一种双聚焦光能跟踪超导照明装置及方法与流程

本发明涉及清洁能源利用技术领域，尤其涉及一种节能环保的双聚焦光能跟踪超导照明装置及方法。

背景技术：

我家住在高层建筑密集的小区，在我的房间里，每天太阳光就像昙花一样，匆匆一现而过。我总是想，为什么阳光不能照到那些阴暗的角落，让整个世界都变得光明，让每个人都得到阳光的沐浴，为什么太阳总像是与我捉迷藏，当我需要时却悄然离去；也许这就是大自然的奥秘，光的直线传播是不可改变的定律，如何实现光线的柔性传输，引起我学习和探索的兴趣。如果能发明一种“双聚焦光能跟踪超导照明装置”，有效的驯服太阳的“淘气”，就能让我的梦想成为现实，让生活变得充满阳光、更加美丽！

从相关资料获悉，我国的照明电量占10％，而电光转化率仅有15％，也就是说有85％的电能以热形式耗去。合理利用自然资源，有利于营造一个绿色的社会，延长不可再生能源的使用，是国家大力提倡和支持发展的方向。

本发明是在当前国家大力提倡节能环保、学生自主创新的背景下，针对太阳光照明技术进行的研究，通过模型制作和模拟演示，研发出的“一种双聚焦光能跟踪超导照明装置及方法”。

技术实现要素：

本发明提供了一种双聚焦光能跟踪超导照明装置及方法，应用物理学原理，采用光差跟踪技术及二自由度舵机云台实现凹面镜对太阳光的自动精准跟踪，采用双聚焦技术，通过凹面镜把大面积的光线汇聚到焦点，再把焦点处的小面积、高密度、超亮度的光线经凸透镜组折射为平行光线，通过光室注入到照明光纤中，大大降低了光损耗，实现太阳光的高效柔性传输。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种双聚焦光能跟踪超导照明装置，包括光差跟踪单元和光线汇聚照明单元；所述光差跟踪单元由4个光敏传感器、电压比较器、马达电位器一、马达电位器二、舵机控制板、二自由度舵机云台及电源模块组成；光线汇聚单元由凹面镜、凸透镜组及照明光纤组成；所述4个光敏传感器分别设置在凹面镜竖直及水平方向的4个端点上，各个光敏传感器分别与电压比较器的信号输入端相连，电压比较器的电压输出端分别与马达电位器一、马达电位器二的直流电动机相连；马达电位器一、马达电位器二的电阻调节端与舵机控制板的信号输入端连接，舵机控制板的控制端与二自由度舵机云台的水平舵机和垂直舵机相连接；电压比较器、舵机控制板另外连接电源模块；凹面镜设置在二自由度舵机云台上；凸透镜组由多个凸透镜组成半球面形，凹面镜与凸透镜组相对设置，且凹面镜与组成凸透镜组的各凸透镜的焦点重合；凸透镜组的平行光出射方向设有多根照明光纤。

所述凹面镜通过凹面镜支架与二自由度舵机云台连接；凸透镜组的各个凸透镜设于铝质半球面体上，铝质半球面体与凹面镜支架通过周向的多个辐条相连；铝质半球面体上设有多个透光孔，凸透镜及对应的照明光纤分别固定在透光孔的两端，两者之间为光室。

所述铝质半球面体为铸铝件，凸透镜及照明光纤通过铝质安装件固定在铝质半球面体上各透光孔的两端；铝质安装件整体为圆管状，中部嵌装在透光孔中，两端突出于透光孔之外，铝质安装件上对应凸透镜安装一端设安装槽，凸透镜嵌装在安装槽中；铝质安装件上对应照明光纤安装一端设弹性卡爪，照明光纤的固定端通过周向的多个弹性卡爪固定。

