专利名称：追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及隧道照明技术，具体涉及一种追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置。
背景技术：
利用太阳能对隧道内照明主要有太阳能光伏发电照明和利用镜面反射阳光实现隧道内照明的方法。太阳能光伏发电技术实现隧道内照明，较为常见，仍是光电照明的一种；利用镜面反射阳光实现隧道内照明的方法主要是采取隧道口外安装一个太阳光双轴跟踪装置和第一反射镜，隧道口安装第二反射镜的方案，此类方法的核心是第一反射镜安装在太阳光跟踪装置框架上，或者直接将多次反射简化为一次反射，直接实现隧道照明。现有技术中阳光追踪和第一次反射在一套机械转内，需要米用一种精巧的机械复杂的传动方式。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种采光效果好的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置。为此，本实用新型提供的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置包括安装于隧道洞口外的阳光追踪仪、第一反光单元和第二反光单元，以及安装于隧道内的第三反光单元，所述阳光追踪仪包括第一垂直转轴、安装在第一垂直转轴上的第一支架、安装在第一支架上的第一水平转轴和安装在第一水平转轴上的工作板以及安装在工作板上的太阳光追踪传感器；所述第一反光单元包括第二垂直转轴、安装在第二垂直转轴上的第二支架、安装在第二支架上的第二水平转轴和安装在第二水平转轴上的第一反光镜；所述第二反光单元包括第二反光镜；所述第三反光单元包括第三反光镜；所述第一垂直转轴与第二垂直转轴平行，所述第一水平转轴与第二水平转轴位于同一水平面；所述第二反光镜位于第一反光单元的上方，且第二反光镜的镜面与所述第一水平转轴和第二水平转轴所在水平面相对；所述第三反光镜的镜面同时与第二反光镜的镜面和隧道内路面相对。本实用新型的装置的其他技术特征为:所述第二反光镜位于所述第一反光单元的正上方，且所述第二反光镜的镜面的中心和所述第二垂直转轴与所述第二水平转轴的交点，均位于第二垂直转轴所在的直线上。所述第二反光镜的镜面与所述第一水平转轴和第二水平转轴所在水平面之间的夹角大于45°且小于90°。[0015]所述第三反射镜的镜面大于所述第二反射镜的镜面。所述阳光追踪仪包括底座、安装在底座中的控制器、安装在底座上的第一垂直转轴、安装在第一垂直转轴上的第一支架、安装在第一支架上的第一水平转轴、安装在第一水平转轴上的工作板、安装在工作板上的太阳光追踪传感器；所述太阳光追踪传感器包括GPS接收仪和四象限仪；所述GPS接收仪安装在所述工作板上且与所述控制器连接；所述四象限仪包括四象限感光器、安装在四象限感光器上的不透光筒体和安装在不透光筒体顶部的平凸透镜；所述四象限感光器为一圆形的太阳能光电池板，在该太阳能光电池板正面刻有以其圆心为中心的“十”字形沟槽，该“十”字形沟槽将所述太阳能光电池板的正面分为四个感光象限；所述四象限感光器安装在工作板上，且所述四象限感光器的四个感光象限分别与控制器连接。所述平凸透镜的光轴通过所述四象限感光器的中心，且所述四象限感光器位于1/2平凸透镜焦距至3/4平凸透镜焦距之间。所述GPS接收仪用时钟芯片替换。与现有技术相比，本实用新型的优点是:将精确追光与多次镜面反射技术相结合，在实现最大光通量采光的同时可将阳光在低损耗的情况下传导至远距离的隧道内部。具有采光效率高的特点。具体具有如下效果:( I)使用四象限仪和GPS接收仪(或时钟芯片)相结合的阳光追踪仪实现实时追光，追光精度高从而系统能够更精确的调整反光镜角度，在延长光线传输距离的同时确保精准导光。(2)通过对阳光追踪仪实时追光获得的太阳高度角数据进行计算得出随动追光镜转动角度，可以使随动追光镜时刻将阳光反射至竖直向上方向。该控制方法简单有效，并且不受季节和地理状况影响。
