專利名稱：基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種通過(guò)聚集太陽(yáng)光來(lái)為室內(nèi)提供合適 光線的照明設(shè)備，是一種光-光傳播轉(zhuǎn)換的真正的綠色照明系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人類環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)已把太陽(yáng)能的利用作為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng) 目，而利用自然光照明的研究則是其中的一個(gè)主要課題，在歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，已開(kāi)發(fā) 出一系列自然光照明系統(tǒng)，并在公共設(shè)施及工業(yè)與民用建筑中廣泛應(yīng)用。目前自然光照明 系統(tǒng)的技術(shù)及產(chǎn)品正在快速發(fā)展中。
自然光導(dǎo)光管(光纖)照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分三部分，一是采光部分，采光器多由透明 塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光棱；二是導(dǎo)光部分，一般是由三段導(dǎo)光管(光纖)組 合而成，導(dǎo)光管(光纖)內(nèi)壁為高反射材料，反射率可達(dá)92%—95%，導(dǎo)光管(光纖)可以旋轉(zhuǎn)彎 曲重疊來(lái)改變導(dǎo)光角度和長(zhǎng)度；三是散光部分，可避免眩光現(xiàn)象的發(fā)生。由于這種自然光導(dǎo) 光管(光纖)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便安裝，成本較低，實(shí)際照明效果很好，因此在國(guó)外發(fā)展十 分迅速，應(yīng)用也十分廣泛。典型的管式天然光導(dǎo)入系統(tǒng)由三部分技術(shù)組成，包括外部集光器、光導(dǎo)傳輸裝 置、內(nèi)部照明器，其中的關(guān)鍵技術(shù)組成部分是連接內(nèi)外的光導(dǎo)傳輸裝置，即所謂的光導(dǎo) 管。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)研究和實(shí)踐積累，可將光導(dǎo)傳輸方法和技術(shù)分為四類，即光線透鏡式 (beam/lens systems)、空腔鏡面反身寸式(hollow mirrored guides)、空腔棱鏡式(hollow prismatic light guides)、實(shí)體核心式(solid core systems) [1]。在實(shí)際應(yīng)用中，主云力 式集光結(jié)合實(shí)體核心式、空腔棱鏡式和空腔鏡面式傳輸方式形成了幾種較為成熟的綜合系 統(tǒng)，包括以光纖方式傳輸?shù)娜毡尽安晒庀蛉湛?Himawari)系統(tǒng)、美國(guó)HSL(Hybrid Solar Lighting)系統(tǒng)、德國(guó)Solux系統(tǒng)，以空腔棱鏡式傳輸?shù)臍W洲Arthelio系統(tǒng)，以空腔鏡面式 傳輸?shù)娜鹗?Heliobus系統(tǒng)，柏林和馬來(lái)西亞的定日鏡(Heliostats)系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，從八、九十年代開(kāi)始，有一些科研院所和企業(yè)從事類似的自然光導(dǎo)光管 (光纖)照明系統(tǒng)的研究。目前應(yīng)用領(lǐng)域主要在住宅等小型室內(nèi)照明，技術(shù)水平較國(guó)外還比 較落后，應(yīng)用還處在試驗(yàn)階段，中國(guó)2008奧運(yùn)會(huì)的中心區(qū)地下車庫(kù)安裝了 19套導(dǎo)光管(光 纖)系統(tǒng)，是我國(guó)利用此原理的系統(tǒng)在大型地下空間的首次嘗試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種與以往相比具有極高光通量、更低光衰的大型建筑室內(nèi) 空間自然光照明系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果，并為室內(nèi)提供近乎完美的白光以及舒適 的照明效果。本發(fā)明提出的大型室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，包括太陽(yáng)光采光器、導(dǎo)光管(光纖)式光 導(dǎo)裝置、采光器與導(dǎo)光管(光纖)的光束耦合器，室內(nèi)自然光燈具、輔助光燈具(如LED照明 燈)和光伏電系統(tǒng)；自然光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光采集器會(huì)聚后，經(jīng)過(guò)與導(dǎo)光裝置的導(dǎo)光管(光纖)耦合，進(jìn)入導(dǎo)光裝置，然后進(jìn)入室內(nèi)自然光燈具，提供室內(nèi)照明；其中