所述凹面镜的内侧、凹面镜焦点的后方设有集热体，集热体通过移动驱动装置与凹面镜支架连接，在移动驱动装置的带动下集热体能够移动到凹面镜的焦点处；集热体另外连接水管。

所述凹面镜与凸透镜组之间设有防尘透光罩，防尘透光罩通过幅条支撑固定。

所述照明光纤的延伸端设有反射罩。

还包括辅助照明及加热装置；所述辅助照明及加热装置包括光电池、蓄电池、补偿光源和电加热器；所述光电池的电源回路上并联有蓄电池、补偿光源及电加热器，其中蓄电池的并联支路上设有控制开关一，补偿光源的并联支路上设控制开关二及光控开关，电加热器的并联支路上设控制开关三及温控开关。

一种基于所述装置的光能跟踪照明方法，包括：

光差跟踪单元：4个光敏电阻传感器将采样值以电压的形式输出到电压比较器中，电压比较器对凹面镜水平方向两端点光敏电阻传感器输出的电压值进行差值比较，同时对凹面镜竖直方向两端点光敏电阻传感器输出的电压值也进行差值比较，通过电压差值的大小判断马达电位器一、马达电位器二中对应的直流电动机是否转动，电压差值的正负决定直流电动机的转动方向；直流电动机转动后对应马达电位器中可调电阻的电阻值发生变化，舵机控制板通过对应舵机控制二自由度舵机云台水平转动或俯仰动作；当进行值差比较的2个光敏电阻传感器感应的光照强度一样时，电压差值为零，电压比较器没有电压输出，对应马达电位器的直流电动机停止转动，可调电阻的电阻值没有变化，舵机控制板没有控制信号输出，对应的舵机停止转动，二自由度舵机云台在对应方向不动作；光差跟踪单元的作用就是保证凹面镜的焦点始终正对光源；

光线汇聚照明单元：凹面镜的焦点与凸透镜组上各凸透镜的焦点重合，且凸透镜组上位于中心位置的凸透镜的主轴与凹面镜的主轴共线；通过光差跟踪单元的对焦作用，凹面镜把大面积的平行光线汇聚到与凸透镜组共同的焦点上，汇聚到焦点的的光线经凸透镜组折射后形成高密度、超亮度的平行光注入每根照明光纤中，照明光纤汇聚在一起在尾端形成照明光源，通过反射罩实现漫反射，增加照明效果；照明光纤可将光线导入到所需的位置，实现太阳光的柔性传播。

通过移动驱动装置将集热体移动到凹面镜与凸透镜组共同的焦点上，集热体将水管中的水加热后输出。

所述辅助照明及加热装置用于外部光线不足时进行补充照明及加热；具体作用如下：

辅助照明功能，系统用于照明且外部光线不足时，光控开关自动闭合，补偿光源向照明光纤发出平行光，用以光线补偿；控制开关二为自动开关，用于检修和保护，辅助照明功能不启用时断开；

辅助加热功能，系统用于加热且外部光线不足时，温控开关自动闭合，由电加热器对集热体中的水进行补偿加热；控制开关三为自动开关，用于检修和保护，辅助加热功能不启用时断开；

补偿光源及电加热器均由蓄电池供电，蓄电池通过光电池充电，光电池固定在凹面镜支架上，与凹面镜一起进行光线跟踪运动；控制开关一为自动开关，用于检修和保护，正常工作时为闭合状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用光差跟踪技术及二自由度舵机云台，实现凹面镜对太阳光的自动精准跟踪，提高了太阳光的接收率；

2)采用双聚焦技术，把大面积的光线汇聚到焦点，再把焦点处的小面积、高密度、超亮度的光线经凸透镜组折射为平行光线，通过光室注入到照明光纤中，大大降低了光损耗；

3)采用照明光纤，实现太阳光的高效柔性传输，可以将光源传导到任意区域中，通过反射罩增加光照的强度；

4)具有照明及加热的双重功能，并且设有辅助照明及加热装置，保证在光照强度不足的情况下满足使用要求；

5)凸透镜组的各个凸透镜设于铝质半球面体上，定位对焦准确可靠，铝质半球面体铝质安装件的导热性好，利于散热；

6)利用照明光纤的柔性传输和光电隔离特性，不但可把太阳光光源引入到太阳光直接照射不到的地方，还可广泛应用在井下矿、石油、化工等易燃易爆的环境、水或其它危险用电环境中。