图1为本实用新型的照明装置的安装结构示意图；图2为追光仪的结构示意图；图3为第二反光单元的结构示意图；图4本实用新型的控制方法说明示意图一；图5为本实用新型的控制方法说明示意图二。图中的标记分别表示:1_阳光追踪仪、2-第一反光单元、3-第二反光单元、4-第三反光单元、5-第一垂直转轴、6-第一支架、7-第一水平转轴、8-工作板、9-四象限仪、10-第二垂直转轴、11-第二支架、12-第二水平转轴、13-第一反光镜、14-GPS接收仪、15-底座。
具体实施方式
参见图1至图3，本实用新型的照明装置包括安装于隧道洞口外的阳光追踪仪1、第一反光单元2和第二反光单元3，以及安装于隧道洞口 200m以内的第三反光单元4，其中:阳光追踪仪I包括第一垂直转轴5、安装在第一垂直转轴5上的第一支架6、安装在第一支架6上的第一水平转轴7和安装在第一水平转轴7上的工作板8以及安装在工作板8上的太阳光追踪传感器；第一反光单元2包括第二垂直转轴10、安装在第二垂直转轴10上的第二支架11、安装在第二支架11上的第二水平转轴12和安装在第二水平转轴12上的第一反光镜13 ;第二反光单元3包括第二反光镜；第三反光单元4包括第三反光镜；上述各元器件之间的安装位置关系为:第一垂直转轴5与第二垂直转轴10平行，第一水平转轴7与第二水平转轴12位于同一水平面；第二反光镜位于第一反光单元2的上方，且第二反光镜的镜面与第一水平转轴7和第二水平转轴12所在平面相对；第三反光镜的镜面与第二反光镜的镜面相对，同时，第三反光镜的镜面与隧道内路面相对并且其角度可调。一般第三反光镜与与第二反光镜的安装高度相同。除此之外，为了保证更好的采光，第二反光镜位于第一反光单元2的正上方，且第二反光镜的镜面的中心与第二垂直转轴10和第二水平转轴12的交点均位于第二垂直转轴10所在的直线上。一般第二反光镜的镜面与第一水平转轴7和第二水平转轴12所在平面之间的夹角大于45°小于90°。为了保证洞内镜面更好的采光，第三反射镜的镜面大于第二反射镜的镜面。且第三反光镜的镜面曲率可以根据隧道内照明形状需求进行调整。现有的阳光追踪仪均可应用于本实用新型的照明装置中，如:凸透镜结合四象限感光器的阳光追踪仪，参考图3，一具体的凸透镜结合四象限感光器的阳光追踪仪包括底座15、GPS接收仪14、四象限仪9、控制器、两台直流电机、工作板8、直流电源、第一水平转轴7、第一垂直转轴5、第一垂直转轴传动齿轮和第一水平转轴传动齿轮，其中，控制器安装在底座15中，第一垂直转轴5竖直安装在底座15上，第一垂直转轴5上安装有第一支架6，第一水平转轴7安装在第一支架6上，工作板8安装在第一水平转轴7上，一台直流电机安装在底座15中且通过第一垂直转轴传动齿轮驱动第一垂直转轴5转动，另一台直流电机安装在第一支架6上且通过第一水平轴传动齿轮驱动第一水平转轴7转动，参见《能源研究与利用》，2010年第四期公开的《四象限太阳光跟踪传感器设计》，所使用的四象限仪9包括四象限感光器、安装在四象限感光器上的不透光筒体和安装在不透光筒体顶部的平凸透镜；四象限感光器为一圆形的太阳能光电池板，在该太阳能光电池板正面刻有以其圆心为中心的“十”字形沟槽，该“十”字形沟槽将太阳能光电池板的正面分为四个感光象限；为得到更好的采光效果，其中平凸透镜的光轴通过四象限感光器的中心，且四象限感光器位于1/2平凸透镜焦距至3/4平凸透镜焦距之间。GPS接收仪14和四象限感光器安装在工作板的同一面上，且GPS接收仪14和四象限感光器的四个感光象限分别与控制器的输入端连接，控制器的输出端与两台直流电机连接。为达到防尘的目的，四象限仪上可罩一直径为1200mm的3/4透明防水球壳。GPS接收仪14用于实时接收太阳在不同时间和不同地点的经度和纬度信息并发送到控制器；四象限仪9用于采集阳光落在四个感光象限内的光强信息；控制器3接收GPS接收仪14和四象限仪9发送的经纬度信息和光强信息后，根据接收到的信息控制两台直流电机工作，实现工作板8位置的粗略调整以及精细调整。GPS接收仪14可选用采用HYW1-BG300-W5且GPS接收仪可以用时钟芯片替换实现相同功能。