专利名称：智能式太阳能光纤激光混合照明装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤照明装置，具体是一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置及其控制方法。
背景技术：
目前，随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的逐渐消耗，能源问题越来越受到人类的关注，节能环保越来越受到人类的重视，开发利用新能源、减少不可再生能源的消耗，是人类社会可持续发展的唯一选择。人类对太阳能的利用已有很长的历史，但其利用效率都不高。目前光伏发电的最高效率仅为25%，且其制造成本非常高。若是直接利用太阳光进行照明，少了光一电一光转换环节，则其效率将大大提高，然而因为地域、天气等原因，阳光存在的不稳定性，因此目前国内光纤导光照明的局限性很大。
发明内容
为了克服现在技术的上述缺点，本发明提供一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置及其控制方法，在睛天时利用光纤把阳光直接引入到室内照明，并利用激光发生器保持光强的稳定性；雨天、阴天和晚上则利用储存在蓄电池中的电能通过光纤导入激光照明；当阳光及蓄电池中的电量都不足时，才启动LED照明，最大程度地利用太阳能，尽可能的节约一次性能源。该装置制造成本低、运行稳定，而且提高了太阳能的利用率，有效地节约了能源。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种智能式太阳能光纤激光混合照装置，它是由光纤导光照明、激光照明及LED照明组成的混合照明装置。包括自动跟踪系统、电源系统、光纤导光系统、激光发生器和尾灯，所述自动跟踪系统包括玻璃罩、电机、减速装置、支架、电动伸缩杆、传动杆、跟踪传感器以及主控模块，所述电源系统包括第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板和蓄电池，所述光纤导光系统包括聚光单元、光纤、光纤耦合器，所述激光发生器包括红绿蓝三色激光装置，所述尾灯包括光纤灯、LED灯、LED驱动器、220V市电电源及光线感应器。所述跟踪传感器由圆筒、圆筒外部第一水平方向硅光电池、第二水平方向硅光电池、第一垂直方向娃光电池、第二垂直方向娃光电池、菲涅尔透镜及圆筒内部的阵列式感光传感器构成，四个方向的硅光电池分为两对，每一对成45度角，“八”字形放置于圆筒外，一对控制水平方向的角度，另一对控制垂直方向的角度。所述主控模块包括电路模块、液晶显示器、按键，主控模块、电机、电动伸缩杆和跟踪传感器通过数据线相连，减速装置和电机安装在玻璃罩内的固定平台上，支架垂直安装在减速装置的一个转动轴上，电动伸缩杆底端连接在支架中间凸出的杆的一端，另一端与固定在放置采光模块的半球形框架底端的杆相连，半球形框架的底部安装在支架的顶端，跟踪传感器安装在半球形框架内与半球框架的圆平面垂直。所述电源系统包括第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板和蓄电池。第一太阳能电池板安装在采光平面的位置上；第二太阳能电池板安装在与微电机相连的转动轴上，第三太阳能电池板是一块固定的太阳能电板，三种太阳能电池板通过太阳能充电器给蓄电池充电。所述光纤导光系统包括聚光单元、光纤、光纤耦合器，光纤的一端接在光纤固定器上，另一端接到光纤稱合器的第一输入端，光纤稱合器的第二输入端、第三输入端、第四输入端分别接到激光发生器的红色、绿色、蓝色激光的输出端，光纤耦合器的输出端通过光纤接入到室内的尾灯上。所述聚光单元包括菲涅尔透镜、圆筒、太阳能电池板、微电机、滤光片、光纤固定器，菲涅尔透镜安装在圆筒的顶部，太阳能电池板固定在与微电机相连的转轴上，微电机安装在圆筒的外面，滤光片安装在光纤固定器的漏斗型口上。所述激光发生器通过电源线与电池相连，激光发生器通过信号线与主控模块相连，激光发生器的输出端接到光纤耦合器的三个输入端。所述尾灯包括光纤灯、LED灯、LED驱动器、220V市电电源和光线感应器，光纤灯与室内的光纤相连，LED灯、光线感应器通过导线与LED驱动器相连，LED驱动器接入220V市电电源。