專利名稱：應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用非成象聚光器的太陽光光導管照明系統(tǒng)，屬綠色照明和可再生能源利用領域。
背景技術：
隨著人們生活水平的不斷提高，照明用電占全球總發(fā)電量的份額越來越大，照明能耗已成為人類所有能源消耗中重要的一項。照明用電的迅速增加，增大了電網負荷，使電力投資也隨之增大，同時加速了能源的消耗和環(huán)境的污染。太陽光是最典型、能量最強的自然光源，取之不盡，用之不竭，且光色好，是最佳的照明光源。有效利用自然光，不但可以減少室內照明和空調用電，還可以改善視覺效果，提高舒適度。為此利用太陽光的綠色照明技術在室內照明領域具有很好的應用前景。
在自然光照明技術中，太陽光光導管技術是最有效的一種。它具有諸多令人們滿意的優(yōu)點。首先，太陽光光導管能夠把太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間或者易燃易爆等不適宜采用電光源的房間，并能使光均勻的分布于空間內，可以取得良好的采光照明效果，還能有效地減少電能消耗。再有，采用太陽光光導管照明不會產生多余熱量，利用光導管傳輸的太陽熱量也比窗戶少，夏天可減少房間的冷負荷，冬天可防止熱量損失，對于建筑節(jié)能具有積極意義。另外，以太陽光為光源的光導管可以避免由于使用單一色光的電光源而造成的室內光污染即眩光問題，可以提高室內環(huán)境品質，改善視覺效果，提高舒適度。而且光導管整個系統(tǒng)的所有零部件全部采用可回收的材料制成，能做到全生命周期的環(huán)保。對于環(huán)境保護具有積極意義。光導管還可以用于辦公樓、住宅、商店、旅館等建筑的地下室或走廊的自然采光或輔助照明，并能取得良好的采光照明效果，是太陽能光利用的一種有效方式。
然而目前在我國，太陽光光導管技術的市場推廣還存在諸多困難，其中技術上很關鍵的一個問題就是光導管的傳光效率較低。目前市場上的光導管產品沒有安裝專門的聚光裝置，一般只是在室外采用半球形或鉆石型等形式的采光罩，只能自然的、被動的收集自然光，這使得太陽光光導管系統(tǒng)的傳光效率較低，為滿足照明的要求，不得不采用更大尺寸的光導管裝置，不僅增加了成本，還使得光導管裝置的建筑一體化難度加大。而目前在太陽能光電利用、通信工程等領域所采用的二維或三維跟蹤太陽的聚光系統(tǒng)，由于造價昂貴，聚光比很高，聚光后的熱效應非常明顯，也不適用于照明工程，所以目前市場上并沒有適合光導管的聚光裝置。因此，太陽光光導管技術要想進一步提高其市場推廣的潛力就必須提高裝置的光傳輸效率，而太陽光光導管系統(tǒng)各部分中最有提高潛力的就是采光部分，所以設計高效合理的聚光裝置對光導管技術的實用化非常關鍵。而光導管所需要的聚光裝置應具備有一定的聚光比、沒有聚光后的熱效應和價格低廉等特點，目前還沒有能夠滿足這些要求的裝置。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種高照明效率的太陽光光導管照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點在于聚光裝置采用非成象聚光器，增大了光導管的采光量，大大提高了太陽光光導管系統(tǒng)的照明效率；非成象聚光器根據邊緣光線原理設計而成，光損失小，聚光效果好；本非成象聚光器設計為三維小型聚光器，與光導管本體緊密連接；非成象聚光器設置在屋頂外，不會增加屋頂內安裝孔的尺寸；根據應用的場合不同，非成象聚光器的形式和光導管布置形式可靈活多樣；該系統(tǒng)的結構簡單，造價低廉，而且提高了光導管裝置太陽能光能直接利用的效率。
本發(fā)明設計的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)所采用的技術方案參見附圖1、2，圖1為系統(tǒng)示意圖，圖2為聚光器結構圖。系統(tǒng)包括透光裝置1、光導管3、設置在光導管上的散光裝置4，其特征在于在透光裝置1和光導管3之間采用非成象聚光器2，設置在屋頂7外，并和透光裝置1和光導管3緊密連接，整個系統(tǒng)密閉。
所述的非成象聚光器2為不跟蹤太陽的三維小型聚光器，其橫截面為圓形。
所述的非成象聚光器2的形式為復合拋物面聚光器或者錐形聚光器。
所述的非成象聚光器2的入口垂直于聚光器的中心線；或者與聚光器的中心線成一銳角。
所述的聚光器內壁為對可見光具有反射率大于80％的反射膜。
所述的復合拋物面聚光器的復合拋物面方程為(rcosθmax+zsinθmax)2+2R(1+sinθmax)2r-2Rcosθmax(2+sinmax)z-R2(1+sinθmax)(3+sinθmax)＝0其中，縱坐標z為聚光器高度方向，橫坐標r為聚光器寬度方向，坐標原點為聚光器出口的中心，聚光器的出口半徑為R，等于光導管的半徑，最大集光角為θmax，等于當地的緯度值。