附图说明

图1是本发明所述一种双聚焦光能跟踪超导照明装置的结构示意图。

图2是本发明所述光差跟踪单元的原理图。

图3是本发明所述光线汇聚照明单元的原理图。

图3a是本发明所述凸透镜组的结构示意图。

图3b是本发明所述凸透镜及照明光纤的安装示意图。

图4是本发明所述辅助照明及加热装置的原理图。

图中：1.光敏传感器2.电压比较器3.马达电位器一4.马达电位器二5.直流电动机6.可调电阻7.舵机控制板8.电源模块9.二自由度舵机云台91.水平舵机92.垂直舵机10.支撑杆11.凹面镜支架12.凹面镜13.辐条14.凸透镜组141.凸透镜15.照明光纤16.反射罩17.铝质半球面体18.铝质安装件19.集热体20.移动驱动装置21.光电池22.蓄电池23.控制开关一24.补偿光源25.光控开关26.控制开关二27.电加热器28.温控开关29.控制开关三

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种双聚焦光能跟踪超导照明装置，包括光差跟踪单元和光线汇聚照明单元；所述光差跟踪单元由4个光敏传感器1、电压比较器2、马达电位器一3、马达电位器二4、舵机控制板7、二自由度舵机云台9及电源模块8组成；光线汇聚单元由凹面镜12、凸透镜组14及照明光纤15组成；所述4个光敏传感器1分别设置在凹面镜12竖直及水平方向的4个端点上，各个光敏传感器1分别与电压比较器2的信号输入端相连，电压比较器2的电压输出端分别与马达电位器一3、马达电位器二4的直流电动机5相连；马达电位器一3、马达电位器二4的电阻调节端与舵机控制板7的信号输入端连接，舵机控制板7的控制端与二自由度舵机云台9的水平舵机91和垂直舵机92相连接；电压比较器2、舵机控制板7另外连接电源模块8；凹面镜12设置在二自由度舵机云台9上；凸透镜组14由多个凸透镜141组成半球面形(如图3a所示)，凹面镜12与凸透镜组14相对设置，且凹面镜12与组成凸透镜组14的各凸透镜141的焦点重合；凸透镜组14的平行光出射方向设有多根照明光纤15。

所述凹面镜12通过凹面镜支架11与二自由度舵机云台9连接；凸透镜组14的各个凸透镜141设于铝质半球面体17上，铝质半球面体17与凹面镜支架11通过周向的多个辐条13相连；铝质半球面体17上设有多个透光孔，凸透镜141及对应的照明光纤15分别固定在透光孔的两端，两者之间为光室。

所述铝质半球面体17为铸铝件，凸透镜141及照明光纤15通过铝质安装件18固定在铝质半球面体17上各透光孔的两端；如图3b所示，铝质安装件18整体为圆管状，中部嵌装在透光孔中，两端突出于透光孔之外，铝质安装件18上对应凸透镜安装一端设安装槽，凸透镜141嵌装在安装槽中；铝质安装件18上对应照明光纤安装一端设弹性卡爪，照明光纤15的固定端通过周向的多个弹性卡爪固定。

所述凹面镜12的内侧、凹面镜12焦点的后方设有集热体19，集热体19通过移动驱动装置20与凹面镜支架11连接，在移动驱动装置20的带动下集热体19能够移动到凹面镜12的焦点处；集热体19另外连接水管。

