专利名称：阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置的制作方法
技术领域：
本实用新型公开了一种阳光自动追踪并通过凹凸曲面反光镜传输阳光的照明装 置，属于太阳能应用技术领域。
技术背景照明是人类消耗能量最多的一项需求。据统计，发达国家的照明能耗占总能耗的 9%以上，我国发达地区的照明能耗占总能耗的6% 9%。以美国为例，每天花在照明上的 费用高达1亿美元以上，占全部发电量的1/4左右，而在照明用电中真正用于发光的不过 25%，其余则变为了热能。众所周知，太阳光是最典型、能量最强的自然光源，并且取之不尽，用之不竭。但实 际上，仅有很少的太阳光通过玻璃窗、天窗，为人们用做室内照明，因此进一步开发利用太 阳光不仅具有极大的潜力，可以有效节能，同时也符合人类追求高品质生活质量和生活环 境的现代生活理念。太阳光光纤采光照明技术由于具有系统体积小巧、照明方式特殊等优点，因此长 期以来一直是国外的研究热点之一。这项技术通过聚光元件高效采集太阳光，借助柔软的 光纤将太阳光很方便地传至任何所需场所使用，并且为提高采光效率，整机还配备有实时、 精确跟踪太阳的装置。本实用新型申请人对该课题也进行了长期深入的研究，其核心技术 成果曾向国家知识产权局提交过申请号为200710022259. 6、200810196402. 8多项专利申 请，其中已授权的200720037444. 8《阳电采光器》公开了一种有聚光采光器、驱动聚光采光 器转动的机械传动装置、控制机械传动装置的光信号反馈处理电路、向光信号反馈处理电 路传送探测信号的光敏探测器组成的采光装置。该装置的具体情况可以参见已公开的专 利文件，有光自动跟踪控制的基本过程为当光敏探测器中的探测器件感知太阳光入射光 线角度变化时，将向跟踪控制电路发出相应信号，在跟踪控制电路中信号经比较、放大处理 后，控制机械传动机构向调整入射光线的相应方向运转，直至太阳光入射角度达到理想状 态。虽然本实用新型申请人经过对聚光、跟踪、传光等多项技术的成功攻关，使自行研 制的自动跟踪太阳采光装置的性能价格比已处于国际领先水平，但由于该装置对光纤的长 距离、低损耗传输性能和低成本制造技术要求都很高，而特定光纤的传输波长受到限制，力口 之国内家庭经济承受能力有限，因此尚未能在国内得到大面积推广应用
实用新型内容
基于上诉情况，本实用新型的目的在于避开和减少上述技术中采用传光光纤存在的高传输性能与价格的矛盾，提出一种长距离、高效率、全光谱、低成本采集并传输太阳 光的阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，从而使其适合国情，得以推广。为了达到上述目的，本实用新型采集阳光的阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照 明装置基本技术方案为采光反射传输系统、感光探测传感器、追踪控制系统、机械传动装置、阳光转化电能系统、自动灯光补充系统、自动清洁装置、限位开关、防护罩所组成；采用 遮光板两边的太阳能光伏电池作为方位角传感器，以及凹曲面聚光反光镜旁边装有高度角 传感器，在凹曲面聚光反光镜和III号轴上、中、下端位置，装有高、中、低叁个对应的陆个 限位开关；该装置适合高层天井建筑楼，利用屋顶阳光改善有天井高楼内的光线，让高楼的 内部各处变得如同室外一样明亮。 在本实用新型上述技术方案基础上的进一步改进是阳光转化电能系统是由光伏 电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明和驱动负载构成；电池板电源经过大功率二极管及 控制系统给蓄电池充电。所述的凹凸曲面反光镜为冷光反射镜面，其材质为金属铝、不锈钢、玻璃、塑料，且 工作表面均须经过真空镀银膜制镜处理；凹曲面聚光反光镜的内表面为近似抛物线的弧面 组成，阳光在抛物面反射面直接形成聚集光斑光束，依据光斑光束大小需求，来确定曲面半 径的大小，凸曲面扩光反光镜表面为近似平面圆弧，经光反射后为发散光，依据发散光面积 的大小需求，来确定曲面半径的大小。所述的追踪控制系统是环境光感光探测器，将用来检测环境光的亮度以此来判断 是否有太阳；方位角传感器和高度角传感器将东西南北方向的太阳能信号转换成电信号； 中央处理电路对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输 给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路有驱动 器、限位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电 器，由继电器控制电机动作。