一種采光裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采光裝置，包括：反光裝置、機械轉動裝置、電機傳動機構和控制單元四個部分。機械轉動裝置、電機傳動機構和控制單元驅動反光曲面跟蹤太陽運行軌跡，將陽光聚光后投向某指定區(qū)域，達到收集日光的目的。系統(tǒng)的特點是采用單個曲面一維跟蹤的方式實現(xiàn)移動焦點在某區(qū)域內的聚光，設備簡單、成本低廉、性價比高，可廣泛使用于建筑用光導設備的升級換代。
【專利說明】一種采光裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建筑用自然光利用設備，具體涉及一種將自然光引入建筑中的光收集裝置。本發(fā)明還涉及一種使用光收集裝置收集自然光的方法。

【背景技術】
[0002]根據(jù)建筑部2004年頒布的《建筑照明設計標準》(國標GB/T50033/34-2004)的規(guī)定，在我國的建筑設計中應該在可能的情況下:“利用各種導光和反光裝置將自然光引入室內；利用太陽能作為照明能源”。
[0003]目前的現(xiàn)有技術中存在收集光進入建筑物內部的技術。例如:中國專利201652153U公開了一種建筑用主動式自然導光裝置，配合使用了定日鏡和反射鏡，透過漫射板將陽光通過天窗引入建筑內部。這種系統(tǒng)依賴于具備二維轉動自由度的機械跟蹤系統(tǒng):定日鏡，其制作復雜成本較高。此外這種系統(tǒng)利用了二次曲面配合使用來采集光，同樣制作復雜成本較高。此類采光裝置都存在這些缺點，帶來制作和成本的問題，商業(yè)可行性不聞。
[0004]現(xiàn)有技術中，還存在光導管系統(tǒng)。光導管系統(tǒng)的工作原理是通過光導管將陽光從其一端傳遞到另外一端，從而達到照明等目的。圖6是一個典型的現(xiàn)有豎直光導管的工作原理示意圖；
[0005]但是，上述光導管系統(tǒng)的缺點是沒有聚光功能，占用空間相對較大，在遠距離傳輸光的時候，系統(tǒng)的性價比低。舉例說明，一個直徑為300mm的光導管，其受光面積為0.07平方米，因此其日光照明峰值利用率Wpe約為500瓦。其中Wpe的定義為在室外日光強度達到峰值1000W/平方米且日光的照明效率為110流明/平方米的自然條件下，該光導管相當于每瓦15流明的白熾燈的工作功率數(shù)。
[0006]具體計算過程為:
[0007]Wpe=0.07 平方米 X 1000 瓦 / 平方米 X 110/15=500 瓦
[0008]以一個典型光導系統(tǒng)的市場價格5千元為估算基礎，以每天使用10小時計、每年使用效率70%計，則系統(tǒng)每年節(jié)約的照明用電量約為1500千瓦時。按照當前電價計算，投資回報期約為4年。
[0009]因此，效率低，商業(yè)可行性不高。


【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種采光裝置設備，其采用一維自由度的轉動系統(tǒng)，和單個曲面，能夠聚集陽光并且投進指定的光收集區(qū)域，從而提高自然光利用效率，同時結構簡單，成本低廉，具有較高的商業(yè)可行性。
[0011]為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種采光裝置，包括反光曲面、機械轉動裝置、電機傳動機構、控制單元四個部分。機械轉動裝置、電機傳動機構和控制單元驅動反光曲面跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡，將自然光聚合后投向指定的光收集區(qū)域。
[0012]反光曲面內部具有反光特性。本采光裝置中可以只用一個反光曲面來采集光。在不同的實施例中，反光曲面可以是圓柱面，拋物面或符合拋物面或環(huán)面。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，本發(fā)明的反光曲面固定于機械轉動裝置上，在電機傳動裝置和控制裝置帶動下在工作面上繞軸進行旋轉。所述反光曲面關于一經過其母線的平面(稱為“對稱面”)對稱，所述工作面與所述“對稱面”垂直，所述軸為工作面的法線。所述反光曲面將自然光聚合后投向所述工作面(9)上的光收集區(qū)域。
[0014]更進一步改進，還包括一個光收集裝置，在工作面內放置一光收集裝置的入口，形成入口曲線。入口曲線的特征是其幾何中心點在上述法線上。反光曲面繞法線為軸進行旋轉，跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡；其運轉運行的特征是使上述“對稱面”始終含發(fā)光天體的理論中心點。