所述的透光裝置1的形式包括拱頂型，平板型。
所述的透光裝置1設置有防紅外膜16。
所述的透光裝置1的制作材料為透射系數系數為在0.7以上的無色的有機玻璃或玻璃鋼。
本發(fā)明將非成象聚光器應用于太陽光光導管系統(tǒng)的采光，增大了系統(tǒng)的采光量，提高了系統(tǒng)的傳光效率，減小了光損失；聚光器置于屋頂之上，可以減小光導管的尺寸，更有利于與建筑物結合；室內照度均勻，散熱很少，可在白天完全替代人工照明。本發(fā)明設計的照明系統(tǒng)，有效的提高了太陽光光導管系統(tǒng)的照明效率。
圖1，應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖；圖2，應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)的復合拋物面聚光器示意圖，Z軸為聚光器軸，Z軸與拋物面軸的夾角為θmax；圖3，應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)頂采光平屋頂剖面示意圖；圖4，應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)頂采光斜屋頂剖面示意圖；圖5，應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)側采光剖面示意圖；其中，圖1～5中1-透光裝置；2-非成象聚光器；3-光導管；4-散光裝置；5-防雨板；6-水泥砌塊；7-屋頂；8-外墻；9-樓板；10-吊頂；11-自宮釘；12-密封圈；13-密封膠；14-拉鉚釘；15-膨脹螺栓；16-防紅外膜。
具體實施例方式
本發(fā)明設計的照明系統(tǒng)，適合用于白天暗廳，走廊，地下空間，易暴空間以及辦公場所，公共場所等的照明，本發(fā)明也可用于各種普通的室內照明。在具體實施方案中，屋外采光裝置的位置和光導管的形式可根據實際情況確定。下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
實施方案1方案參見圖3，本實施例的系統(tǒng)應用在一間平屋頂的房間。包括建筑物的屋頂7和應用非成象聚光器2的光導管系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的非成象聚光器為對稱的復合拋物面聚光器，聚光器出口直徑即光導管直徑為0.36m，入口直徑為0.72m，該系統(tǒng)應用于北京地區(qū)，故θmax取40°，所以拋物面的方程為(0.766r+0.643z)2+0.972r-0.729z-0.194＝0(-0.36≤r≤0.36)透光裝置1為拱頂型，表面為防紅外膜16。室外日光通過透光裝置1的集光并通過非成象聚光器2進行聚光，通過光導管3并通過散光裝置4將太陽光均勻的導入室內，實現自然光照明。透光裝置1與非成象聚光器2的固定采用自宮釘11固定，采用密封圈12和密封膠13密封，以便整個系統(tǒng)密封。聚光器2和光導管3的聯(lián)接采用承插的方式，并用拉鉚釘14固定。光導管的室外部分套有防雨板5，并用水泥砂漿和砌塊現場施工制作水泥砌塊6，使系統(tǒng)與屋頂緊密結合，以達到防水和防潮的作用。該系統(tǒng)為通用系統(tǒng)，可為任何緯度地區(qū)的建筑提供綠色照明的作用。
實施方案2方案參見圖4，本實施例的系統(tǒng)應用在一間坡屋頂的房間。包括建筑物的坡屋頂7和應用非成象聚光器2的光導管系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的非成象聚光器為錐形聚光器，聚光器的入口與聚光器軸有一定夾角，這樣可提高聚光器的入口面積和減少聚光器尺寸；考慮到安裝問題，透光裝置1選用平板型，表面為防紅外膜16。室外日光通過透光裝置1的集光并通過非成象聚光器2進行聚光，通過光導管3并通過散光裝置4將太陽光均勻的導入室內，實現自然光照明。透光裝置1與聚光器2的固定采用自宮釘11固定，采用密封圈12和密封膠13密封，以便整個系統(tǒng)密封。聚光器2和光導管3的聯(lián)接采用承插的方式，并用拉鉚釘14固定。光導管的室外部分套有防雨板5，并用水泥砂漿和砌塊現場施工制作水泥砌塊6，使系統(tǒng)與屋頂緊密結合，以達到防水和防潮的作用。本實施方案將光導管引致吊頂10下，很好的與室內裝修協(xié)調一致。此外，該方案未采用彎頭，可有效的減少光損失，這與常規(guī)的光導管有很大不同。該系統(tǒng)適用于緯度較低的地區(qū)的房間提供綠色照明的作用。