所述凹面镜12与凸透镜组14之间设有防尘透光罩，防尘透光罩通过幅条13支撑固定。

所述照明光纤15的延伸端设有反射罩16。

还包括辅助照明及加热装置；如图4所示，所述辅助照明及加热装置包括光电池21、蓄电池22、补偿光源24和电加热器27；所述光电池21的电源回路上并联有蓄电池22、补偿光源24及电加热器27，其中蓄电池22的并联支路上设有控制开关一23，补偿光源24的并联支路上设控制开关二26及光控开关25，电加热器27的并联支路上设控制开关三29及温控开关28。

一种基于所述装置的光能跟踪照明方法，包括：

如图2所示，光差跟踪单元：4个光敏电阻传感器1将采样值以电压的形式输出到电压比较器2中，电压比较器2对凹面镜12水平方向两端点光敏电阻传感器1输出的电压值进行差值比较，同时对凹面镜12竖直方向两端点光敏电阻传感器1输出的电压值也进行差值比较，通过电压差值的大小判断马达电位器一3、马达电位器二4中对应的直流电动机5是否转动，电压差值的正负决定直流电动机5的转动方向；直流电动机5转动后对应马达电位器3、4中可调电阻6的电阻值发生变化，舵机控制板7通过对应舵机91、92控制二自由度舵机云台9水平转动或俯仰动作；当进行值差比较的2个光敏电阻传感器1感应的光照强度一样时，电压差值为零，电压比较器2没有电压输出，对应马达电位器3/4的直流电动机5停止转动，可调电阻6的电阻值没有变化，舵机控制板7没有控制信号输出，对应的舵机91/92停止转动，二自由度舵机云台9在对应方向不动作；光差跟踪单元的作用就是保证凹面镜12的焦点始终正对光源；

如图3所示，光线汇聚照明单元：凹面镜12的焦点与凸透镜组14上各凸透镜141的焦点重合，且凸透镜组14上位于中心位置的凸透镜141的主轴与凹面镜12的主轴共线；通过光差跟踪单元的对焦作用，凹面镜12把大面积的平行光线汇聚到与凸透镜组14共同的焦点上(图3中的f点)，汇聚到焦点的的光线经凸透镜组14折射后形成高密度、超亮度的平行光注入每根照明光纤15中，照明光纤15汇聚在一起在尾端形成照明光源，通过反射罩16实现漫反射，增加照明效果；照明光纤15可将光线导入到所需的位置，实现太阳光的柔性传播。

通过移动驱动装置20将集热体19移动到凹面镜12与凸透镜组14共同的焦点上，集热体19将水管中的水加热后输出。

所述辅助照明及加热装置用于外部光线不足时进行补充照明及加热；具体作用如下：

辅助照明功能，系统用于照明且外部光线不足时，光控开关25自动闭合，补偿光源24向照明光纤15发出平行光，用以光线补偿；控制开关二26为自动开关，用于检修和保护，辅助照明功能不启用时断开；

辅助加热功能，系统用于加热且外部光线不足时，温控开关28自动闭合，由电加热器27对集热体19中的水进行补偿加热；控制开关三29为自动开关，用于检修和保护，辅助加热功能不启用时断开；

补偿光源24及电加热器27均由蓄电池22供电，蓄电池22通过光电池21充电，光电池21固定在凹面镜支架11上，与凹面镜12一起进行光线跟踪运动；控制开关一23为自动开关，用于检修和保护，正常工作时为闭合状态。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，4个光敏传感器1分别是g1、g2、g3、g4，其中g1、g2分别对称安装在凹面镜12的上下两端，g3、g4分别对称安装在凹面镜12的水平两端；光敏传感器1采用bd3526型；马达电位器一3及马达电位器二4采用a10kx6型；电压比较器2采用lm339模块；舵机控制板7的型号为dhmcu-3；电源模块8采用5v10000mah充电宝；二自由度舵机云台9采用采用lobot-2x型。

