專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖節(jié)能采光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及利用光纖對(duì)太陽(yáng)光光線(xiàn)的傳導(dǎo)性能來(lái)設(shè)計(jì)的采光與照明裝置。
背景技術(shù)：
由于建筑設(shè)計(jì)中所存在的一些問(wèn)題與矛盾，現(xiàn)在，許多的建筑物內(nèi)部都需要在白天開(kāi)燈來(lái)獲得合理的照度。相當(dāng)大量的建筑，如大面積的辦公樓宇、中小學(xué)的教學(xué)樓、一些急需改造的開(kāi)間小進(jìn)深大的老房子、黑房間、地下室等等，都需要在白天的時(shí)候用人工光照來(lái)解決采光的問(wèn)題。另外，一些特殊的場(chǎng)合，如水下作業(yè)、危險(xiǎn)品生產(chǎn)區(qū)域、礦井下作業(yè)等，用電照明顯然容易造成危險(xiǎn)，而在對(duì)文物或是一些藝術(shù)品進(jìn)行照明的時(shí)候，直接的人工光照也會(huì)對(duì)這些貴重物品造成損害。這時(shí)候，采用光纖照明就更為合適。
無(wú)論在國(guó)內(nèi)或是國(guó)外，采用光纖來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)光光線(xiàn)采集和傳輸?shù)难芯吭缫呀?jīng)開(kāi)始了，但是結(jié)果多數(shù)都不是非常理想。由于光線(xiàn)是嚴(yán)格按照光學(xué)路線(xiàn)來(lái)傳播的，日光方向在一年四季中的每一天里的每一個(gè)時(shí)刻都在不停的變換，而入射到光纖頭的光線(xiàn)也必須滿(mǎn)足光纖材料所能夠允許的入射角。因此，對(duì)太陽(yáng)光入射的方向不加以深入研究是根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的直接傳導(dǎo)的。
在我國(guó)現(xiàn)有的專(zhuān)利中，有一項(xiàng)涉及這個(gè)領(lǐng)域的題為“太陽(yáng)能光纖照明裝置”的專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)枮?7247820)，該專(zhuān)利公開(kāi)的技術(shù)方案如圖1所示該裝置由聚光曲面1將自然光反射至光導(dǎo)纖維3中，再傳至暗箱4內(nèi)作為光源，凸透鏡9將光線(xiàn)會(huì)聚至光導(dǎo)纖維5中，通過(guò)光導(dǎo)纖維5而傳至任何需照明處發(fā)光照明，而夜晚利用電燈泡作為暗箱4內(nèi)的發(fā)光源。
這個(gè)專(zhuān)利有四個(gè)非常大的漏洞1.陽(yáng)光的方向不停的變化，單采用一個(gè)聚光曲面，靠反射的方式來(lái)讓光線(xiàn)反射到光纖頭是不可能的。因?yàn)槠叫腥肷涔夥较虿煌济骁R并不能將反射光都匯聚到焦點(diǎn)上，而是會(huì)根據(jù)日光方向發(fā)生匯聚方向的變化，該變化的范圍很大，不能保證完全匯聚到光纖頭；2.聚光曲面1是“安裝在樓頂或戶(hù)外陽(yáng)光能直接照射的地方，內(nèi)表面是由許多小平面鏡鋪成...”。這種做法對(duì)于集中太陽(yáng)能的熱量是可行的，可是由于光線(xiàn)對(duì)反射面的精度要求非常苛刻，用小平面鏡來(lái)達(dá)到對(duì)光線(xiàn)的高度聚合光難以實(shí)現(xiàn)；3.“小平面鏡上鋪上一層塑料膜，以防強(qiáng)光燒壞光纖頭”。這種做法則完全是一種認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤。反射面應(yīng)該保持很好的反光性能，這樣才可以將入射的光線(xiàn)盡可能的射入光纖，而不在入射端就產(chǎn)生很大的光損耗。而采用“一層塑料”，除了降低反射性能之外，完全不能防止“強(qiáng)光燒壞光纖頭”。
