一种基于太阳能汇聚发电的采光装置

1.本发明涉及采光装置技术领域，具体是一种基于太阳能汇聚发电的采光装置。


背景技术：

2.太阳光导入照明系统将太阳光能光纤导入系统安装在室外房顶、阳台、地面、墙壁等能一年四季均照得到太阳光的地方，通过光缆接入室内，这样每天从太阳升起到落下，室内都有阳光的直射。阳光采集装置是阳光导入照明系统的核心部分，其采光效率直接影响导入式阳光照明系统照明效果和总体成本，而为了有效保障采光装置的采光效率，需要驱动采光装置跟随太阳偏转。现有技术中采光装置大多都采用外部电源，或选择采用光伏板发电的方式用于采光装置，但是在太阳光被汇聚之后往往会产生较高的温度，光伏板在高温环境下对光能转化效率低甚至会失效，而且光伏板发电会损失部分光能，产生副作用。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于太阳能汇聚发电的采光装置，有效地利用太阳光中的红外热效应，进而为采光装置的追光过程供电。
4.为实现上述目的，本发明提供一种基于太阳能汇聚发电的采光装置，包括反射组件、支撑组件与光纤，所述反射组件设在所述支撑组件上，且所述支撑组件上设有驱动机构，用于驱动所述反射组件在所述支撑组件上作旋转运动和/或俯仰运动；
5.所述反射组件包括一级反射单元、二级反射单元与聚光单元，所述一级反射单元上具有大口径抛物面型的第一反射面，所述二级反射单元上具有小口径的第二反射面；
6.所述第二反射面位于所述第一反射面的焦点附近且正对所述第一反射面，所述一级反射单元上正对所述第二反射面的位置设有通孔，所述聚光单元位于所述第二反射面与所述通孔之间，且所述光纤的一端穿过所述通孔后位于所述聚光单元的焦点处；
7.所述二级反射单元上迎向太阳光的一端设有热电片，且所述热电片迎向太阳光的一侧设有散热机构，所述热电片与所述驱动机构电连接。
8.优选地，所述支撑组件包括脚架、立轴与横轴，所述驱动机构包括电缸与电机；
9.所述立轴的底端转动连接在所述脚架上，所述电机设在所述脚架上且与所述立轴传动相连，所述立轴的顶端穿过所述通孔后位于所述第一反射面的前方；
10.所述横轴固定设在所述立轴上且与所述立轴垂直，所述一级反射单元转动连接在所述横轴上，所述电缸的一端与所述立轴铰接，另一端与所述一级反射单元铰接，且所述电缸的伸缩方向与所述横轴垂直。
11.优选地，还包括连接组件，所述二级反射单元、所述聚光单元均通过所述连接组件与所述一级反射单元固定相连。
12.优选地，所述连接组件包括固定环与连接杆；
13.所述固定环的一端通过第一支杆与所述一级反射单元固定相连，另一端通过第二支杆与所述立轴的顶端铰接，所述聚光单元固定设在所述固定环上；
14.所述连接杆的数量为多个，多个连接杆的一端沿环形间隔连接在所述固定环上，另一端向远离所述一级反射单元的方向延伸并与所述二级反射单元固定相连。
15.优选地，还包括控制组件，所述控制组件与所述驱动机构电连接，以用于控制所述驱动机构运行，使得所述第一反射面保持正对太阳光。
16.优选地，所述控制组件包括控制器与四个光敏机构；
17.四个所述光敏机构呈十字对称结构分布在所述第一反射面的边缘位置，所述光敏机构包括四个挡板与光敏电阻模块，所述挡板紧贴所述光敏电阻模块靠近所述第一反射面中心的一侧安装；
18.每一所述光敏电阻模块均与所述控制器电连接，所述控制器与所述驱动机构电连接。
19.优选地，所述控制组件的控制过程为：
20.追光启动判断：采集四个光敏电阻模块输出的模拟信号，基于四个模拟信号判断当前对日误差是否达到追光阈值，若是则进行追光操作，否则停止追光并经过第一预设时段后再次进行追光启动判断；
21.追光操作：将四个模拟信号中相对位置的光敏电阻模块输出的模拟信号两两作差，判断是否有差值大于误差阈值，若是则控制电缸和/或电机运行，直至所有差值均小于或等于误差阈值，并在经过第二预设时段后追光操作，否则直接进行追光操作，其中，在每一次追光操作之间进行一次追光启动判断。
22.本发明提供的一种基于太阳能汇聚发电的采光装置，其先通过第一反射面将太阳光汇聚在第二发射面，再经过第二反射面与聚光单元的反射汇聚后用于太阳光导入照明系统，这一过程中二级反射单元由于太阳光的汇聚会产生较高的热能，在此高温环境中，若是采用光伏板发电，由于过高的温度，会影响光伏板的效率，甚至使其失效；而本技术中通过设置热电片与散热机构，热电片可以将此高温中蕴含的能量转换为电能，同时也一定程度降低温度，有效地利用太阳光中的红外热效应，为采光装置的追光过程供电。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例中采光装置的第一轴测图；