所述太陽(yáng)光會(huì)聚裝置由一次反射鏡、二次反射鏡以及跟蹤器件組成，兩個(gè)反射鏡均為 旋轉(zhuǎn)拋物面；一次反射鏡鍍有寬光譜反射膜，二次反射鏡鍍有可見(jiàn)光譜反射膜，紫外、紅外 和部分可見(jiàn)光透射，使太陽(yáng)光按波長(zhǎng)分為可見(jiàn)光、紅外和紫外光；一次反射鏡與二次反射鏡 之間由支架固定，并由導(dǎo)線連接；跟蹤器件為控制部分，設(shè)置在一可旋轉(zhuǎn)的機(jī)件底座上，由 兩臺(tái)小型電機(jī)分別從平面方向與垂直方向控制反射鏡光軸始終與太陽(yáng)光光線平行。陰天等 情況自動(dòng)停止跟蹤，使用散射光進(jìn)行會(huì)聚。所述導(dǎo)光管(光纖)式光導(dǎo)裝置由導(dǎo)光管(光纖)、濾光片以及透鏡組成，導(dǎo)光 管采用梯度折射率材料，對(duì)于空心導(dǎo)光管可以采取在內(nèi)壁鍍反射膜，導(dǎo)光管的直徑在 100mm-200mm，光線直徑在>10mm為宜，管外有保護(hù)套。濾光片安置在導(dǎo)光管(光纖)的入口 處，采用光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體材料并鍍膜，可以過(guò)濾紅外線和紫外線，避免溫度過(guò)高而造成 導(dǎo)光管(光纖)的損壞，同時(shí)反射出的少量可見(jiàn)光仍可以在二次反射面與濾光片之間多次入 射反射，達(dá)到效率最大化。透鏡組安裝在濾光片后，用于輔助光耦合進(jìn)入導(dǎo)光管，提高光傳 導(dǎo)的效率。所述室內(nèi)發(fā)散出光燈具，采用分光反射鏡，使得光線可以大面積均勻地分布到室 內(nèi)。每一套系統(tǒng)可以有多個(gè)出光燈具。所述輔助光燈具由LED器件和測(cè)光、控制電路等組成，LED器件與自然光燈具組裝 在一起。其作用是當(dāng)自然條件不理想時(shí)，可以為室內(nèi)提供合適的照度。所述光伏電系統(tǒng)包括光伏板、蓄電池、穩(wěn)壓器等。光伏板具有高功率密度(>=150W/ m2)，安裝在二次反射鏡的后方，自然光線在會(huì)聚到二次反射鏡時(shí)，380nm-780nm波長(zhǎng)光線反 射進(jìn)入導(dǎo)光管(光纖)，大部分紅外線與紫外線，及部分可見(jiàn)光透過(guò)二次反射鏡照射至光伏 板上，為蓄電池充電；同時(shí)蓄電池為光線跟蹤器件以及室內(nèi)LED輔助光燈具供電，達(dá)到電力 的完全自給自足，不依賴于市電。光伏板反面安裝有散熱設(shè)備，可以在能量過(guò)于集中時(shí)保護(hù) 光伏板不被燒壞。本發(fā)明中，所述太陽(yáng)光會(huì)聚裝置是一種大功率裝置，其中，一次反射鏡的直徑在 1000-3000mm為宜，焦距在350-1050mm為宜，二次反射鏡直徑在125-400mm為宜，焦距在 300-850mm為宜，但不限于此。本發(fā)明具有如下特點(diǎn)
1.提出了光-光轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能照明方法，不同于光-電-光的常規(guī)方法，大大提高了太 陽(yáng)光的利用效率。并且可以達(dá)到完全不使用市電的日夜照明；
2.采用太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤技術(shù)，使雙拋物面采光器的光軸始終與最強(qiáng)的直射太陽(yáng)光方向保 持一致；
3.采用二次透鏡表面采用特殊反射膜，使太陽(yáng)光種的可見(jiàn)光反射，部分可見(jiàn)光、紅外和 紫外光透射；大部分可見(jiàn)光用于照明，部分可見(jiàn)光、紅外和紫外光用于光伏發(fā)電為系統(tǒng)提供 電能；
4.采用梯度折射率材料得到高內(nèi)反射率的導(dǎo)光管或粗直徑光纖作為傳播自然光的導(dǎo) 光器件；
5.使用室內(nèi)測(cè)光電路，當(dāng)天氣情況導(dǎo)致室內(nèi)照度不夠時(shí)，大功率LED輔助燈具自動(dòng)點(diǎn) 亮，使室內(nèi)照度維持在一定數(shù)值上；6.使用自然光和動(dòng)力電燈具混合照明，通過(guò)光伏發(fā)電存儲(chǔ)的電能除少量帶動(dòng)自動(dòng)跟蹤 器外，大部分為大功率LED輔助燈具組進(jìn)行白天的輔助照明與夜間提供照明。


圖1 二次反射鏡的拓?fù)鋱D。圖2自然光導(dǎo)光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3自然光光譜圖。圖中標(biāo)號(hào)1為光伏板，蓄電池，散熱器結(jié)合部件，2為球面二次反射器，3為拋 物面一次反射器，4為導(dǎo)光管或光纖耦合接口，5為直射日光追蹤裝置，6為導(dǎo)光管或 光纖，7為(LED)輔助燈具，8為自然光燈具。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的自然光導(dǎo)光照明系統(tǒng)中，采光器應(yīng)用拋物面聚光反射器，一次反射 鏡面直徑為<h = 2000mm ,焦距
/i = ■腿，表面鍍反射膜，在波長(zhǎng)為38(T780nm光譜范圍內(nèi)，表面反射率科=95% , 二次 反射鏡直徑為=250臓,焦距/2 = 600 ,表面鍍反射膜，在波長(zhǎng)為380 780歷光譜范圍 內(nèi)，表面反射率ft = 95% ,光線與導(dǎo)光管(光纖)耦合處的通孔直徑為咚=20&.腦,導(dǎo)光材 料使用高梯度折射率的高透過(guò)率的粗芯光纖組，單根有效通光口徑為A1,包括包