值得一提的是凹曲面聚光反光镜上正前端和凸曲面扩光反光镜下方都装有透光 平面防尘玻璃罩，其材质为玻璃或PC+υν透光板，表面至少被覆一层一定厚度的防止光线 在表面上反射用的氟系列防反射膜；并安装了 2个自动清洁刷。本实用新型的有益效果是凹曲面聚光反光镜始终以最大接收面积接受阳光，并 将阳光聚集光斑光束，并以反射效率和反光面积最大化始终传输到固定位置的凸曲面扩光 反光镜上，凸曲面扩光反光镜反射发散光，其光路最大化和垂直朝向下，使光的采集面积得 到最大效果的利用，有效降低了成本；各反光镜均经过真空镀银膜制镜处理；将太阳能辐 射直接转化为电能，并储存和使用日产电能，在阳光不足的情况下，自动灯光照明；安装了 自动清洁刷，减少日常维护工作量，设施安装方便灵活，可以适应各种建筑形成的需要，尤 其可以应用于高层天井建筑楼，利用屋顶阳光改善有天井高楼内的光线。综上所述，本实用 新型不仅能传输可见光，还能传输红外光、紫外光，因此真正实现了太阳光的全光谱利用； 具有设计方案科学合理，适合各种建筑的大面积采光需求，同时经济适用，采光效果高。是 一套完整的采光解决方案，推广后将产生较高的社会效益和经济效益。
图1是阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置结构正视示意图；图2是阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置结构俯视示意视图。
具体实施方式
图1-2所示，示意了本设施的结构与工作原理，图中的电灯(1)，凸 曲面扩光反光镜(2)，凸曲面扩光反光镜调节支架(3)，I号空心轴(4)，I号轴的蜗轮、蜗 杆(5)，III号轴的带减速器可逆电机(6)，组合支撑架(7)，C'限位开关(8)，B'限位开关(9)，III号轴的蜗轮、蜗杆(10)，A'限位开关(11)，III号轴(12)，撬杆(13)，光伏电池组 件(14)，可调高度角传感器(15)，凹曲面聚光反光镜调节支架(16)，C限位开关(17)，凹曲 面聚光反光镜(18)，II号轴的蜗轮、蜗杆(19)，II号轴(20)，II号轴的带减速器可逆电机 (21)，A限位开关(22)，B限位开关(23)，高层天井建筑楼屋顶(24)，太阳(25)，自动清洁 刷(26)，垂直方向移动板(27)，D限位开关(28)，I号轴的带减速器可逆电机(29)，E限位 开关(30)，滚动轴承(31)，防护罩(32)。由此可见阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照 明的装置，主要包括采光反射传输系统、感光探测传感器、追踪控制系统、机械传动装置、阳 光转化电能系统、自动灯光补充系统、自动清洁装置、雷电保护避雷器电路、限位开关、防护 罩所组成。采光反射传输系统由凹曲面聚光反光镜18安装在调节支架16上，调节支架可根 据反光镜大小 和形状任意调节，采集最大面积汇聚阳光，将阳光反射聚焦传输到固定位置 的凸曲面扩大反光镜2上，再由凸曲面扩大反光镜2反射发散光垂直朝下照亮高层建筑楼 天井内。感光探测传感器是在设有检测太阳光位置的传感器分为三组环境光传感器14、 方位角传感器14、光亮度的光敏传感器14、高度角传感器15 ；并利用光伏电池特性，用作环 境光传感器、方位角传感器和光亮度的光敏传感器，方位角传感器起作判断是否有太阳和 检测太阳的水平位置；以及在阳光不足时，光亮度的光敏传感器又起到了光控作用，输出电 压，灯光照明；光伏电池设有隔光板，安装在撬杆13上，高度角传感器15安装凹曲面聚光反 光镜调节支架16上，高度角传感器的结构是一块隔光板、隔板下端分开设有二个光电传 感器，一个传感器固定板组成，固定板下安装了螺杆锁定调节器。追踪控制系统是环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器将判断是否有太 阳，和东西南北方向的太阳能信号转换成电信号；中央处理电路对太阳光跟踪传感器的 信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出 控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路有驱动器、限位开关、继电器和电机组成，中央 处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继电器控制电机动作；追踪控制系 统可以借用《阳光导入器电路》和《阳光导入器控制方法》等专利的现有技术。