25.图2为本发明实施例中采光装置的第二轴测图；
26.图3为本发明实施例中一级反射单元的反射光路示意图；
27.图4为本发明实施例中二级反射单元的反射光路示意图；
28.图5为本发明实施例中聚光单元的汇聚光路示意图；
29.图6为本发明实施例中光敏机构在一级反射单元上的分布示意图；
30.图7为本发明实施例中光敏机构在一级反射单元上的剖视图。
31.附图标号：一级反射单元1、第一反射面101、通孔102、连接环103、连接板104、第一连接架105、二级反射单元2、第二反射面201、聚光单元3、脚架401、立轴402、横轴403、电缸
404、电机405、第二连接架406、伸缩轴407、第三连接架408、固定环501、连接杆502、第一支杆503、第二支杆504、防护罩6、挡板701、光敏电阻模块702、热电片8、散热板801、散热风扇802、光纤9。
32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
35.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
38.如图1-7所示为本实施例公开的一种基于太阳能汇聚发电的采光装置，其主要包括反射组件、支撑组件与光纤9，其中，反射组件设在支撑组件上，且支撑组件上设有驱动机构，用于驱动反射组件在支撑组件上作旋转运动和/或俯仰运动，进而完成对太阳光的追踪。
39.本实施例中，反射组件包括一级反射单元1、二级反射单元2与聚光单元3。一级反射单元1为大口径抛物面型的金属板，且一级反射单元1的凹面具有镀铝聚酯膜，作为第一反射面101，以使得一级反射单元1能够尽可能收集更大面积的太阳光。二级反射单元2为一小口径的凹面反射镜，其凹面为第二反射面201，第二反射面201位于第一反射面101的焦点附近且正对第一反射面101，以用于反射经由一级反射单元1反射后的太阳光。一级反射单元1上正对第二反射面201的位置设有通孔102，聚光单元3为位于第二反射面201与通孔102之间的菲涅尔透镜，且光纤9的一端穿过通孔102后位于聚光单元3的焦点处。
40.本实施例中太阳光的光路为：太阳光照射到一级反射单元1后，经由第一反射面101的反射后射向第二反射面201，即图3所示；再经由第二反射面201的反射后以平行光的形式射向菲涅尔透镜，即图4所示；最后菲涅尔透镜将平行的太阳光汇聚并射入光纤9，即图
5所示。
41.本实施例中，支撑组件包括脚架401、立轴402、横轴403，驱动机构包括电缸404与电机405。立轴402的底端通过轴承或联轴器转动支撑连接在脚架401上，且与电机405传动相连，立轴402的顶端穿过通孔102后位于第一反射面101的前方。横轴403固定焊接在立轴402上且与立轴402垂直，一级反射单元1转动连接在横轴403上，电缸404的一端与立轴402铰接，另一端与一级反射单元1铰接，且电缸404的伸缩方向与横轴403垂直。具体地，一级反射单元1的凸面上焊接有与第一反射面101同轴的连接环103，该连接环103的左右两侧设置有与横轴403相连对应的连接板104，横轴403的两端转动连接在对应的连接板104上；同时连接环103的上侧或下侧设置有第一连接架105，立轴402上位于横轴403下方的位置设有第二连接架406，电缸404的一端通过第一连接架105与连接环103铰接，另一端通过第二连接架406与立轴402铰接。当电缸404伸缩时，连接环103带动一级反射单元1绕横轴403转动，即实现了一级反射单元1在支撑组件上的俯仰自由度；当点击启动时，立轴402带动横轴403与一级反射单元1绕立轴402转动，即实现了一级反射单元1在支撑组件上的旋转自由度。
42.本实施例中，二级反射单元2上迎向太阳光的一端设有热电片8，且热电片8迎向太阳光的一侧上设有散热机构，具体地，散热机构包括散热板801与散热风扇802，其中，散热板801的平面端与热电片8迎向太阳光的一侧相连，散热风扇802的抽风端与散热板801的散热端相连，其中，热电片8的数量为多个，本实施例中具体为八个，呈方形整列排布。二级发射单元2传热给热电片8，导致热电片8两侧出现温差，散热板801与散热风扇802的存在，使得外侧的热电片8的温度不至于过高，维持了热电片8两侧的温差，进而产生电流。热电片8与蓄电池电连接，且蓄电池分别与电缸404、电机405、散热风扇802电连接，用于提供追光过程与散热风扇802运行所需的电能，使得整套采光装置并不需要外接电源，在合理利用自然资源的同时，也真正做到了节能减排。