實施方案3方案參見圖5，本實施例的系統(tǒng)應用在多層建筑中間層的一個房間。包括建筑物的外墻8和應用非成象聚光器的光導管系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的非成象聚光器為復合拋物面聚光器，聚光器的入口與聚光器軸有一定夾角，這樣可提高聚光器的入口面積和減少聚光器尺寸；考慮到安裝問題，透光裝置1選用平板型，表面為防紅外膜16。室外日光通過透光裝置1的集光并通過非成象聚光器2進行聚光，通過光導管3并通過散光裝置4將太陽光均勻的導入室內，實現自然光照明。透光裝置1與聚光器2的固定采用自宮釘11固定，采用密封圈12和密封膠13密封，以便整個系統(tǒng)密封。聚光器2和光導管3的聯(lián)接采用承插的方式，并用拉鉚釘14固定。光導管的室外部分套有防雨板5，并用膨脹螺栓15固定在外墻8上。本實施方案將光導管引致吊頂10下，很好的與室內裝修協(xié)調一致。該系統(tǒng)可為多層建筑的非頂層房間提供綠色照明的作用。
權利要求
1.應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，包括透光裝置(1)、光導管(3)、設置在光導管上的散光裝置(4)，其特征在于透光裝置(1)和光導管(3)之間采用非成象聚光器(2)，設置在屋頂(7)外，并和透光裝置(1)、光導管(3)緊密連接，整個系統(tǒng)密閉。
2.根據權利要求1所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的非成象聚光器(2)為不跟蹤太陽的三維小型聚光器，其橫截面為圓形。
3.根據權利要求1所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的非成象聚光器(2)的形式為復合拋物面聚光器或者錐形聚光器。
4.根據權利要求2所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的非成象聚光器(2)的入口垂直于聚光器的中心線；或者與聚光器的中心線成一銳角。
5.根據權利要求2所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的聚光器內壁為對可見光具有反射率大于80％的反射膜。
6.根據權利要求3所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的復合拋物面聚光器的復合拋物面方程為(rcosθmax+zsinθmax)2+2R(1+sinθmax)2r-2Rcosθmax(2+sinmax)z-R2(1+sinθmax)(3+sinθmax)＝0其中，縱坐標z為聚光器高度方向，橫坐標r為聚光器寬度方向，坐標原點為聚光器出口的中心，聚光器的出口半徑為R，等于光導管的半徑，最大集光角為θmax，等于當地的緯度值。
7.根據權利要求1所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的透光裝置(1)的形式包括拱頂型，平板型。
8.根據權利要求7所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的透光裝置(1)設置有防紅外膜(16)。
9.根據權利要求7所述的應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，其特征在于所述的透光裝置(1)的制作材料為透射系數系數為在0.7以上的無色的有機玻璃或玻璃鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應用非成象聚光器的太陽光光導管系統(tǒng)，屬綠色照明和可再生能源利用領域。該系統(tǒng)包括依次連接的透光裝置(1)、非成象聚光器(2)、光導管(3)、散光裝置(4)，非成象聚光器設置在屋頂(7)外，整個系統(tǒng)密閉增大了光導管的采光量，大大提高了太陽光光導管系統(tǒng)的照明效率；非成象聚光器根據邊緣光線原理設計而成，光損失小，聚光效果好；本非成象聚光器設計為三維小型聚光器，與光導管本體緊密連接。非成象聚光器設置在屋頂外，不會增加屋頂內安裝孔的尺寸；根據應用的場合不同，非成象聚光器的形式和光導管布置形式可靈活多樣；該系統(tǒng)的結構簡單，造價低廉，而且提高了光導管裝置太陽能光能直接利用的效率。
文檔編號G02B19/00GK101017219SQ20071006371
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權日2007年2月8日
發(fā)明者馬重芳, 王偉, 吳玉庭, 李雙菊 申請人:北京工業(yè)大學