机械传动装置包括I号轴机构、II号轴机构、III号轴机构；滚动轴承安装在组合 支撑架7的I号轴4上，I号轴4中间固连蜗轮、蜗杆5，带减速器的可逆电机29，下端固连 凸曲面扩光反光镜调节支架3，凸曲面扩光反光镜2安装在调节支架3上，上端固连III号 轴12，III号轴12右端部固连蜗轮和蜗杆10，带减速器的可逆电机6，III号轴12通过滚 动轴承与垂直方向移动板27和撬杆13连接，以圆锥滚动连接II号轴20，II号轴20右端 固连蜗轮和蜗杆19和带减速器的可逆电机21，II号轴20中间固连凹曲面聚光反光镜调节 支架16 ；凹曲面聚光反光镜18安装调节支架16上，要使凹曲面聚光反光镜18以最大面积 反射阳光传输到固定位置的凸曲面扩光反光镜2上，特在带动凹曲面聚光反光镜18转动的 蜗轮旁的上、中、下位置，装有A22、B23、C17的叁个限位开关，和撬杆的III号轴端装有对 称的A' 1KB' 9、C' 8的叁个限位开关。这样，当太阳位置发生变化时，太阳光追踪传感 器将太阳位置信号传递给追踪控制系统，驱动机械传动装置动作，即带减速器的可逆电机 29，并通过蜗轮、蜗杆5驱动采光反射传输系统围绕空心I号轴的轴线作东西向位置调整， 同时在带减速器的可逆电机21，并经蜗轮、蜗杆19的驱动下，采光反射传输系统还围绕II号轴20的轴线作南北向倾角调整，当凹曲面聚光反光镜转动到某一极限时，带减速器的可 逆电机6，并通过蜗轮、蜗杆10的驱动下，采光反射传输系统围绕III号轴12的轴线作上、 中、下向倾角调整，其复合运动的结果使采光系统的采光面可以始终正对太阳，保持最有效 的采光反射。阳光转化电能系统是由光伏电池组件14、蓄电池、控制器、逆变器、照明1和驱动 负载6、21、29构成；由太阳能光伏电池板组件14将太阳能辐射直接转化为电能，作为发 电系统，让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，当蓄电池电源达到一 定程度时，控制系统内设的自动保护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动保护；并利 用光伏电池特性，用作环境光传感器、方位角传感器和光亮度的光敏传感器，判断是否有太 阳，检测太阳的水平位置，驱动凹曲面聚光反光镜围绕I号轴作东、西平面方向角度调整； 以及在阳光不足时，太阳能电池板又起到了光控作用，给控制系统发出指令，此时控制系统 自动开启，输出电压，自动灯光照明；系统中的逆变器将直流电转换成一般电器所需的交流 电，经由配电系统供照明和驱动系统供电的使用，以及蓄电池储存电力，尚可提供防灾紧急 用电需求。其中，的凹凸曲面反光镜2、18为冷光反射镜面，其材质为金属铝、不锈钢、玻璃、 塑料，且工作表面均须经过真空镀银膜制镜处理；凹曲面聚光反光镜的内表面为近似抛物 线的弧面组成，阳光在抛物面反射面直接形成聚集光斑光束，依据光斑光束大小需求，来确 定曲面半径的大小，凸曲面扩光反光镜表面为近似平面圆弧，经光反射后为发散光，依据发 散光面积的大小需求，来确定曲面半径的大小。值得一提的是为了防止灰尘聚集，凹曲面聚光反光镜18上正前端和凸曲面扩光 反光镜下方都装有透光平面防尘玻璃罩32，其材质为玻璃或PC+UV透光板，表面至少被覆 一层一定厚度的防止光线在表面上反射用的氟系列防反射膜；并安装了 2个自动清洁刷 26。实践证明，本阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置不耗电、长距离、高效 率、全光谱、低成本地采集并传输太阳光，并且工艺简单，便于推广应用。本实用新型提供了阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置结构原理的思路， 应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可 以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本实用新型和保护范围。
权利要求一种阳光自动跟踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，主要由采光反射传输系统、感光探测传感器、追踪控制系统、机械传动装置、阳光转化电能系统、自动灯光补充系统、自动清洁装置、限位开关、防护罩所组成；所述的采光反射传输系统包含凹曲面聚光反光镜(18)、凸曲面扩光反光镜(2)统称凹凸曲面反光镜，两者形成反射发散光路；所述的感光探测传感器为环境光传感器(14)、方位角传感器(14)、高度角传感器(15)；追踪系统包含太阳光追踪传感器(14)、(15)、追踪控制系统、以及机械传动装置。