層的實(shí)際口徑為β= 20 ，單根導(dǎo)光光纖的光衰為^ =本實(shí)驗(yàn)使用的單根導(dǎo)光
光纖長(zhǎng)度為6 (長(zhǎng)度可以根據(jù)具體照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同而不同)，每根光纖輸出端都有單 獨(dú)配光，配光效率為^ = 98% ,光伏板面積與二次反射鏡相同，能量密度為σ = 2.60 ΤZiK2
，輔助光燈具采用15妒的IffD燈具組，外部光線按照晴天平均地面照度丑= IO5Ix ,平均 日照時(shí)間為8小時(shí)。有效采光面積為
權(quán)利要求
1.一種基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于包括太陽(yáng)光采光器、導(dǎo) 光管式導(dǎo)光裝置、采光器與導(dǎo)光管的光束耦合器，室內(nèi)自然光燈具、輔助光燈具和光伏電系 統(tǒng)；自然光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光采集器會(huì)聚后，經(jīng)過(guò)與導(dǎo)光管耦合，進(jìn)入導(dǎo)光裝置，然后進(jìn)入室內(nèi)自 然光燈具，提供室內(nèi)照明；其中所述太陽(yáng)光采集器由一次反射鏡、二次反射鏡以及跟蹤器件組成，兩個(gè)反射鏡均為旋 轉(zhuǎn)拋物面；一次反射鏡鍍有寬光譜反射膜，二次反射鏡鍍有可見(jiàn)光譜反射膜，紫外、紅外和 部分可見(jiàn)光透射，使太陽(yáng)光按波長(zhǎng)分為可見(jiàn)光、紅外和紫外光；跟蹤器件為控制部分，由兩 臺(tái)小型電機(jī)分別從平面方向與垂直方向控制反射鏡光軸始終與太陽(yáng)光光線平行；所述導(dǎo)光管式光導(dǎo)裝置由導(dǎo)光管、濾光片以及透鏡組成，導(dǎo)光管梯度折射率材料，使得 光在傳播過(guò)程中全反射傳播，減少光能量的損失，濾光片安置在導(dǎo)光管的入口處，透鏡組安 裝在濾光片后；所述室內(nèi)自然光燈具，采用導(dǎo)光面板，或者條形導(dǎo)光棒，制成的燈具使得光線能大面積 均勻地分布到室內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于太陽(yáng)光 采集器包括球面或非球面反射器，以及通過(guò)棱鏡制成的面板式的收光裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于所述輔 助光燈具由LED器件和測(cè)光、控制電路組成，LED器件與自然光燈具組裝在一起；輔助光燈 具在自然條件不理想時(shí)，通過(guò)自身硬調(diào)光為室內(nèi)提供合適的照度；根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于所述光伏 電系統(tǒng)包括光伏板、蓄電池、穩(wěn)壓器；光伏板安裝在二次反射鏡的后方，自然光線在會(huì)聚到 二次反射鏡時(shí)，380nm-780nm波長(zhǎng)光線反射進(jìn)入導(dǎo)光管，大部分紅外線與紫外線，以及部分 可見(jiàn)光透過(guò)二次反射鏡照射至光伏板上，為蓄電池充電；同時(shí)蓄電池為強(qiáng)光線自動(dòng)跟蹤器 以及室內(nèi)LED輔助光燈具供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于自然光 燈具與輔助光燈具的集成應(yīng)用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)，其特征在于所述 的一次反射鏡的直徑在1000mm--3000 mm，焦距在350mm—1050 mm，二次反射鏡直徑在 125mm—400mm，焦距為 300mm—850 mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于光傳播技術(shù)的室內(nèi)自然光照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)包括太陽(yáng)光采光器、導(dǎo)光管(光纖)式光導(dǎo)裝置、采光器與導(dǎo)光管(光纖)的光束耦合器，室內(nèi)自然光燈具、輔助光燈具(如LED照明燈)和光伏電系統(tǒng)；自然光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光采集器會(huì)聚后，經(jīng)過(guò)與導(dǎo)光裝置的導(dǎo)光管(光纖)耦合，進(jìn)入導(dǎo)光裝置，然后進(jìn)入室內(nèi)自然光燈具，提供室內(nèi)照明；同時(shí)紅外、部分可見(jiàn)光和紫外光進(jìn)入光伏電系統(tǒng)的光伏板為蓄電池充電，蓄電池可以為夜間照明和輔助光燈具照明提供電能，從而能對(duì)地下建筑、無(wú)窗建筑和大型的建筑空間，提供舒適的照明光環(huán)境。本發(fā)明是一種光-光傳播轉(zhuǎn)換的真正的綠色照明系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F21V13/00GK102072453SQ20101060379
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者宋曉博, 王巍, 王珅, 葛愛(ài)明 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)