该阳光追踪仪的具体工作原理如下:GPS接收仪14向控制器输出经纬度信息，控制器将该信息与太阳在某一时刻的经纬度信息进行处理，得到工作板8应该调整至的目标位置信息(在采用时钟芯片代替GPS接收仪的情况下，由时钟芯片向控制器输出时间信息，控制器将该信息与太阳在某一时刻的经纬度信息进行处理，得到太阳能电池板应该移动的位置信息)，根据该信息控制两台直流电机驱动两个传动齿轮工作，两个传动齿轮分别带动第一垂直转轴5和第一水平转轴7转动，直至工作板8转动到指定位置，完成初步粗略定位；四象限仪9实时探测到阳光照进四个感光象限的光强信息，并将该信息发送给控制器，控制器控制两台直流电机工作，再次驱动第一垂直转轴5和第一水平转轴7转动直至四象限感光器的四个象限内光强相似，且任意两个象限内的光强差值达到设定阈值(任意两个象限内的光强差值小于四个象限光强平均值的千分之三)时，在粗略定位的基础上实现精确定位。之后根据两次定位调整过程中第一垂直转轴5和第一水平转轴7转动的角度对第一反光镜13的进行调整。本实用新型的整个照明装置工作原理为:阳光追踪仪I进行光线定位之后，需经三次镜面反射精确的将阳光引至隧道，实现照明应用。第一反光镜13反射是随动反光镜，在装置的整个过程中，根据太阳追光仪I采集的垂直和水平转动参数对第一反光镜13 (随动反光镜)的转动进行控制，以保证第一反光镜13上的反射光线可以始终照射在第二反光镜上，第二反光镜接收到光线后再次对其进行反射使光线进入安装在隧道内的第三反光镜上，第三反光镜将光线反射至隧道路面，实现隧道照明。整个装置工作的过程中，只有阳光追踪仪I和第一反光镜13转动，整个装置的控制也是对阳光追踪仪I和第一反光镜13转动的控制。以下是发明人提供的控制原理的推导过程:需要说明的是，本实用新型的装置的控制方法前提是，装置的初始工作状态是:阳光追踪仪I的工作板8和第一反光镜13均与第一水平转轴7和第二水平转轴12所在水平面平行，且，工作板8上安装有太阳光追踪传感器的面朝上、第一反光镜13的镜面朝上，同时，所述第一水平转轴7与所述第二水平转轴12平行。如图4和图5所示，分别建立三维坐标系ο和三维坐标系ο':三维坐标系o-xyz的坐标原点为阳光追踪仪的第一垂直转轴与第一水平转轴的交点，xoy平面为第一水平转轴和第二水平转轴所在的水平面，X轴为第一水平转轴，z轴为第一垂直转轴，且X轴的正方向朝右、y轴的正方向朝前、Z轴的正方向朝上；三维坐标系o’-X’y’z’三维坐标系O'的坐标原点为第二垂直转轴与第二水平转轴的交点，X’o’y’平面为第一水平转轴和第二水平转轴所在的水平面，X'轴为第二水平转轴，z’轴为第二垂直转轴，且X’轴的正方向朝右、太轴的正方向朝前、轴的正方向朝上；本实用新型的装置的控制过程中每次角度的调整都在三维坐标系O和三维坐标系O’下进行，且每次角度调整的目标是保证在三维坐标系O'的X' O' Y'平面(即第一反射镜面)上的反射光线O’G’照射到位于X' O' y’平面上方且已确定安装位置的第二反光镜的镜面上，也就是说，在以下的整个推导过程中，反射光线o' G'与X' o' j'平面之间的夹角Q1和反射光线o’G’在X' o' y’平面投影与X'正轴之间的夹角P1是已知的；太阳追光仪可测得第一垂直转轴的转动角度a ^ (即入射光线οΑ与xoy平面之间的夹角)和第一水平转轴的转动角度(即入射光线οΑ在xoy平面上的投影与X正轴之间的夹角)；同样入射光线o' A’与x’o’y’平面之间的夹角也为Citl，入射光线o’A’在x’o’y’平面上的投影与x’正轴之间的夹角也为^ci;设入射光线o’A’与反射光线o’G’之间的镜面法线为o' F'，根据已知条件利用三角函数与几何关系求取法线o’F’与X' o' y’平面之间的夹角Ci2和法线o' F'在X' O'y'平面的投影与X’正轴之间的夹角β2:设o’G’ =l、o’A’ =l，o’F’ 为等腰Oo’A' G’ 的中线；分别作入射光线o’A’在x’o’y’平面上的投影o’D’、反射光线o' G'在X' O'y'平面上的投影O’B’和法线O’F’在x’o’y’平面上的投影O' C’；在dci’A’D，中，A，D，=sina0，o，D，=cos a 0 ；在口。，。，! ，中，G，B，=sin a 1； o' B' = cos a j ；则在口 o’ B’ D’中，由余弦定理得:
权利要求1.一种追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，包括安装于隧道洞口外的阳光追踪仪、第一反光单元和第二反光单元，以及安装于隧道内的第三反光单元，其特征在于: 所述阳光追踪仪包括第一垂直转轴、安装在第一垂直转轴上的第一支架、安装在第一支架上的第一水平转轴和安装在第一水平转轴上的工作板以及安装在工作板上的太阳光追踪传感器； 所述第一反光单元包括第二垂直转轴、安装在第二垂直转轴上的第二支架、安装在第二支架上的第二水平转轴和安装在第二水平转轴上的第一反光镜； 所述第二反光单元包括第二反光镜； 所述第三反光单元包括第三反光镜； 所述第一垂直转轴与第二垂直转轴平行，所述第一水平转轴与第二水平转轴位于同一水平面； 所述第二反光镜位于第一反光单元的上方，且第二反光镜的镜面与所述第一水平转轴和第二水平转轴所在水平面相对； 所述第三反光镜的镜面同时与第二反光镜的镜面和隧道内路面相对。
2.如权利要求1所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述第二反光镜位于所述第一反光单元的正上方，且所述第二反光镜的镜面的中心，和，所述第二垂直转轴与所述第二水平转轴的交点，均位于第二垂直转轴所在的直线上。
3.如权利要 求1所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述第二反光镜的镜面与所述第一水平转轴和第二水平转轴所在水平面之间的夹角大于45°且小于90°。
4.如权利要求1所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述第三反光镜的镜面大于所述第二反光镜的镜面。
5.如权利要求1所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述阳光追踪仪包括底座、安装在底座中的控制器、安装在底座上的第一垂直转轴、安装在第一垂直转轴上的第一支架、安装在第一支架上的第一水平转轴、安装在第一水平转轴上的工作板、安装在工作板上的太阳光追踪传感器； 所述太阳光追踪传感器包括GPS接收仪和四象限仪； 所述GPS接收仪安装在所述工作板上且与所述控制器连接； 所述四象限仪包括四象限感光器、安装在四象限感光器上的不透光筒体和安装在不透光筒体顶部的平凸透镜；所述四象限感光器为一圆形的太阳能光电池板，在该太阳能光电池板正面刻有以其圆心为中心的“十”字形沟槽，该“十”字形沟槽将所述太阳能光电池板的正面分为四个感光象限； 所述四象限感光器安装在工作板上，且所述四象限感光器的四个感光象限分别与控制器连接。
6.如权利要求5所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述平凸透镜的光轴通过所述四象限感光器的中心，且所述四象限感光器位于1/2平凸透镜焦距至3/4平凸透镜焦距之间。
7.如权利要求5所述的追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置，其特征在于，所述GPS接收仪用时钟芯片替换。
专利摘要本实用新型公开了一种追光结合多次光反射的隧道洞口照明装置。装置包括安装于隧道洞口外的阳光追踪仪、第一反光镜和第二反光镜，以及安装于隧道洞口内的第三反光镜，阳光追踪仪的安装高度与第二反射镜的安装高度相同，阳光追踪仪进行光线定位之后，经三次镜面反射精确的将阳光引至隧道，在装置的整个过程中，可根据太阳追光仪采集的垂直和水平转动角度参数对第一反光镜的转动进行控制，以保证第一反光镜上的反射光线可以照射在第二反光镜上，第二反光镜接收到光线后再次对其进行反射使光线进入安装在隧道内的第三反光镜上，第三反光镜将光线反射至隧道路面，实现隧道照明。
文档编号G05D3/12GK202972925SQ20122069573
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者郑晅, 王剑琳, 王磊, 孙灏, 丁婷, 刘金栋, 杨亚龙, 李梦, 孙玉环, 朱晓金, 杨宾, 高一然, 金绍晨 申请人:长安大学