4.中間部分采用黑箱，將光線(xiàn)“傳至暗箱4內(nèi)作為光源，凸透鏡9將光線(xiàn)會(huì)聚至光導(dǎo)纖維5中”這更是一種完全沒(méi)有進(jìn)行研究的說(shuō)法。雖然在說(shuō)明書(shū)中陳述了“暗箱4內(nèi)表面上鍍上水銀以減少光的損耗，發(fā)光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)凸透鏡9會(huì)聚至光纖頭5a端，再通過(guò)光導(dǎo)纖維5傳至光纖頭5b端發(fā)光照明”。但其實(shí)，在光纖將光線(xiàn)傳導(dǎo)到暗箱中的時(shí)候，由于暗箱中間的空間必須容納其中的燈泡，而從光纖端出射的光線(xiàn)也絕對(duì)不是平行光，因此，光線(xiàn)在這樣大的空間中的多次反射并不能保證通過(guò)透鏡以后能夠射入到另外一段的光纖頭中，而且即使達(dá)到了那個(gè)光纖頭上的光線(xiàn)，也有可能因?yàn)槌^(guò)了光纖端要求的入射角(該數(shù)值根據(jù)不同的光纖材料而有所不同)而無(wú)法入射到下面的光纖中間。這里幾乎可以損耗掉入射的全部的光能。
相比起上面這個(gè)缺乏考慮的專(zhuān)利，由國(guó)外一些物理研究所進(jìn)行的試驗(yàn)算是比較完善一些。它們采用的采集和傳播日光的方式，如圖2所示。整個(gè)裝置由追隨太陽(yáng)光方向的接收器21、光纖23與反光部分24組成。陽(yáng)光通過(guò)追隨太陽(yáng)光方向的接收器21上的透鏡或菲涅爾透鏡22，將光線(xiàn)聚集到光纖或光纖束23的一端23a。然后再由光纖23傳導(dǎo)到它的另外一端23b上，通過(guò)反光罩24將光線(xiàn)傳導(dǎo)到需要照明的地方。在這些研究中，為了得到最多數(shù)的陽(yáng)光入射，接收器21要根據(jù)各方向的光強(qiáng)比較而隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。利用透鏡22的聚光原理，將光線(xiàn)直接聚合到光纖頭上。這種情況下，要求接收器21就象向日葵那樣精確的跟著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
這種做法雖然在試驗(yàn)上取得了一定的成功，但是無(wú)法推廣開(kāi)來(lái)，這是因?yàn)?.精密的追隨太陽(yáng)的設(shè)備成為這個(gè)設(shè)計(jì)中最根本的解決日光入射角變化的這個(gè)問(wèn)題的手段，但是這個(gè)昂貴的東西使得整個(gè)裝置大大的提高了整套裝置的成本，而其對(duì)精度要求也非常的高，這樣才能做到足夠的靈敏。
2.這種隨著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置要求整個(gè)結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固，這樣才有可能具有耐用的性能。但是這也給裝置的安裝帶來(lái)了一個(gè)大的難題。要保證這個(gè)裝置在不同的氣候和風(fēng)力下都能夠穩(wěn)固，使得施工困難很大。
因?yàn)樯厦娓鞣N類(lèi)似裝置所存在的問(wèn)題，將太陽(yáng)光直接導(dǎo)入的想法一直無(wú)法獲得推廣與運(yùn)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種光纖節(jié)能采光裝置，在對(duì)太陽(yáng)高度角的改變進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用光路原理，使得白天方向不斷變化的日光能夠匯聚到光纖頭上，并通過(guò)光纖傳導(dǎo)到需要光照的地方；且具有成本低，使用安全，不耗費(fèi)能源的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種光纖節(jié)能采光裝置，其特征在于，包括聚光端、發(fā)光端及連接聚光端與發(fā)光端的光線(xiàn)傳導(dǎo)部件；所說(shuō)的聚光端包括安裝在一支持框架上沿同一軸線(xiàn)依次設(shè)置的菲涅爾凸透鏡、凹透鏡、三棱鏡組合體、凹面鏡，該凹透鏡與菲涅爾凸透鏡的焦平面/焦曲面重疊。
所說(shuō)的傳導(dǎo)部件可包括與聚光端相連的多股光纖、與發(fā)光端相連的單股或少數(shù)幾股光纖、及連接該兩段光纖的耦合部件；該耦合部件由狹長(zhǎng)的金屬筒及安裝在金屬筒內(nèi)的聚光凸透鏡組成，該金屬筒具有一固定多股光纖的粗端口和一固定單股和少數(shù)幾股光纖的細(xì)端口。
所說(shuō)的傳導(dǎo)部件也可采用一根多股光纖構(gòu)成。
所說(shuō)的菲涅爾凸透鏡與三棱鏡組合體可用有機(jī)玻璃壓膜加工而成，所說(shuō)的凹透鏡上可鍍有紅外膜。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)將本實(shí)用新型安裝在戶(hù)外可以接受到充足陽(yáng)光的地方，可以保證在太陽(yáng)高度角不停變化的情況下將最大量的光線(xiàn)傳導(dǎo)入光纖中，并通過(guò)光纖的傳導(dǎo)，為需要的地方進(jìn)行照明。
