基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，包括：菲涅耳透鏡、轉(zhuǎn)動桿、光柵集光器、控制單元、導光光纜，光開關(guān)、太陽能蓄電池、燈罩；其中控制單元包括：控制器、步進電機、GPS模塊、時鐘模塊、輸入顯示模塊，光柵集光器包括光柵和波導。本發(fā)明采用了太陽能光柵集光器，該太陽能光柵集光器收集可見光范圍的光，自動消除對人體不利的有害射線、紫外光以及紅外光，從而可以達到隔熱、隔紫外線的效果，解決了傳統(tǒng)集光器體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜的問題或效率不高的問題；本發(fā)明既可對太陽光進行及時利用，又可將光能存儲起來，以備后續(xù)利用，更為節(jié)能環(huán)保。
【專利說明】基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源緊缺和環(huán)境污染的日益嚴重，開發(fā)再生能源已是人類文明發(fā)展的迫切需要。太陽能無污染、安全環(huán)保，并且取之不盡，用之不竭的特點使得太陽能清潔能源部分或全部取代傳統(tǒng)能源已是必然的發(fā)展趨勢。目前對于太陽能的照明應(yīng)用一般是通過將太陽能首先轉(zhuǎn)換為電能，在電能的驅(qū)動下提供室內(nèi)照明。另外，在易燃易爆或者不宜直接接收光源場所，例如:礦井、油庫、危險品生產(chǎn)地等場所直接使用用電照明均不安全，危險性大、易損壞。
[0003]對太陽能利用的研究中主要的研究內(nèi)容是對太陽能集光器的研究。而前人提出的太陽能集光器絕大部分是大型笨重的裝置，由幾何光學中的菲涅耳透鏡和反射鏡組成，并且需要考慮成本和光線追跡問題；而另一部分是熒光集光器，它通常吸收光能量再發(fā)射出一個較大的波長(紅移)，該波長在基板內(nèi)通過全反射被引導到邊緣收集，但是光在通過導光基板的頂部和底部時被染料分子再吸收的能量損耗大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，該裝置安全可靠、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、亮度較高，并且應(yīng)用范圍廣泛，適用于水下、礦井以及地下商場等需要照明的任何場所。該裝置既可對太陽光進行及時利用，又可將光能存儲起來，以備后續(xù)利用。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，包括:菲涅耳透鏡、兩個轉(zhuǎn)動桿、光柵集光器、控制單元、底座、導光光纜、光開關(guān)、太陽能蓄電池、燈罩；其中，所述控制單元包括:控制器、步進電機、GPS模塊、時鐘模塊、輸入顯不模塊；所述光柵集光器包括光柵和波導；每個轉(zhuǎn)動桿由一根橫桿和一根豎桿固定連接組成，兩個轉(zhuǎn)動桿的豎桿均支撐菲涅耳透鏡，橫桿均與控制單元的步進電機的輸出軸相連；光柵集光器水平居中放置在控制單元上部的水平面上，底座支撐控制單元；波導的兩個側(cè)面通過導光光纜與光開關(guān)的輸入端相連，光開關(guān)的一個輸出端通過導光光纜連接燈罩，另一個輸出端通過導光光纜連接太陽能蓄電池；GPS模塊、時鐘模塊、輸入顯示模塊、步進電機均與控制器相連，進行信息交互，控制器通過脈沖寬度調(diào)制控制步進電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，從而帶動轉(zhuǎn)動桿同步轉(zhuǎn)動，使菲涅耳透鏡的光軸平行于太陽光。
[0006]進一步地，所述光柵集光器的光柵周期LI為400nm ;光柵集光器中光柵的斜高L2為1lOnm ;傾斜角Θ為31度；梯形上下底之差的一半L3為30nm ;梯形下底L4為320nm。
[0007]進一步地，所述光開關(guān)為二維微機械(MEMS)光開關(guān)。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，本裝置采用了太陽能光柵集光器，該太陽能光柵集光器收集可見光范圍的光，自動消除對人體不利的有害射線、紫外光以及紅外光，從而可以達到隔熱、隔紫外線的效果，解決了傳統(tǒng)集光器體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜的問題或效率不高的問題；本裝置既可對太陽光進行及時利用，又可將光能存儲起來，以備后續(xù)利用，更為節(jié)能環(huán)保。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明中控制單元結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖3是本發(fā)明中光柵集光器的原理圖；
