一种采光装置及系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种采光装置及系统，采光装置包括：反光装置、机械转动装置、电机传动机构和控制单元四个部分。机械转动装置、电机传动机构和控制单元驱动反光曲面跟踪太阳运行轨迹，将阳光聚光后投向某指定区域，达到收集日光的目的。系统的特点是采用单个曲面一维跟踪的方式实现移动焦点在某区域内的聚光，设备简单、成本低廉、性价比高，可广泛使用于建筑用光导设备的升级换代。本实用新型还包括一种采光系统，包括两个以上所述的采光装置的组合。
【专利说明】一种采光装置及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建筑用自然光利用设备，具体涉及一种将自然光引入建筑中的光收集装置。本发明还涉及一种使用光收集装置收集自然光的方法。
【背景技术】
[0002]根据建筑部2004年颁布的《建筑照明设计标准》(国标GB/T50033/34-2004)的规定，在我国的建筑设计中应该在可能的情况下:“利用各种导光和反光装置将自然光引入室内；利用太阳能作为照明能源”。
[0003]目前的现有技术中存在收集光进入建筑物内部的技术。例如:中国专利201652153U公开了一种建筑用主动式自然导光装置，配合使用了定日镜和反射镜，透过漫射板将阳光通过天窗引入建筑内部。这种系统依赖于具备二维转动自由度的机械跟踪系统:定日镜，其制作复杂成本较高。此外这种系统利用了二次曲面配合使用来采集光，同样制作复杂成本较高。此类采光装置都存在这些缺点，带来制作和成本的问题，商业可行性不闻。
[0004]现有技术中，还存在光导管系统。光导管系统的工作原理是通过光导管将阳光从其一端传递到另外一端，从而达到照明等目的。图6是一个典型的现有竖直光导管的工作原理示意图；
[0005]但是，上述光导管系统的缺点是没有聚光功能，占用空间相对较大，在远距离传输光的时候，系统的性价比低。举例说明，一个直径为300mm的光导管，其受光面积为0.07平方米，因此其日光照明峰值利用率Wpe约为500瓦。其中Wpe的定义为在室外日光强度达到峰值1000W/平方米且日光的照明效率为110流明/平方米的自然条件下，该光导管相当于每瓦15流明的白炽灯的工作功率数。
[0006]具体计算过程为:
[0007]Wpe=0.07 平方米 X 1000 瓦 / 平方米 X 110/15=500 瓦
[0008]以一个典型光导系统的市场价格5千元为估算基础，以每天使用10小时计、每年使用效率70%计，则系统每年节约的照明用电量约为1500千瓦时。按照当前电价计算，投资回报期约为4年。
[0009]因此，效率低，商业可行性不高。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是提供一种采光装置设备，其采用一维自由度的转动系统，和单个曲面，能够聚集阳光并且投进指定的光收集区域，从而提高自然光利用效率，同时结构简单，成本低廉，具有较高的商业可行性。
[0011]为达到上述目的，本发明提供了一种采光装置，包括反光曲面、机械转动装置、电机传动机构、控制单元四个部分。机械转动装置、电机传动机构和控制单元驱动反光曲面跟踪发光天体的运行轨迹，将自然光聚合后投向指定的光收集区域。[0012]反光曲面内部具有反光特性。本采光装置中可以只用一个反光曲面来采集光。在不同的实施例中，反光曲面可以是圆柱面，抛物面或符合抛物面或环面。
[0013]作为本发明的进一步改进，本发明的反光曲面固定于机械转动装置上，在电机传动装置和控制装置带动下在工作面上绕轴进行旋转。所述反光曲面关于一经过其母线的平面(称为“对称面”)对称，所述工作面与所述“对称面”垂直，所述轴为工作面的法线。所述反光曲面将自然光聚合后投向所述工作面(9)上的光收集区域。
[0014]更进一步改进，还包括一个光收集装置，在工作面内放置一光收集装置的入口，形成入口曲线。入口曲线的特征是其几何中心点在上述法线上。反光曲面绕法线为轴进行旋转，跟踪发光天体的运行轨迹；其运转运行的特征是使上述“对称面”始终含发光天体的理论中心点。
[0015]入口曲线的形态通常为一个对称封闭的曲线，例如为一个圆或一个多边形；但也可以是一不封闭的曲线。
[0016]反光曲面与工作面的交线构成一抛物线或圆弧，且在工作面内形成焦点。焦点位于所述入口曲线所围空间的内部或边缘上。
[0017]所述光收集区域位于所述入口曲线所围空间的内部或边缘上。