所述的智能式太阳能光纤激光混合照明装置的控制方法，包括如下步骤在主控模块设置有一时钟芯片，自动跟踪系统根据时钟芯片设定的时间6 00开始工作，20 00自动跟踪系统复位，跟踪传感器外部四个方向的硅光电池开始采集阳光强度，将光强转化为模拟电信号，再转换为数字信号，将光强分为1024个等级，根据光强判断是否有阳光，当光强达到一定程度，就比较哪一个方向的光强强一点，就驱动电机和电动伸缩杆朝那个方向转动，直到每一对的两个硅光电池上的光强是一样的，就基本上对准了太阳，再读取阵列式感光传感器的数据，确定阳光汇聚点的坐标，驱动电机和电动伸缩杆使阳光汇聚点移到中心点上，准确对准太阳，使阳光垂直照射到菲涅尔透镜上，准确汇聚到光纤固定器的漏斗型的进光口中，第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板经充电控制器给蓄电池充电，主控模块根据采集到的阳光强度调整聚光单元内的太阳能电池板的角度，调整进光量，使光线保持稳定，若阳光强度低于设定的值，主控模块就发送信号给激光发生器，由激光发生器产生激光，通过光纤耦合器补充到光纤中，维持光线的稳定，当阳光的强度达到设定值时，主控模块发送信号给激光发生器，停止产生激光，当没有光传输到尾灯时，即当阳光太弱且蓄电池电量不足时，光线感应器检测到光纤灯没有光传入时产生一个高电平发送到LED驱动器，启动LED灯照明，检测到光纤灯有光传入时，产生一个低电平发送到LED驱动器，关闭LED照明。本发明的突出优点在于，由于设计有太阳能光纤导光照明、激光照明及LED照明组成的混合照明装置，在睛天时利用光纤把阳光直接引入到室内照明，并利用激光发生器保持光线的稳定性；雨天、阴天和晚上则利用储存在蓄电池中的电能通过光纤导入激光照明；当阳光及蓄电池中的电量都不足时，才启动LED照明，最大程度地利用太阳能，尽可能的节约一次性能源。该装置制造成本低、运行稳定，而且提高了太阳能的利用率，有效地节约了能源。
图1是本发明所述的自动化太阳能光纤照明装置的结构示意图。图2是跟踪传感器结构图。图3是跟踪传感器的俯视图。图4是聚光单元结构图。图5是尾灯结构图。图6是光纤耦合器结构图。
具体实施例方式以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。如图1所示，一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置，包括自动跟踪系统、电源系统、光纤导光系统、激光发生器和尾灯。所述自动跟踪系统包括玻璃罩1、电机2、减速装置3、支架4、电动伸缩杆5、传动杆
6、跟踪传感器8以及主控模块12。如图2和图3所不,所述跟踪传感器由圆筒806、圆筒外部第一水平方向娃光电池802、第二水平方向娃光电池803、第一垂直方向娃光电池804、第二垂直方向娃光电池805、菲涅尔透镜801及圆筒内部的阵列式感光传感器807构成，四个方向的硅光电池分为两对，每一对成45度角，“八”字形放置于圆筒外，一对控制水平方向旋转，一对控制垂直方向的角度。硅光电池产生的电压、电流不仅与光照强度有关，还与它的等效感光面积有关，在光照相同的条件下，等效感光面积越大，所产生的电压、电流也越大。当阳光垂直照射到跟踪传感器的菲涅尔透镜上时，阳光与四个硅光电池所成的角度是相同的，即硅光电池的等效感光面积是相同的，硅光电池上所产生的电压信号是相等的，当阳光与菲涅尔透镜不垂直时，阳光与四个硅光电池所成的角度是就会有偏差，即硅光电池的等效感光面积是不相同的，硅光电池上产生的电压信号就会不同。当第一水平方向硅光电池802上的电压大于第二水平方向硅光电池803上的电压，则主控模块就驱动电机2朝顺时针方向转动，反之，当第二水平方向硅光电池803上的电压大于第一水平方向硅光电池802上的电压，则主控模块就驱动电机2朝逆时针方向转动。当第一垂直方向硅光电池804上的电压大于第二垂直方向娃光电池805上的电压,则主控模块就驱动电动伸缩杆5增加电动伸缩杆5的长度,朝下转动，反之，当第二垂直方向娃光电池805上的电压大于第一垂直方向娃光电池804上的电压时，贝1J主控模块就驱动电动伸缩杆5减少电动伸缩杆5的长度,朝上转动。这就是四个方向的硅光电池的工作原理。当四个方向的硅光电池所产生的电压相同的时候，就大致对准了太阳，此时再通过圆筒内的阵列式感光传感器807将聚焦点准确地对准到中心位置上。所述主控模块12、电机2、电动伸缩杆5和跟踪传感器8通过数据线相连。