2.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是反射发 散光路垂直朝下的凸曲面扩光反光镜(2)，背面上方安装在调节支架(3)上，调节支架(3) 与I号空心轴(4)下端成夹角45°用平键固连，蜗轮箱固连组合支撑架(7)，固定安装的带 减速器的可逆电机(6)，经过蜗轮、蜗杆(5)与通过轴承安装在固定组合支撑架(7)上的I 号空心轴(4)衔接，I号空心轴(4)采用一个推力球轴承、2个深沟球轴承、一个圆锥滚子轴 承支撑在组合支撑架(7)上，组合支撑架(7)与屋顶(24)用地脚螺钉连接，III号固定轴(12)套在I号空心轴上端，用平键连接，III号固定轴(12)经2个圆锥滚子轴承与垂直方 向移动板(27)连接，蜗轮箱与垂直方向移动板(27)固连，电机装在蜗轮箱下面，在带减速 器的可逆电机驱动下，蜗杆围绕固定轴(12)，固连的蜗轮圆周转动，III号固定轴(12)固连 罩壳，经垂直方向移动板(27)垂直连接III号固定轴(12)与撬杆(13)，撬杆两边有垂直遮 光板固连光伏电池组件(14)，撬杆(13)的另一端经2个圆锥滚子轴承与II号轴(20)连 接，蜗轮与II号轴(20)固连，II号轴与凹曲面聚光反光镜调节支架(16)固连，调节支架 (16)上安装可调高度角传感器(15)，减速可逆电机(21)安装在蜗轮箱下面，蜗轮箱与撬杆(13)固连，减速可逆电机(21)驱动经蜗杆(19)带动蜗轮转动；特在带动凹曲面聚光反光 镜18转动的蜗轮旁的上、中、下位置，装有A22、B23、C17的叁个限位开关，和撬杆的III号 轴端装有对称的(A' 11)、(B' 9)、(C' 8)的叁个限位开关。
3.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是在设有 检测太阳光位置的感光探测传感器分为三组环境光传感器和光亮度的光敏传感器(14) 方位角传感器(14)、高度角传感器(15)；光伏电池设有隔光板，安装在撬杆(13)上，高度角 传感器(15)安装凹曲面聚光反光镜调节支架(16)上，高度角传感器的结构是一块隔光 板、隔板下端分开设有二个光电传感器，一个传感器固定板组成，固定板下安装了螺杆锁定 调节器。
4.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是设有阳 光转化电能系统是由光伏电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明和驱动负载构成。
5.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是凹凸曲 面反光镜为冷光反射镜面，其材质为金属铝、不锈钢、玻璃或塑料，且工作表面均须经过真 空镀银膜制镜处理；凹曲面聚光反光镜的内表面为近似抛物线的弧面组成，阳光在抛物面 反射面直接形成聚集光斑光束，依据光斑光束大小需求，来确定曲面半径的大小，凸曲面扩 光反光镜表面为近似平面圆弧，经光反射后为发散光，依据发散光面积的大小需求，来确定 曲面半径小。
6.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是追踪控 制系统既方位角传感器和高度角传感器将东西南北方向的太阳能信号转换成电信号；中央 处理电路对太阳光跟踪传感器的信号进行采集后，经运算放大电路放大信号后传输给中央处理器，中央处理器分析后给出控制信号至动作驱动电路；动作驱动电路有驱动器、限 位开关、继电器和电机组成，中央处理器给出的控制信号经驱动器放大后驱动继电器，由继 电器控制电机动作。
7.根据权利要求1所述阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，其特征是凹曲面 聚光反光镜上正前端和凸曲面扩光反光镜下方都装有透光平面防尘玻璃罩，其材质为玻璃 或PC+UV透光板，表面至少被覆一层一定厚度的防止光线在表面上反射用的氟系列防反射 膜；并安装了 2个自动清洁刷。
专利摘要本实用新型公开了一种阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置，属于太阳能应用技术领域；该装置主要由凹曲面聚光反光镜和固定位置的凸曲面扩光反光镜组成，并自动调节凹曲面聚光反光镜的反射角度，装置含盖采光反射传输系统、感光探测传感器即环境光传感器、方位角传感器和高度角传感器；追踪控制系统、机械传动装置、阳光转化电能系统、自动灯光补充系统、自动清洁装置所组成；该装置适合高层天井建筑楼，利用屋顶阳光改善有天井高楼内的光线，让高楼的内部各处变得如同室外一样明亮，从而改善高楼内部封闭的压抑气氛，是正在工作的员工心情愉快，提高工作效率。
文档编号F21S9/02GK201593749SQ200920043929
公开日2010年9月29日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者刘子宁 申请人:刘子宁