[0012]圖4是本發(fā)明優(yōu)選光柵集光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖中，菲涅耳透鏡I，轉(zhuǎn)動桿2，光柵集光器3，控制單元4，底座5，導光光纜6，光開關(guān)7,太陽能蓄電池8,燈罩9,光柵10,波導11。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0015]參照圖1 -圖3，本發(fā)明一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，包括:包括:菲涅耳透鏡1、兩個轉(zhuǎn)動桿2、光柵集光器3、控制單元4、底座5、導光光纜6、光開關(guān)7、太陽能蓄電池8、燈罩9 ;其中，所述控制單元4包括:控制器401、步進電機402、GPS模塊403、時鐘模塊404、輸入顯不模塊405 ;所述光柵集光器3包括光柵10和波導11。
[0016]每個轉(zhuǎn)動桿2由一根橫桿和一根豎桿固定連接組成，兩個轉(zhuǎn)動桿2的豎桿均支撐菲涅耳透鏡1，橫桿均與控制單元4的步進電機402的輸出軸相連；光柵集光器3水平居中放置在控制單元4上部的水平面上，底座5支撐控制單元4;波導11的兩個側(cè)面通過導光光纜6與光開關(guān)7的輸入端相連,光開關(guān)7的一個輸出端通過導光光纜6連接燈罩9,另一個輸出端通過導光光纜6連接太陽能蓄電池8 ；GPS模塊403、時鐘模塊404、輸入顯示模塊405、步進電機402均與控制器401相連，進行信息交互，控制器401通過脈沖寬度調(diào)制控制步進電機402的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，從而帶動轉(zhuǎn)動桿2同步轉(zhuǎn)動，使菲涅耳透鏡I的光軸平行于太陽光。
[0017]本發(fā)明的工作過程如下:太陽光通過長焦距的菲涅耳透鏡I進行匯聚，將大范圍的光聚集到小范圍處，由光柵集光器3耦合到波導11的側(cè)面進行收集，從而濾過紅外光、紫外光及有害射線，光柵集光器3替代了大型反射鏡和透鏡的使用，大大減少了空間利用范圍；通過波導11的兩個側(cè)面收集的可見光由導光光纜6傳送到光開關(guān)7處，當光開關(guān)7處于導通狀態(tài)時，將導光光纜6與燈罩9連通，此時可見光可通過燈罩9直接用于室內(nèi)照明；當光開關(guān)7處于斷開狀態(tài)時，將導光光纜6與太陽能蓄電池8連通，光能將轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，以備后續(xù)使用，從而提高了可見光的利用率?？刂茊卧?中的控制器401可以通過時鐘模塊404獲取當前時間信息、通過GPS模塊403獲取當前位置信息，或者通過輸入顯示模塊405手動輸入時間及位置信息，并將視日運動軌跡方式中太陽的公轉(zhuǎn)、地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)軌跡集成在內(nèi)，根據(jù)所獲取的時間及位置信息，計算當前太陽的高度角和方位角，通過脈沖寬度調(diào)制PWM控制步進電機402的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，從而帶動轉(zhuǎn)動桿2同步轉(zhuǎn)動，使菲涅耳透鏡I的光軸始終平行于太陽光，實現(xiàn)全方位、全時段自動跟蹤太陽運動軌跡，從而實現(xiàn)了集光的最大效果。
[0018]本發(fā)明中，光開關(guān)7可以米用二維微機械(MEMS)光開關(guān)。二維微機械光開關(guān)由一種受靜電控制的二維微小鏡面陣列組成，光束在二維空間傳輸。其微反射鏡具有兩種狀態(tài):通和斷，當光開關(guān)處于斷的狀態(tài)時，反射鏡處于由輸入光纖準直系統(tǒng)射出的光束傳播通道內(nèi)，將光束反射至相應(yīng)的輸出通道并經(jīng)準直系統(tǒng)進入目標輸出光纖(本發(fā)明中指的是光開關(guān)7另一端與太陽能蓄電池8連接的通道光纜)。當光開關(guān)處于通的狀態(tài)時，微反射鏡不在光束傳播通道內(nèi)，由輸入通道光纖射出的光束直接進入其對面的光纖(本發(fā)明中指的是光開關(guān)7另一端與燈罩9連接的導光光纜)。