[0015]入口曲線的形態(tài)通常為一個對稱封閉的曲線，例如為一個圓或一個多邊形；但也可以是一不封閉的曲線。
[0016]反光曲面與工作面的交線構成一拋物線或圓弧，且在工作面內形成焦點。焦點位于所述入口曲線所圍空間的內部或邊緣上。
[0017]所述光收集區(qū)域位于所述入口曲線所圍空間的內部或邊緣上。
[0018]本發(fā)明的核心思想是，利用曲面能夠聚焦但是焦點始終指向光源的特點，使曲面跟隨光源轉動，同時保證焦點落入光收集裝置的入口處。
[0019]本發(fā)明的采光裝置可以與光導系統(tǒng)相配合使用，也可以在光導纖維系統(tǒng)中配合使用。
[0020]本發(fā)明還涉及一種利用上述單個曲面采光裝置進行采光的方法，其采用能夠聚集陽光并且投進指定的光收集區(qū)域，從而提高自然光利用效率，同時結構簡單，成本低廉，具有較高的商業(yè)可行性。
[0021]本發(fā)明涉及的采光方法是:利用機械轉動裝置、電機傳動裝置(5)和控制單元(8)帶動單個反光曲面跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡，將自然光聚合后投向指定區(qū)域。
[0022]作為對本發(fā)明采光方法的改進，控制單元和電機傳動機構驅動固定在機械轉動裝置上的發(fā)光曲面，使反光曲面在工作面上繞該工作面的法線進行旋轉。
[0023]作為對上述改進的更進一步改進，上述反光曲面關于一經過其母線的平面對稱，而該平面與上述工作面垂直，所述軸為工作面的法線。
[0024]所述反光曲面將自然光聚合后投向所述工作面上的光收集區(qū)域。
[0025]進一步的改進是，還包括使用一光收集裝置來收集聚合在光收集區(qū)域的光，該光收集裝置與工作面相交于入口曲線，形成所述光收集裝置的入口。該入口曲線的幾何中心點在上述工作面的法線上。
[0026]所述反光曲面與所述工作面的交線是拋物線或圓弧，且拋物線或圓弧的焦點位于工作面內。所述焦點位于所述入口曲線所圍空間的內部或邊緣上。所述光收集區(qū)域位于所述入口曲線所圍空間的內部或邊緣上。
[0027]本發(fā)明的采光裝置和方法可以和光導管系統(tǒng)或光導纖維系統(tǒng)結合使用。
[0028]本發(fā)明的采光裝置中，可選地，光收集裝置可以是光導管，也可以是光導纖維系統(tǒng)的組成部件。
[0029]本發(fā)明的采光裝置還可以組合使用，組成一個采光系統(tǒng)，該采光系統(tǒng)包括兩個以上本發(fā)明的的采光裝置。
[0030]本發(fā)明有益效果在于:對于任何以收集太陽直射光為目的的光導系統(tǒng)而言，使用該系統(tǒng)能夠收集更多的日光并使其進入光利用系統(tǒng)，例如光導系統(tǒng)或光導纖維系統(tǒng)，從而大幅提高其效率和性價比。系統(tǒng)僅僅利用單個曲面對太陽進行一維跟蹤，就可以完成足夠精確的陽光匯集功能，恰到好處地達到了聚光性能和成本的平衡點，性價比比較高，商業(yè)可行性較強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0032]圖1是本發(fā)明的采光裝置的結構示意圖。
[0033]圖2和圖3詳細解釋了本發(fā)明的一個實施示例；該實例說明了本發(fā)明的結構和工作原理。
[0034]圖4是俯視光路圖，揭示了陽光是如何被聚焦后反射入指定區(qū)域的。
[0035]圖5是本發(fā)明的另一個實施例示意圖；該圖說明了本發(fā)明所指的反光曲面I也可以為環(huán)面或拋物面。
[0036]圖6是一個典型的豎直光導管的工作原理示意圖；
[0037]圖7是本專利的一個應用示意圖，說明了它如何能夠與現(xiàn)有的光導技術結合將陽光傳輸?shù)浇ㄖ炔咳魏蔚胤健?br>
【具體實施方式】
[0038]圖1所示為一個本發(fā)明的采光裝置一個實例，包括:一個半柱形反光曲面1、機械轉動裝置、電機傳動機構、控制單元四個部分。其中，機械轉動裝置包括:曲面支架2、圓形支架底盤3和圓形軌道4 ;電機傳動機構包括:電機5、螺桿及連接機構6和控制與電源線7?？刂茊卧獮橐粋€微處理器單元8。
[0039]半柱形反光曲面I的材質可以是金屬薄板，一面被加工后具備反光特性。反光曲面I被豎直安裝并固定到曲面支架2上，內部為具備反光特性的一面。曲面支架2的底端與圓形支架底盤3固定連接，后者放置于圓形軌道4內。圓形支架底盤3和圓形軌道4共面、同心，并且通過軸承嵌套連接。