本實(shí)用新型解決了在日照方向不斷變化，而采光部分不動(dòng)的情況下保證日光射入固定的光纖頭的技術(shù)問(wèn)題。該裝置沒(méi)有任何的電驅(qū)動(dòng)裝置，成本低，使用極為安全。不但可以作為不耗費(fèi)能源的采光來(lái)源，也可廣泛應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)合，如博物館和水下作業(yè)環(huán)境等。


圖1為申請(qǐng)?zhí)枮椤?7247820”的專(zhuān)利“太陽(yáng)能光纖照明裝置”結(jié)構(gòu)示意圖圖2為已有的另一種光纖傳光裝置示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的光纖節(jié)能采光裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實(shí)用新型的光纖節(jié)能采光裝置的采光部件實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本實(shí)用新型的光纖節(jié)能采光裝置的傳導(dǎo)部件實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的構(gòu)成及工作原理。
本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)包括聚光端31、發(fā)光端35及連接聚光端31與發(fā)光端35的光線(xiàn)傳導(dǎo)部件。光線(xiàn)傳導(dǎo)部件由聚光端光纖32、發(fā)光端光纖34、及連接該兩段光纖的耦合部件33，如圖3所示。聚光端31與光纖32的一端32a相連，光纖32的另一端32b與耦合部件33相連接，在33的另外一端與光纖34的一端34a接連，光纖34的另一端34b與發(fā)光端35相連。太陽(yáng)光光線(xiàn)由聚光端31匯聚引入光纖32，再經(jīng)耦合部件33引入光纖34傳導(dǎo)到光纖端34b，通過(guò)發(fā)光端35將光線(xiàn)照射到需要采光的地方。
本實(shí)用新型的光線(xiàn)傳導(dǎo)部件的一種實(shí)施例是聚光端光纖32可采用多股光纖，發(fā)光端光纖34采用少數(shù)幾股或單股光纖；另一種實(shí)施例是采用一根多股光纖32取代了發(fā)光端光纖34，光纖32的兩端32a、32b直接與聚光端31、發(fā)光端35相連構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，則可省去耦合部件33。
本實(shí)用新型的聚光端的實(shí)施例結(jié)構(gòu)，如圖4所示包括光學(xué)部件與支持構(gòu)件，其中的光學(xué)部件由沿同一軸線(xiàn)依次設(shè)置的菲涅爾凸透鏡41、凹透鏡42、三棱鏡組合體43、凹面鏡45等組成，該凹透鏡與菲涅爾凸透鏡41的焦平面或焦曲面重疊，光纖46與上述各光學(xué)元件共軸，其端面與軸線(xiàn)垂直。支持構(gòu)件由用于固定凹透鏡42、三棱鏡組合體43的框架44、固定菲涅爾凸透鏡41和凹面鏡45并起整體支撐作用的外框48及其各個(gè)面上的封面板47構(gòu)成。其中的菲涅爾凸透鏡41與平行出射的三棱鏡組合43可以用有機(jī)玻璃壓膜加工而成，成本較為低廉，而凹透鏡42上鍍有紅外膜，可以將日光中的大部分紅外線(xiàn)、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)隔離出來(lái)，使得到達(dá)光纖頭的光線(xiàn)溫度較低，不損壞光纖46。
本實(shí)施例的傳導(dǎo)部件結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括與聚光端相連的多股光纖51、與發(fā)光端相連的單股光纖55、及連接該兩段光纖的耦合部件。
該耦合部件由狹長(zhǎng)的金屬筒52及安裝在金屬筒52內(nèi)的凸透鏡53組成，該金屬筒52具有一固定多股光纖51的粗端口和一固定單股光纖55的細(xì)端口。以及兩個(gè)方向的光纖51、55組成。
入射的多股光纖51將光纖射入內(nèi)表面鍍有反光膜的狹長(zhǎng)的金屬筒52中，經(jīng)過(guò)大于40mm長(zhǎng)度的發(fā)光距離后射到焦距小于20mm的厚透鏡(凸透鏡)53上。通過(guò)這個(gè)聚光強(qiáng)烈的凸透鏡再次匯聚，就可以讓絕大多數(shù)的光線(xiàn)再次匯聚到單股光纖55的光纖頭55a上，再經(jīng)單股光纖55傳導(dǎo)到需要照明的地方。