[0018]本发明的核心思想是，利用曲面能够聚焦但是焦点始终指向光源的特点，使曲面跟随光源转动，同时保证焦点落入光收集装置的入口处。
[0019]本发明的采光装置可以与光导系统相配合使用，也可以在光导纤维系统中配合使用。
[0020]本发明的采光装置和方法可以和光导管系统或光导纤维系统结合使用。
[0021]本发明的采光装置中，可选地，光收集装置可以是光导管，也可以是光导纤维系统的组成部件。
[0022]本发明的采光装置还可以组合使用，组成一个采光系统，该采光系统包括两个以上本发明的的采光装置。
[0023]本发明有益效果在于:对于任何以收集太阳直射光为目的的光导系统而言，使用该系统能够收集更多的日光并使其进入光利用系统，例如光导系统或光导纤维系统，从而大幅提高其效率和性价比。系统仅仅利用单个曲面对太阳进行一维跟踪，就可以完成足够精确的阳光汇集功能，恰到好处地达到了聚光性能和成本的平衡点，性价比比较高，商业可行性较强。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0025]图1是本发明的采光装置的结构示意图。
[0026]图2和图3详细解释了本发明的一个实施示例；该实例说明了本发明的结构和工
作原理。
[0027]图4是俯视光路图，揭示了阳光是如何被聚焦后反射入指定区域的。
[0028]图5是本发明的另一个实施例示意图；该图说明了本发明所指的反光曲面I也可以为环面或抛物面。
[0029]图6是一个典型的竖直光导管的工作原理示意图；[0030]图7是本专利的一个应用示意图，说明了它如何能够与现有的光导技术结合将阳光传输到建筑内部任何地方。
【具体实施方式】
[0031]图1所示为一个本发明的采光装置一个实例，包括:一个半柱形反光曲面1、机械转动装置、电机传动机构、控制单元四个部分。其中，机械转动装置包括:曲面支架2、圆形支架底盘3和圆形轨道4 ;电机传动机构包括:电机5、螺杆及连接机构6和控制与电源线
7。控制单元为一个微处理器单元8。
[0032]半柱形反光曲面I的材质可以是金属薄板，一面被加工后具备反光特性。反光曲面I被竖直安装并固定到曲面支架2上，内部为具备反光特性的一面。曲面支架2的底端与圆形支架底盘3固定连接，后者放置于圆形轨道4内。圆形支架底盘3和圆形轨道4共面、同心，并且通过轴承嵌套连接。
[0033]图2所示为本发明的进一步改进的实例，与上述图1说明中相同的部件以及附图标记在此不再赘述。图2详细说明了半柱形反光曲面I的特征和安装方式。半柱形反光曲面I在空间上关于一经过其母线的平面11对称。半柱形反光曲面I在曲面支架2上的安装方法是:使平面11与工作面9垂直，并且不失去其自身关于平面11的对称性。
[0034]按照上述方法将系统装配完毕后，在微处理器单元8的控制下，电机5通过螺杆及连接机构6带动半柱形反光曲面1、曲面支架2和圆形支架底盘3 —起进行自转，对太阳运行轨迹进行跟踪，即保持太阳的理论中心始终位于平面11内。由于上述跟踪机制的作用，一束平行的太阳光12被聚合到聚合点13上。在图2中，圆形轨道4置于一工作平面9之上，形成一条通过其圆心的法线10。上述安装方式使得半柱形反光曲面I能够绕法线10作为轴进行自转。
[0035]随着太阳的转动，聚焦点13的运动轨迹构成一个以法线10为中心对称轴的圆14。因此，无论太阳的位置如何，阳光都被聚焦到圆14所在范围内。
[0036]反光曲面I关于一经过其母线的平面11对称。反光曲面I固定于机械转动装置上，在控制单元和电机传动机构的操纵下，以一工作面9的法线10为轴进行旋转。工作面9的特征是其与平面11正交。
[0037]图3所示为本发明的更进一步改进的实例，与上述图1和图2说明中相同的部件以及附图标记在此不再赘述。在工作面9放置一光收集区域入口，形成入口曲线16。入口曲线16的特征是其几何中心点在法线10上。反光曲面I绕法线10为轴进行旋转，跟踪发光天体的运行轨迹，其运转运行的特征是使平面11始终含发光天体的理论中心点。
[0038]反光曲面I与工作面9的交线构成一抛物线或圆弧，且在工作面9内形成焦点13。焦点13位于入口曲线16所围成空间的内部或边缘上。
[0039]图3表示了如何将聚焦后的阳光投入光收集装置15。图3中，光收集装置被置于工作面9以下，其圆形开口曲线16位于工作面9内。圆形开口曲线16与圆14是同心圆，且优选的，前者的半径大于后者的半径，即圆14落入圆形开口曲线16内。因此本图说明了，本发明所述的采光装置可以跟踪太阳轨迹，将阳光聚合并投入光收集装置15中。