[0040]圖2所示為本發(fā)明的進一步改進的實例，與上述圖1說明中相同的部件以及附圖標記在此不再贅述。圖2詳細說明了半柱形反光曲面I的特征和安裝方式。半柱形反光曲面I在空間上關于一經過其母線的平面11對稱。半柱形反光曲面I在曲面支架2上的安裝方法是:使平面11與工作面9垂直，并且不失去其自身關于平面11的對稱性。
[0041]按照上述方法將系統(tǒng)裝配完畢后，在微處理器單元8的控制下，電機5通過螺桿及連接機構6帶動半柱形反光曲面1、曲面支架2和圓形支架底盤3 —起進行自轉，對太陽運行軌跡進行跟蹤，即保持太陽的理論中心始終位于平面11內。由于上述跟蹤機制的作用，一束平行的太陽光12被聚合到聚合點13上。在圖2中，圓形軌道4置于一工作平面9之上，形成一條通過其圓心的法線10。上述安裝方式使得半柱形反光曲面I能夠繞法線10作為軸進行自轉。
[0042]隨著太陽的轉動，聚焦點13的運動軌跡構成一個以法線10為中心對稱軸的圓14。因此，無論太陽的位置如何，陽光都被聚焦到圓14所在范圍內。
[0043]反光曲面I關于一經過其母線的平面11對稱。反光曲面I固定于機械轉動裝置上，在控制單元和電機傳動機構的操縱下，以一工作面9的法線10為軸進行旋轉。工作面9的特征是其與平面11正交。
[0044]圖3所示為本發(fā)明的更進一步改進的實例，與上述圖1和圖2說明中相同的部件以及附圖標記在此不再贅述。在工作面9放置一光收集區(qū)域入口，形成入口曲線16。入口曲線16的特征是其幾何中心點在法線10上。反光曲面I繞法線10為軸進行旋轉，跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡，其運轉運行的特征是使平面11始終含發(fā)光天體的理論中心點。
[0045]反光曲面I與工作面9的交線構成一拋物線或圓弧，且在工作面9內形成焦點13。焦點13位于入口曲線16所圍成空間的內部或邊緣上。
[0046]圖3表示了如何將聚焦后的陽光投入光收集裝置15。圖3中，光收集裝置被置于工作面9以下，其圓形開口曲線16位于工作面9內。圓形開口曲線16與圓14是同心圓，且優(yōu)選的，前者的半徑大于后者的半徑，即圓14落入圓形開口曲線16內。因此本圖說明了，本發(fā)明所述的采光裝置可以跟蹤太陽軌跡，將陽光聚合并投入光收集裝置15中。
[0047]優(yōu)選地，圖3中光收集裝置I為一光導管。
[0048]圖4是本發(fā)明的采光裝置的俯視光路圖，揭示了陽光是如何被聚焦后反射入指定區(qū)域的。圖4中反光曲面I在控制系統(tǒng)驅動下已經旋轉到目標位置。如圖所示，此時太陽的理論物理中心點已經位于平面11內，而反光曲面I以平面11對稱，所以反光面面向太陽光的入射方向17。以光束12為例,它經過反光曲面I的反射,聚焦于焦點13處。圓形開口曲線16是一圓柱形光收集裝置的開口處。焦點13在開口曲線16范圍內，因此以光束12為代表的無數(shù)多束平行光在此刻匯聚于光收集裝置的開口內部，從而達到了聚光收集陽光的目的。
[0049]圖5是本發(fā)明的另一個實施例示意圖；該圖說明了本發(fā)明所指的反光曲面I也可以為環(huán)面或拋物面。
[0050]在圖5中，反光曲面I的形態(tài)是一個拋物面，其中光束12經過拋物面的反射，聚焦于于焦點13處，并落入光收集裝置的入口范圍曲線16內。
[0051]圖6是一個現(xiàn)有的典型的豎直光導管的工作原理示意圖，其通過光導管將陽光從其一端傳遞到另外一端，從而達到照明等目的。
[0052]圖7是本專利的一個應用示意圖，說明了它如何能夠與現(xiàn)有的光導技術結合將陽光傳輸?shù)浇ㄖ炔咳魏蔚胤健?br> [0053]如圖7所示，兩個直徑均為300毫米的相同光導管18和19安裝在同一建筑的同一屋頂。在光導管19上應用了本專利的一個實例20。光導管18和19的應用目的都是用來照明無窗的區(qū)域21。經測算發(fā)現(xiàn)，在一個6月中旬的某一個晴天的上午10時許，通過光導管18進入無窗區(qū)域21的光通量為5390流明，而通過光導管19進入無窗區(qū)域21的光通量則高達9379流明。因此得出結論，由于實例20的作用，光導管19的陽光利用率比18高74%。在此項實驗中，光收集裝置20所采用的反光曲面的面積小于0.3平方米，而系統(tǒng)的耗電功率小于5瓦。結論為，采用了本專利所述光收集裝置20后，光導系統(tǒng)19的投資回報期從原來的4年縮短到2年10個月，減少了約29%。