如果傳導(dǎo)部件采用的是單根多股光纖，其兩端直接與聚光端、發(fā)光端相連則可以省去耦合部件在本實(shí)施例的發(fā)光端，采用現(xiàn)有的筒燈，將其燈罩外壁開(kāi)一個(gè)可插入光纖頭發(fā)光端34b的孔，將光纖頭34b插入其中即可。這種利用現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行改造的方式，可以使得光纖頭的發(fā)光端造型、效果多樣化，并可以兼顧到發(fā)散端在白天與晚上的通用性，更好的方便使用者。
本實(shí)用新型對(duì)陽(yáng)光的匯聚原理如下平行入射的太陽(yáng)光從不同的方向入射到菲涅爾凸透鏡41上。通過(guò)菲涅爾凸透鏡的匯聚作用，日光將向該凸透鏡的焦平面或是焦曲面上匯聚。這束光線(xiàn)在匯聚中間通過(guò)一個(gè)凹透鏡42，該凹透鏡與菲涅爾凸透鏡41的焦平面或焦曲面重疊，這樣就可以使得匯聚的光線(xiàn)在通過(guò)這個(gè)凹透鏡后平行射出，其方向與入射方向相同。由于某個(gè)方向的光線(xiàn)來(lái)源在凹透鏡上將有特定的入射與出射點(diǎn)，因此，可以根據(jù)凹透鏡的不同位置出射的光的方向，設(shè)計(jì)相應(yīng)的三棱鏡組合體43，將這每個(gè)不同區(qū)域的光線(xiàn)整合為向某固定方向出射。在本實(shí)施例中，采用每個(gè)小單元不大于1mm×1mm的底面積的微小三棱鏡組合成為長(zhǎng)軸為120mm，短軸為75mm的橢圓平面。經(jīng)過(guò)這些過(guò)程的光線(xiàn)已經(jīng)集中到了非常小的范圍之內(nèi)，如果該光束范圍足夠小，就可以直接射入光纖頭46中，如果范圍還沒(méi)有小到可直接進(jìn)入光纖，還可采用一個(gè)或者多個(gè)凹面鏡45，再次匯聚的光線(xiàn)將直接到達(dá)凹面鏡的焦點(diǎn)處，射入光纖46。
權(quán)利要求1.一種光纖節(jié)能采光裝置，其特征在于，包括聚光端、發(fā)光端及連接聚光端與發(fā)光端的光線(xiàn)傳導(dǎo)部件；所說(shuō)的聚光端包括安裝在一支持框架上沿同一軸線(xiàn)依次設(shè)置的菲涅爾凸透鏡、凹透鏡、三棱鏡組合體、凹面鏡，該凹透鏡與菲涅爾凸透鏡的焦平面/焦曲面重疊。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖節(jié)能采光裝置，其特征在于，所說(shuō)的傳導(dǎo)部件包括與聚光端相連的多股光纖、與發(fā)光端相連的單股或少數(shù)幾股光纖、及連接該兩段光纖的耦合部件；該耦合部件由狹長(zhǎng)的金屬筒及安裝在金屬筒內(nèi)的聚光凸透鏡組成，該金屬筒具有一固定多股光纖的粗端口和一固定單股和少數(shù)幾股光纖的細(xì)端口。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖節(jié)能采光裝置，其特征在于，傳導(dǎo)部件采用一根多股光纖構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖節(jié)能采光裝置，其特征在于，所說(shuō)的凹透鏡上鍍有紅外膜。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,包括聚光端、發(fā)光端及連接聚光端與發(fā)光端的光線(xiàn)傳導(dǎo)部件;所說(shuō)的聚光端包括安裝在一支持框架上沿同一軸線(xiàn)依次設(shè)置的菲涅爾凸透鏡、凹透鏡、三棱鏡組合體、凹面鏡,該凹透鏡與菲涅爾凸透鏡的焦平面/焦曲面重疊。本實(shí)用新型解決了在日照方向不斷變化,而采光部分不動(dòng)的情況下保證日光射入固定的光纖頭的技術(shù)問(wèn)題。該裝置沒(méi)有任何的電驅(qū)動(dòng)裝置,成本低,使用極為安全。不但可以作為不耗費(fèi)能源的采光來(lái)源,也可廣泛應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)合,如博物館和水下作業(yè)環(huán)境等。
文檔編號(hào)F21V8/00GK2499699SQ0125906
公開(kāi)日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月14日
發(fā)明者王玨, 周旋, 朱鵬翔, 簡(jiǎn)相超 申請(qǐng)人:王玨, 周旋, 朱鵬翔, 簡(jiǎn)相超