[0040]优选地，图3中光收集装置I为一光导管。
[0041]图4是本发明的采光装置的俯视光路图，揭示了阳光是如何被聚焦后反射入指定区域的。图4中反光曲面I在控制系统驱动下已经旋转到目标位置。如图所示，此时太阳的理论物理中心点已经位于平面11内，而反光曲面I以平面11对称，所以反光面面向太阳光的入射方向17。以光束12为例，它经过反光曲面I的反射，聚焦于焦点13处。圆形开口曲线16是一圆柱形光收集装置的开口处。焦点13在开口曲线16范围内，因此以光束12为代表的无数多束平行光在此刻汇聚于光收集装置的开口内部，从而达到了聚光收集阳光的目的。
[0042]图5是本发明的另一个实施例示意图；该图说明了本发明所指的反光曲面I也可以为环面或抛物面。
[0043]在图5中，反光曲面I的形态是一个抛物面，其中光束12经过抛物面的反射，聚焦于于焦点13处，并落入光收集装置的入口范围曲线16内。
[0044]图6是一个现有的典型的竖直光导管的工作原理示意图，其通过光导管将阳光从其一端传递到另外一端，从而达到照明等目的。
[0045]图7是本专利的一个应用示意图，说明了它如何能够与现有的光导技术结合将阳光传输到建筑内部任何地方。
[0046]如图7所示，两个直径均为300毫米的相同光导管18和19安装在同一建筑的同一屋顶。在光导管19上应用了本专利的一个实例20。光导管18和19的应用目的都是用来照明无窗的区域21。经测算发现，在一个6月中旬的某一个晴天的上午10时许，通过光导管18进入无窗区域21的光通量为5390流明，而通过光导管19进入无窗区域21的光通量则高达9379流明。因此得出结论，由于实例20的作用，光导管19的阳光利用率比18高74%。在此项实验中，光收集装置20所采用的反光曲面的面积小于0.3平方米，而系统的耗电功率小于5瓦。结论为，采用了本专利所述光收集装置20后，光导系统19的投资回报期从原来的4年缩短到2年10个月，减少了约29%。
[0047]本发明能够提高光导系统的太阳能利用效率50%以上，使系统投资回报期缩短至少25%，达到短于3年的水平。
[0048]本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对【具体实施方式】的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的【具体实施方式】用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。
【权利要求】
1.一种采光装置，包括: 反光装置、机械转动装置、电机传动机构(5)、和控制单元(8)，机械转动装置、电机传动机构(5)和控制单元(8)带动反光装置跟踪发光天体的运行轨迹，将自然光聚合后投向指定区域，其特征在于，所述反光装置为单个反光曲面(I )。
2.如权利要求1所述的采光装置，其特征在于，所述反光曲面(I)是圆柱面，或抛物面，或复合抛物面或环面。
3.如权利要求1所述的采光装置，其特征在于，还包括一个工作面(9)，所述反光曲面(O固定于所述机械转动装置上，受所述控制单元(8)控制，在所述工作面(9)上绕轴进行旋转。
4.如权利要求3所述的采光装置，其特征在于，所述反光曲面(I)关于一经过其母线的平面(11)对称,所述工作面(9)与所述平面(11)垂直,所述轴为工作面(9)的法线(10)。
5.如权利要求4所述的采光装置，其特征在于，所述反光曲面(I)与所述工作面(9)的交线是抛物线或圆弧，且抛物线或圆弧的焦点(13)位于工作面(9)内。
6.如权利要求3所述的采光装置，其特征在于，所述反光曲面(I)将自然光聚合后投向所述工作面(9)上的光收集区域(14)。
7.如权利要求1-6之一所述的采光装置，其特征在于，还包括光收集装置，其与工作面(9)相交于入口曲线(16)，入口曲线(16)形成所述光收集装置的入口，所述入口曲线(16)的几何中心点在法线(10)上。
8.如权利要求7所述的采光装置，其特征在于，所述焦点(13)位于所述入口曲线(16)所围空间的内部或边缘上。
9.如权利要求7所述的采光装置，其特征在于，所述光收集区域(14)位于所述入口曲线(16 )所围空间的内部或边缘上。
10.一种采光系统，包括两个以上如权利要求1-9所述的采光装置的组合。
【文档编号】F21S11/00GK203642066SQ201320503388
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】张晓东 申请人:张晓东