减速装置3和电机2安装在玻璃罩I内的固定平台上，支架4垂直安装在减速装置3的一个转动轴上，可以随转动轴做圆周转动，电动伸缩杆5底端连接在支架4中间凸出的杆的一端，另一端与固定在放置聚光单元25的半球形框架27底端的传动杆6相连，半球形框架27的底部安装在支架4的顶端，跟踪传感器8安装在半球形框架27内与半球形框架27的圆平面垂直。所述电源系统包括第一太阳能电池板7、第二太阳能电池板9、第三太阳能电池板13和蓄电池14。第一太阳能电池板7是一种柔性的太阳能电板，将其裁剪后安装在采光平面的空白位置；第二太阳能电池板9是单晶硅太阳能电板，将其裁剪后安装在与微电机11相连的转动轴上，可由微电机11调整其角度，以便调整阳光的入射量。第三太阳能电池板13是一块固定的太阳能电板，三种太阳能电池板都通过太阳能充电器给蓄电池充电。所述光纤导光系统包括聚光单兀25、光纤22、光纤稱合器21。光纤22的一端接在聚光单兀25的光纤固定器24上,另一端接到光纤稱合器21的第一输入端2101,光纤f禹合器21的第二输入端2102、第三输入端2103、第四输入端2104分别接到激光发生器16的红色、绿色、蓝色三个激光输出端，光纤耦合器21的输出端2105通过光纤接入到室内的尾灯19上。如图4所示，所述聚光单元包括菲涅尔透镜10、圆筒26、太阳能电池板9、微电机11、滤光片23、光纤固定器24，菲涅尔透镜10安装在圆筒25的顶部，太阳能电池板9固定在与微电机11相连的转轴上，可由微电机11调整其角度，调整阳光的入射量，以保持传输到室内的光线稳定，同时给蓄电池14充电。微电机11安装在圆筒25的外面,滤光片23安装在光纤固定器24的漏斗型口上。所述激光发生器包括红绿蓝三色激光发生装置。激光发生器16通过电源线与电池14相连，激光发生器16通过信号线与主控模块12相连。激光发生器16的输出端接到光纤耦合器21的三个输入端。将所述激光发生器16的强度分为1024个级别，通过程序控制其产生0 1024级强度的激光，以便产生与阳光强度互补的激光补充照明。如图5所示，所述尾灯包括光纤灯19、LED灯18、LED驱动器17、220V市电电源15及光线感应器20。光纤灯19与接入到室内的光纤相连，LED灯18、光线感应器20通过导线与LED驱动器相连，LED驱动器17接入220V市电电源。一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置的控制方法，在主控模块12设置有一块时钟芯片，自动跟踪系统根据时钟芯片设定的时间6 00开始工作，20 00自动跟踪系统复位。跟踪传感器外部的四个方向硅光电池开始采集阳光强度，将光强转化为模拟电信号，再转换为数字信号，将光强分为1024个等级，根据光强判断是否有阳光，当光强达到一定程度，就比较哪一个方向的光强强，就驱动电机2和电动伸缩杆5朝那个方向转动，直到每一对的两个硅光电池上的光强是一样的，就基本上对准了太阳。再读取跟踪传感器8圆筒内的阵列式感光传感器的数据，确定阳光汇聚点的坐标，驱动电机2和电动伸缩杆5使阳光汇聚点移到中心点上，准确对准太阳。使阳光垂直照射到菲涅尔透镜上，准确汇聚到光纤固定器的漏斗型的进光口中。第一太阳能电池板7、第三太阳能电池板13及采光单元中的太阳能电池板9经充电控制器给蓄电池充电。主控模块12智能的根据采集到的阳光强度调整采光单元内的太阳能电池板的角度，调整进光量，使光线保持稳定。若阳光强度低于设定的值，主控模块12就发送信号及阳光强度给激光发生器16，由激光发生器16产生激光，通过光纤耦合器21补充到光纤中，维持光线的稳定，当阳光的强度达到设定值时，主控模块12发送信号给激光发生器16，停止产生激光。当没有光传输到尾灯时，即当阳光太弱且蓄电池电量不足时，光线感应器20检测到光纤灯19没有光传入时产生一个高电平发送到LED驱动器，启动LED灯照明。检测到光纤灯有光传入时，产生一个低电平发送到LED驱动器，关闭LED照明。图6所示的是光纤耦合器21的结构原理图，其原理是利用光的全反射原理，减少光的衰减，从而提高光的传输效率。光纤稱合器21内层为光密介质,外层为光疏介质。可以减少光在耦合过程中的损耗。
权利要求