[0019]如圖3所示，光柵集光器3的主要原理是:通過在波導11上集成相應(yīng)亞波長微結(jié)構(gòu)的相位光柵10，可以引導可見光在波導11的側(cè)面進行出光匯集。正入射的太陽光通過光柵集光器3的光柵結(jié)構(gòu)時發(fā)生透射衍射，而保證衍射光能夠在波導11(或光纖)內(nèi)不斷地傳播的必要條件是衍射光的衍射角大于全反射角，可推得光柵周期必須小于等于衍射級次與光在空氣中的波長的乘積。顯然零級衍射光無法滿足全反射條件，而對于±1的衍射光能夠在波導(或光纖)內(nèi)傳播的條件是光柵的周期要小于光在空氣中的波長，即λ0。又因為光柵周期必須大于光在介質(zhì)中的波長，所以當光柵周期一定時，能耦合到波導(或光纖)的衍射光的波長在光柵周期和介質(zhì)折射率與周期乘積的值之間。因此，選取一定的光柵周期和波導材料就可以稱合可見光范圍。
[0020]實施例1
[0021]如圖4所示，本發(fā)明一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，其中光柵集光器3的光柵周期LI為400nm ;光柵集光器3中光柵的斜高L2為1lOnm ;傾斜角Θ為31度；梯形上下底之差的一半L3為30nm ;梯形下底L4為320nm。
[0022]在太陽光光譜中，波長400nm_780nm的可見光成分占了太陽輻射的絕大部分，其峰值為波長500nm，可以選擇適當?shù)墓鈻胖芷趤眈詈线@部分的可見光。
[0023]本實施例選用的光柵10及波導11的材料為普通的玻璃S12 (折射率為1.46)。通過時域有限差分軟件(FDTD)優(yōu)化仿真斜梯形相位光柵的上下底的寬(上底隨著下底的改變而改變)、斜高和傾斜角，確定光柵周期LI值為400nm、梯形上下底之差的一半L3為30nm時，衍射效率達到最大的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明:梯形下底L4為320nm、傾斜角Θ為31度、斜高L2為1lOnm時，能夠得到最高的衍射效率48.836%。在此結(jié)構(gòu)下，對不同波長的衍射效率進行了仿真，在400nm-500nm的波長段，其±1級平均衍射效率均高于60%，對于TE波，在460nm-490nm波段的土 I級衍射效率接近100%。從透射光、反射光和總光強隨波長的變化可以看出，光柵的透射光接近于總光強，其反射光很小，材料對光的吸收也很小，效果較好。
[0024]本發(fā)明中的光柵集光器可選擇折射率更高的玻璃或其它材料來耦合更寬的光譜范圍，也可以選擇其它面型的光柵結(jié)構(gòu)。
[0025]上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，其特征在于，包括:菲涅耳透鏡(I)、兩個轉(zhuǎn)動桿(2)、光柵集光器(3)、控制單元(4)、底座(5)、導光光纜(6)、光開關(guān)(7)、太陽能蓄電池(8)、燈罩(9);其中，所述控制單元(4)包括:控制器(401)、步進電機(402)、GPS模塊(403)、時鐘模塊(404)、輸入顯不模塊(405);所述光柵集光器(3)包括光柵(10)和波導(11);每個轉(zhuǎn)動桿(2)由一根橫桿和一根豎桿固定連接組成，兩個轉(zhuǎn)動桿(2)的豎桿均支撐菲涅耳透鏡(1)，橫桿均與控制單元(4)的步進電機(402)的輸出軸相連；光柵集光器(3)水平居中放置在控制單元(4)上部的水平面上，底座(5)支撐控制單元(4);波導(11)的兩個側(cè)面通過導光光纜(6)與光開關(guān)(7)的輸入端相連,光開關(guān)(7)的一個輸出端通過導光光纜(6)連接燈罩(9)，另一個輸出端通過導光光纜(6)連接太陽能蓄電池(8); GPS模塊(403)、時鐘模塊(404)、輸入顯示模塊(405)、步進電機(402)均與控制器(401)相連，進行信息交互，控制器(401)通過脈沖寬度調(diào)制控制步進電機(402 )的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向，從而帶動轉(zhuǎn)動桿(2)同步轉(zhuǎn)動，使菲涅耳透鏡(I)的光軸平行于太陽光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，其特征在于，所述光柵集光器(3)的光柵周期LI為400nm ;光柵集光器(3)中光柵的斜高L2為1lOnm ;傾斜角Θ為31度；梯形上下底之差的一半L3為30nm ;梯形下底L4為320nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于太陽能光柵集光器的室內(nèi)照明裝置，其特征在于，所述光開關(guān)(7)采用二維微機械光開關(guān)。
【文檔編號】F21V23/00GK104048251SQ201410096935
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】盧鷺云, 汪凱巍 申請人:浙江大學