43.本实施例中采光装置的工作过程为：首先通过第一反射面101将太阳光汇聚在第二发射面201，再经过第二反射面201与聚光单元3的反射汇聚后用于太阳光导入照明系统，这一过程中二级反射单元2由于太阳光的汇聚会产生较高的热能，在此高温环境中，若是采用光伏板发电，由于过高的温度，会影响光伏板的效率，甚至使其失效；而本技术中通过设置热电片8与散热机构，热电片8可以将此高温中蕴含的能量转换为电能，同时也一定程度降低温度，有效地利用太阳光中的红外热效应，为采光装置的追光过程供电。
44.本实施例中，采光装置还包括连接组件，二级反射单元2、聚光单元3均通过连接组件与一级反射单元1固定相连。具体地，连接组件包括固定环501与连接杆502，固定环501的一端通过第一支杆503与一级反射单元1固定相连，另一端通过第二支杆504与立轴402的顶端铰接，聚光单元3固定设在固定环501上。连接杆502的数量为多个，多个连接杆502的一端沿环形间隔连接在固定环501上，另一端向远离一级反射单元1的方向延伸并与二级反射单元2固定相连。具体地，立轴402顶端同轴滑动连接有伸缩轴407，该伸缩轴407的顶端设有第三连接架408，第二支杆504的端部与第三连接架408铰接，通过设置结构设计，使得一级反射单元1同时与立轴402、横轴403相连，保障整个装置的安装稳定性与承载均匀性。
45.作为优选地实施方式，固定环501上还设有红外滤光单元，且有红外滤光单元位于二级反射单元2与聚光单元3之间，以滤除太阳光中的红外线，减少热效应对光纤的影响。
46.需要注意的是，在采光装置的实际应用过程中，针对不同规格的产品，可设计不同
的光学器件参数，使用zemax原件可较为容易得出一级反射单元1、二级反射单元2、聚光单元3、光纤9接口等元件的相对安装位置。
47.需要注意的是，本实施例中的采光装置不仅仅局限于上述实施结构，一级反射单元1、二级反射单元2与聚光单元3也不局限与采用铝膜金属板(抛物面型)、凹面反射镜与菲涅尔透镜，也可以使用具有相同功能的其他光学器件替代。
48.进一步优选地，采光装置还包括控制组件，控制组件分别与电缸404、电机405电连接，以用于控制电缸404、电机405运行，使得第一反射面101保持正对太阳光。具体地，控制组件包括控制器与四个光敏机构，四个光敏机构呈十字对称结构分布在第一反射面101的边缘位置，光敏机构包括挡板701与光敏电阻模块702，挡板701紧贴光敏电阻模块702靠近第一反射面101中心的一侧安装，且挡板701正对第一反射面101的中心，且与第一反射面101的轴线垂直，即图7所示。每一光敏电阻模块702均与控制器电连接，控制器分别与电缸404、电机405电连接，其中，控制器采用arduino主板。
49.当采光装置未正对太阳光时，挡板会产生阴影，光敏电阻模块接收到光照强度不同，使得光敏电阻模块输出模拟信号大小不同，arduino主板处理后控制电机405和/或电缸404运行，当采光装置正对阳光时，四个光敏电阻模块接收到光照强度相同，电机405和/或电缸404停止转动。同时，由于太阳相对地球运动角速度较慢，因此本实施例将追光过程设计为间歇启动，可有效减少耗电。热电片8产生多余电能储存在蓄电池可供他处使用，例如用于阴雨天气的补充照明。同时还可以在arduino主板上添加物联网模块可实现远程对追光系统的间歇启动时间调整，也可远程手动调整采光装置角度，从而改变导入式阳光照明系统的照明亮度。基于此，本实施例中控制组件的控制过程为：
50.追光启动判断：采集四个光敏电阻模块输出的模拟信号，基于四个模拟信号判断当前对日误差是否达到追光阈值，若是则进行追光操作，否则停止追光并经过第一预设时段后再次进行追光启动判断，其中，追光启动判断过程中，四组模拟信号中任意两组信号差值达到阈值即认为当前对日误差达到追光阈值；
51.追光操作：将四个模拟信号中相对位置的光敏电阻模块输出的模拟信号两两作差，判断是否有差值大于误差阈值，若是则控制电缸和/或电机运行，直至所有差值均小于或等于误差阈值，并在经过第二预设时段后追光操作，否则直接进行追光操作，其中，在每一次追光操作之间进行一次追光启动判断；相对位置的光敏电阻模块指的是挡板相互平行的两个光敏机构中的光敏电阻模块。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。