马达电位器一3及马达电位器二4分别用于控制二自由度舵机云台9中的水平舵机91及垂直舵机92的转动角度，在2个舵机91、92的作用下，二自由度舵机云台9带动凹面镜12实现水平转动及仰俯动作；进而在由光敏传感器1、电压比较器2的作用下，凹面镜12可随太阳光光源移动并始终朝向光照强度最强的方向，从而实现自动光差跟踪。

以水平方向调整为例，电压比较器2对凹面镜12水平两侧的光敏电阻传感器g3、g4的输出电压进行差值比较和逻辑判断输出，电压差值的大小决定马达电位器一3对应的直流电动机5是否转动，电压差值的正负决定马达电位器一3的直流电动机5的转向；即哪个光敏电阻传感器感应的光照强就向对应方向转动，马达电位器一、二3、4的直流电动机5均具有顺时针、逆时针2个方向防过极限脱扣保护功能。当g3、g4这2个光敏电阻传感器感应的光照强度一样时，输出的电压差值为零，电压比较器2没有电压输出，马达电位器一3的直流电动机5停止转动，可调电阻6的阻值不变，由马达电位器一3输出信号作为输入的舵机控制板7没有方波输出，水平舵机91停止转动，二自由度舵机云台9在水平方向不再转动。

竖直方向调整与水平方向调整原理相同，在此不加赘述。

光差跟踪的目的在于让凹面镜12与太阳光源做镜像同步运动，在此过程中凹面镜12像向日葵一样始终追随着太阳，同时凹面镜12的主轴线与太阳光线保持相对静止的平行状态，实现精准对焦。另外，也可通过直接调整马达电位器一、二3、4上的电位计旋钮改变可调电阻6的阻值，人工进行角度调整。

所述凸透镜组14是由多个凸透镜141镶嵌在一个铝质半球面体17上组成，凸透镜141的数量、尺寸由凹面镜12的尺寸、照明光纤15的根数、照明亮度等要求决定，所有凸透镜141的焦距相同，且安装后焦点位于同一点上；在本实施例中，该焦点位于铝质半球面体17的球心，各凸透镜141的焦距均等于铝质球面体17的半径。

铝质半球面体17上固定凸透镜141的地方均设有透光孔，使铝质半球面体141呈网格结构；为了方便加工，通过铝质安装件18来固定凸透镜141及插接照明光纤15，照明光纤15接收由凸透镜141折射出的平行光线，照明光纤15与凸透镜141之间留有一段距离，作为光室，光室的内表面为反光面，用于收集杂散光线，增加储光量。本实施例中，照明光纤15采用日本三菱公司生产的黑皮多芯超导照明光纤。

防尘透光罩用于防尘、防水及防爆；本实施例中，防尘透光罩采用透明超薄塑料制成，实际应用时根据防尘面的大小防尘透光罩也可采用其它材质的薄膜或玻璃制成，防尘透光罩需要具有耐高温、高透光性，使光线穿过时不会发生折射，没有光损耗。

加热功能由集热体19实现，当集热体19移动到凹面镜12与凸透镜组14的共同焦点处时，光线照射在集热体19上，集热体19由铝片及铜管组成，铝片表面涂有吸收涂层作为集热片，铝片底部设铜管，铜管连接水管过水，移动到焦点的焦热体19通过铝片吸收热量，加热铜管中的水，热水通过水管流出。

移动驱动装置20可采用手动驱动方式，也可采用电动驱动方式，两者均采用螺旋移动机构。

补偿光源24可安装在凹面镜支架11上，发出的平行光可通过几根专用的照明光纤直接接收，不经过凹面镜12和凸透镜组14。

本发明所述技术方案是在多次改进的基础上实现的，基于同一设计原理的作品曾多次在市及学校的科技活动中获奖，如鞍山市第十二届优秀自制教(玩)具评选学生作品一等奖，鞍山市第一中学第五届科技节“展技术素养，做科技达人”活动一等奖。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。