1.一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置，包括自动跟踪系统、电源系统、光纤导光系统、激光发生器和尾灯，其特征在于，所述自动跟踪系统包括玻璃罩、电机、减速装置、支架、电动伸缩杆、传动杆、跟踪传感器以及主控模块，所述主控模块通过数据线与电机、电动伸缩杆以及跟踪传感器相连，减速装置和电机安装在玻璃罩内的固定平台上，支架垂直安装在减速装置的一个转动轴上，电动伸缩杆底端连接在支架中间凸出的杆的一端，另一端与固定在放置采光模块的半球形框架底端的传动杆相连，半球形框架的底部安装在支架的顶端，跟踪传感器安装在半球形框架内与半球形框架的圆平面垂直， 所述电源系统包括第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板和蓄电池，第一太阳能电池板安装在采光平面的位置上，第二太阳能电池板安装在与微电机相连的转动轴上，第三太阳能电池板固定安装在蓄电池架上，三种太阳能电池板通过太阳能充电器给蓄电池充电， 所述光纤导光系统包括聚光单元、光纤、光纤耦合器，光纤的一端接在聚光单元的光纤固定器上，另一端接到光纤稱合器的第一输入端，光纤稱合器的第二输入端、第三输入端、第四输入端分别接到激光发生器的红色、绿色、蓝色三个激光输出端，光纤耦合器的输出端通过光纤接入到室内的尾灯上， 所述聚光单元包括菲涅尔透镜、圆筒、第二太阳能电池板、微电机、滤光片、光纤固定器，菲涅尔透镜安装在圆筒的顶部，第二太阳能电池板固定在与微电机相连的转轴上，微电机安装在圆筒的侧面，滤光片安装在光纤固定器的漏斗型的进光口上， 所述激光发生器是能够发生多组红、绿、蓝三色激光的装置，所述激光发生器通过电源线与电池相连，通过信号线与主控模块相连，激光发生器的输出端接光纤耦合器的第二输入端、第三输入端、第四输入端的三个输入端， 所述尾灯包括光纤灯、LED灯、LED驱动器、220V市电电源及光线感应器，光纤灯与室内的光纤相连，LED灯、光线感应器通过导线与LED驱动器相连，LED驱动器接入220V市电电源。
2.根据权利要求书I所述的智能式太阳能光纤激光混合照明装置，其特征在于，所述跟踪传感器由圆筒、圆筒外部第一水平方向娃光电池、第二水平方向娃光电池、第一垂直方向娃光电池、第二垂直方向娃光电池、菲涅尔透镜及圆筒内部的阵列式感光传感器构成，四个方向的硅光电池分为两对，每一对成45度角，“八”字形放置于圆筒外，一对控制水平方向的角度，另一对控制垂直方向的角度。
3.如权利要求书I所述的智能式太阳能光纤激光混合照明装置的控制方法，其特征在于包括如下步骤 在主控模块设置有一时钟芯片，自动跟踪系统根据时钟芯片设定的时间6 00开始工作，20 00自动跟踪系统复位，跟踪传感器外部四个方向的硅光电池开始采集阳光强度，将光强转化为模拟电信号，再转换为数字信号，将光强分为1024个等级，根据光强判断是否有阳光，当光强达到一定程度，然后比较哪一个方向的光强强一点，就驱动电机和电动伸缩杆朝那个方向转动，直到每一对的两个硅光电池上的光强是一样的，就基本上对准了太阳，再读取阵列式感光传感器的数据，确定阳光汇聚点的坐标，驱动电机和电动伸缩杆使阳光汇聚点移到中心点上，准确对准太阳，使阳光垂直照射到菲涅尔透镜上，准确汇聚到光纤固定器的漏斗型的进光口中，第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板经充电控制器给蓄电池充电，主控模块根据采集到的阳光强度调整聚光单元内的第二太阳能电池板的角度，调整进光量，使光线保持稳定，若阳光强度低于设定的值，主控模块就发送信号给激光发生器，由激光发生器产生激光，通过光纤耦合器补充到光纤中，维持光强的稳定，当阳光的强度达到设定值时，主控模块发送信号给激光发生器，停止产生激光，当没有光传输到尾灯时，即当阳光太弱且蓄电池电量不足时，光线感应器检测到光纤灯没有光传入时产生一个高电平发送到LED驱动器，启动LED灯照明，检测到光纤灯有光传入时，产生一个低电平发送到LED驱动器，关`闭LED照明。
全文摘要
一种智能式太阳能光纤激光混合照明装置，包括自动跟踪系统、电源系统、光纤导光系统、激光发生器和尾灯，所述自动跟踪系统包括玻璃罩、电机、减速装置、支架、电动伸缩杆、传动杆、跟踪传感器以及主控模块，所述电源系统包括第一太阳能电池板、第二太阳能电池板、第三太阳能电池板和蓄电池，所述光纤导光系统包括聚光单元、光纤、光纤耦合器，所述激光发生器包括红绿蓝三色激光装置，所述尾灯包括光纤灯、LED灯、LED驱动器、220V市电电源及光线感应器。采用本发明能够在太阳光变化无常的情况下，保证系统的稳定性，制造及运行成本低，节能环保。
文档编号F21V13/12GK103032810SQ201210558419
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者沈晓明, 周春, 孙友明, 何欢, 符跃春 申请人:广西大学