按相反的顺序执行,运依所设及的功能而定。也要注 意的是,框图和/或流程图中的每个方框、W及框图和/或流程图中的方框的组合,可W用执 行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可W用专用硬件与计算机指令 的组合来实现。
[0123] 在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所掲露的系统、装置和方法,可W 通过其它的方式实现。W上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分, 仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可W有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可 W结合或者可W集成到另一个系统,或一些特征可W忽略,或不执行。另一点,所显示或讨 论的相互之间的禪合或直接禪合或通信连接可W是通过一些通信接口,装置或单元的间接 禪合或通信连接,可W是电性,机械或其它的形式。
[0124] 所述作为分离部件说明的单元可W是或者也可W不是物理上分开的,作为单元显 示的部件可W是或者也可W不是物理单元,即可W位于一个地方,或者也可W分布到多个 网络单元上。可根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目 的。
[0125] 另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可W集成在一个处理单元中,也可W 是各个单元单独物理存在,也可W两个或两个W上单元集成在一个单元中。
[0126] 需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示运些实体或操作之间存 在任何运种实际的关系或者顺序。而且,术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设备 所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句"包括一个……"限定的要素,并不排除在 包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0127] W上所述,仅为本发明的【具体实施方式】,但本发明的保护范围并不局限于此,任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述W权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种集光系统,其特征在于,用于对隧道入口段进行照明,所述集光系统包括:反射 镜、探测器、机械平台和控制器,所述反射镜设置于所述机械平台,所述反射镜用于将太阳 光反射入隧道入口,所述探测器包括多个以所述探测器中心处对称分布的光强采集器,并 设置在所述反射镜平台的反射光路径上,多个光强采集器用于将采集到的光照强度转换成 电信号后发送给所述控制器,所述控制器用于将太阳照射角度变化转换为控制指令,将控 制指令发送至机械平台;所述机械平台根据所述控制指令控制所述反射镜运动以使所述反 射镜反射的光射入所述隧道入口。2. 根据权利要求1所述的集光系统,其特征在于,所述反射镜还包括金属框架,所述金 属框架为中部凹陷的凹形结构,所述反射镜由多个子反射镜组成,所述多个子反射镜均为 平面镜,所述多个子反射镜安装在所述金属框架形成一个整体的凹面反射镜,凹面的尺寸 与面型由反射镜与隧道入口的空间位置关系确定,以使反射光线与足够的强度均匀地散布 在所述隧道入口段的地面。3. 根据权利要求2所述的集光系统,其特征在于,每个所述子反射镜均设有多个通孔、 每两个子反射镜之间有缝隙,每个所述通孔与缝隙的总面积小于或等于所述反射镜的总镜 面面积的千分之二。4. 根据权利要求3所述的集光系统,其特征在于,所述探测器处于太阳光反射的路径 上,但不在凹面反射镜的焦面上、而位于所述反射镜的平台上。5. 根据权利要求1所述的集光系统,其特征在于,所述机械平台包括支架、分别与所述 控制器连接的第一驱动装置以及第二驱动装置,所述支架包括主支杆、转轴、第一支杆、以 及分别垂直设置于所述第一支杆两端的两个第二支杆,所述主支杆活动的连接于所述第一 支杆并垂直于所述第一支杆,所述转轴的两端分别活动的连接于其中一个所述第二支杆, 所述转轴平行于所述第一支杆,所述反射镜固定连接于所述转轴,所述第一驱动装置用于 驱动所述转轴转动,所述第二驱动装置用于驱动所述第一支杆相对于所述主支杆转动。6. 根据权利要求5所述的集光系统,其特征在于,所述第一驱动装置包括与所述控制器 连接的第一步进电机,所述第一步进电机安装于其中一个所述第二支杆,其中另一个所述 第二支杆设有第一轴承,所述转轴的一端与所述第一步进电机的蜗轮蜗杆连接,所述转轴 的另一端安装在所述第一轴承内。7. 根据权利要求5所述的集光系统,其特征在于,第二驱动装置包括与所述控制器连接 的第二步进电机和滚轮,所述第二步进电机和滚轮固定于所述第一支杆,所述第二步进电 机为所述滚轮提供动力以使所述第一支杆可相对于所述主支杆转动。8. 根据权利要求7所述的集光系统,其特征在于,还包括底座,所述底座的中央具有一 个通孔,所述第一支杆安装于所述底座的上表面,所述第二步进电机和滚轮固定于所述底 座的下表面,所述主支杆穿过所述通孔。9. 根据权利要求1-8的任一所述的集光系统,其特征在于,所述多个光强采集器包括至 少二对光强采集器,所述控制器内设有对应表,所述对应表包括每个所述光强采集器的身 份标识与其在所述探测器上的安装位置的对应关系; 所述控制器用于根据下述的计算控制流程,实现对太阳运动的实时跟踪: 获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集的光照强度之间的差值以 及根据所述对应表获得所述的属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器的身份标 识分别对应的安装位置; 判断所述差值的绝对值是否小于预设阈值; 若否,根据所述差值的正负以及与所述差值对应的两个光强采集器的安装位置获得所 述反射镜的转动方向,根据所获得的转动方向控制所述机械平台以使所述反射镜沿所述转 动方向转动,所述控制器再次执行所述的获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采 集器采集的光照强度之间的差值,直至再次获得的差值小于预设阈值。10.根据权利要求9所述的集光系统,其特征在于:所述控制器内设有电波时钟模块,所 述电波时钟模块用于接收含有标准当地时间的电波信号; 所述控制器还用于:所述的获得属于同一对光强采集器中的两个所述光强采集器采集 的光照强度之间的差值之前,根据所述电波时钟模块接收的所述电波信号判断所述系统所 在地的当地时间是否为位于预设时间范围内,若是,以预设的时间间隔执行跟踪算法的步 骤。
【文档编号】F21V7/04GK106051612SQ201610484990
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】陈伟民, 周园会, 史玲娜, 刘显明, 雷小华
【申请人】重庆大学
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