[0054]本發(fā)明能夠提高光導系統(tǒng)的太陽能利用效率50%以上，使系統(tǒng)投資回報期縮短至少25%，達到短于3年的水平。
[0055]本發(fā)明并不限于上文討論的實施方式。以上對【具體實施方式】的描述旨在于為了描述和說明本發(fā)明涉及的技術方案?；诒景l(fā)明啟示的顯而易見的變換或替代也應當被認為落入本發(fā)明的保護范圍。以上的【具體實施方式】用來揭示本發(fā)明的最佳實施方法，以使得本領域的普通技術人員能夠應用本發(fā)明的多種實施方式以及多種替代方式來達到本發(fā)明的目的。
【權利要求】
1.一種采光裝置，包括: 反光裝置、機械轉動裝置、電機傳動機構(5)、和控制單元(8)，機械轉動裝置、電機傳動機構(5)和控制單元(8)帶動反光裝置跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡，將自然光聚合后投向指定區(qū)域，其特征在于，所述反光裝置為單個反光曲面(I )。
2.如權利要求1所述的采光裝置，其特征在于，所述反光曲面(I)是圓柱面，或拋物面，或復合拋物面或環(huán)面。
3.如權利要求1所述的采光裝置，其特征在于，還包括一個工作面(9)，所述反光曲面(O固定于所述機械轉動裝置上，受所述控制單元(8)控制，在所述工作面(9)上繞軸進行旋轉。
4.如權利要求1或3所述的采光裝置，其特征在于，所述反光曲面(I)關于一經過其母線的平面(11)對稱，所述工作面(9)與所述平面(11)垂直，所述軸為工作面(9)的法線(10)。
5.如權利要求4所述的采光裝置，其特征在于，所述反光曲面(I)與所述工作面(9)的交線是拋物線或圓弧，且拋物線或圓弧的焦點(13)位于工作面(9)內。
6.如權利要求3所述的采光裝置，其特征在于，所述反光曲面(I)將自然光聚合后投向所述工作面(9)上的光收集區(qū)域(14)。
7.如權利要求1-6之一所述的采光裝置，其特征在于，還包括光收集裝置，其與工作面(9)相交于入口曲線(16)，入口曲線(16)形成所述光收集裝置的入口。所述入口曲線(16)的幾何中心點在法線(10)上。
8.如權利要求7所述的采光裝置，其特征在于，所述焦點(13)位于所述入口曲線(16)所圍空間的內部或邊緣上。
9.如權利要求7所述的采光裝置，其特征在于，所述光收集區(qū)域(14)位于所述入口曲線(16 )所圍空間的內部或邊緣上。
10.一種使用權利要求1中所述的采光裝置進行采光的方法，利用機械轉動裝置、電機傳動裝置(5)和控制單元(8)帶動反光裝置跟蹤發(fā)光天體的運行軌跡，將自然光聚合后投向指定區(qū)域，其特征在于:使用反光曲面(I)來聚合自然光。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述將反光曲面(I)固定在機械轉動裝置上，控制單元和電機傳動機構驅動反光曲面(1)，在工作面(9)上繞軸進行旋轉；所述反光曲面(I)關于一經過其母線的平面(11)對稱，所述工作面(9)與所述平面(11)垂直，所述軸為工作面(9)的法線(10)。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述反光曲面將自然光聚合后投向所述工作面上的光收集區(qū)域。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，在光收集區(qū)域的光收集裝置與工作面(9)相交于入口曲線(16)，形成所述光收集裝置的入口，所述入口曲線(16)的幾何中心點在法線(10)上。
14.如權利要求10所述的采光方法，其特征在于，所述反光曲面(I)與所述工作面(9)的交線是拋物線或圓弧，且拋物線或圓弧的焦點(13)位于工作面(9)內。
15.如權利要求10所述的采光方法，其特征在于，所述焦點(13)位于所述入口曲線(16)所圍空間的內部或邊緣上。
16.如權利要求12所述的采光方法，其特征在于，所述光收集區(qū)域(14)位于所述入口曲線(16)所圍空間的內部或邊緣上。
17.如權利要求1-9之一所述的采光裝置在光導管系統(tǒng)中的應用。
18.如權利要求1-9之一所述的采光裝置在光導纖維系統(tǒng)中的應用。
19.一種采光系統(tǒng)，包括兩個以上如權利要求1所述的采光裝置的組合。
【文檔編號】F21V23/00GK104373890SQ201310359445
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權日:2013年8月16日
【發(fā)明者】張曉東 申請人:張曉東