專利名稱：跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置的制作方法
一種跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置，涉及光學(xué)、纖維光學(xué)和機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。
太陽(yáng)光是自然界取之不盡用之不竭的自然光源，到目前為止人類對(duì)太陽(yáng)光的利用還停留在自然照射的初始階段，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行有效地采集、利用并把它輸送到一些既需要照明而對(duì)安全要求又非常嚴(yán)格的場(chǎng)所如武器彈藥庫(kù)、油庫(kù)、礦井、煤氣房以及其它一些易燃易爆的場(chǎng)所和不能直接采光的建筑物內(nèi)，解決上述場(chǎng)所的照明問(wèn)題，其意義是非常重大的。日本三洋電機(jī)株式會(huì)社于96年3月27日公開了在中國(guó)的專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮?5107312.5，名稱為“太陽(yáng)光采光裝置及控制該太陽(yáng)光采光裝置的太陽(yáng)光采光控制裝置”，文中介紹了該采光裝置是將多塊采光棱鏡板按規(guī)定間隔裝在采光器內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，根據(jù)太陽(yáng)的高度和方位控制這些采光棱鏡板棱鏡角，通過(guò)采光棱鏡板所折射的太陽(yáng)光沿一定方向出射而被采集，由不同阿貝數(shù)的光學(xué)塑料構(gòu)成棱鏡板，與之相匹配的驅(qū)動(dòng)裝置，支持裝置和采光控制裝置，不僅涉及到光學(xué)技術(shù)，還涉及到計(jì)算機(jī)，傳感器以及其它相關(guān)技術(shù)，顯而易見，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，難以推廣應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低能耗，可大面積采光、傳光量大，能全天、全年跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的(1)陽(yáng)光的采集和傳輸陽(yáng)光的采集是由安裝在支架5上的曲面反射鏡1和在其焦點(diǎn)處設(shè)有可隨曲面反射鏡1同步運(yùn)轉(zhuǎn)的采光光導(dǎo)纖維束3所組成；陽(yáng)光的傳輸是通過(guò)固定在空心旋轉(zhuǎn)主軸7內(nèi)的傳光光導(dǎo)纖維束4進(jìn)行，其一端和采光光導(dǎo)纖維束3進(jìn)行耦合，另一端將陽(yáng)光傳輸至所需場(chǎng)所。
(2)陽(yáng)光跟蹤機(jī)構(gòu)(A)支架5的一端和空心旋轉(zhuǎn)主軸7連接，呈正南、正北方向水平設(shè)置的空心旋轉(zhuǎn)主軸7，帶動(dòng)曲面反射鏡1每天24小時(shí)作360度旋轉(zhuǎn)。(B)在支架5另一端曲面反射鏡兩支點(diǎn)間形成一條垂直于空心旋轉(zhuǎn)主軸7的輔助回轉(zhuǎn)軸線AB，曲面反射鏡1以AB為軸線在每年冬至、夏至之間均勻往復(fù)回轉(zhuǎn)一次。所述曲面反射鏡可以采用球面反射鏡，也可以采用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡；曲面反射鏡的基材可為如下所述中的一種①金屬材料-鋁材、鋁合金、鋼材、不銹鋼；②非金屬材料-玻璃、塑料、玻璃鋼。為了加強(qiáng)曲面反射鏡1的反射效果，曲面反射鏡1上面的反光層2可以通過(guò)下列所述方法中的一種來(lái)實(shí)現(xiàn)①直接在基材表面進(jìn)行拋光；②在曲面反射鏡的基材上鑲貼反光膜；③在曲面反射鏡的基材上涂復(fù)反光材料。光導(dǎo)纖維束可為如下所述中的一種①玻璃光導(dǎo)纖維束；②經(jīng)二次高溫熔結(jié)后的玻璃光導(dǎo)纖維束；③石英光導(dǎo)纖維束；④聚合物光導(dǎo)纖維。采光光導(dǎo)纖維束通常采用前三者，而傳光光導(dǎo)纖維束通常采用后者即聚合物光導(dǎo)纖維。由于在曲面反射鏡1的焦點(diǎn)處溫度較高，為防止過(guò)高的溫度損壞采光光導(dǎo)纖維束3的端面，因此可以采取以下措施①采用聚光隔熱的玻璃光纖臺(tái)錐23；②采用隔熱玻璃片24。所述陽(yáng)光跟蹤機(jī)構(gòu)支架5的一端和空心旋轉(zhuǎn)主軸7連接，呈E南正北方向水平設(shè)置的空心旋轉(zhuǎn)主軸7，帶動(dòng)曲面反射鏡1每天24小時(shí)作360度旋轉(zhuǎn)?？招男D(zhuǎn)主軸7的驅(qū)動(dòng)方式可為下述一種①電機(jī)帶動(dòng)蝸桿蝸輪驅(qū)動(dòng)；②電機(jī)帶動(dòng)齒輪組驅(qū)動(dòng)；③通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；④通過(guò)配有牽引磁鐵的棘輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；⑤電機(jī)帶動(dòng)行星齒輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；⑥電機(jī)帶動(dòng)擺線針輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。支架5另一端曲面反射鏡1支點(diǎn)A和B形成輔助回轉(zhuǎn)軸線AB，曲面反射鏡1以AB為軸線的往復(fù)回轉(zhuǎn)由下列二個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)①由空心旋轉(zhuǎn)主軸7的轉(zhuǎn)動(dòng)使往復(fù)機(jī)構(gòu)沿空心旋轉(zhuǎn)主軸作軸向往復(fù)滑動(dòng)；②通過(guò)連接機(jī)構(gòu)使軸向往復(fù)滑動(dòng)的往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲面反射鏡繞輔助回轉(zhuǎn)軸線AB作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。往復(fù)機(jī)構(gòu)沿空心旋轉(zhuǎn)主軸7軸向的往復(fù)滑動(dòng)，可由下述一種實(shí)現(xiàn)①半齒輪、齒條結(jié)構(gòu)；②往復(fù)螺旋槽圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。其連接機(jī)構(gòu)可為下述一種①鋼絲繩、扭簧結(jié)構(gòu)；②齒輪、齒條結(jié)構(gòu)；③連桿結(jié)構(gòu)。通過(guò)上述方案達(dá)到該裝置可以全天全方位24小時(shí)作360度旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)還能夠跟蹤一年四季不同入射角度的太陽(yáng)光。詳細(xì)過(guò)程見實(shí)施例1。
本發(fā)明可以把日光引進(jìn)既需要照明又對(duì)安全要求嚴(yán)格，禁止有電火花產(chǎn)生的易燃易爆場(chǎng)所如武器彈藥庫(kù)、礦井、油庫(kù)、煤氣房以及水下照明和需要日光照明的建筑物內(nèi)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低能耗、可以大面積采光、成本低廉，能夠全天、全年跟蹤太陽(yáng)方位和入射角的變化。本發(fā)明便于推廣實(shí)施，具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
附

圖1 跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置示意圖(俯視圖)附圖2 跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置示意圖(正視圖)附圖3 圓輪17和空心旋轉(zhuǎn)主軸7的局部圖附圖4 實(shí)施例1示意圖附圖5 實(shí)施例2示意圖附圖6 實(shí)施例3示意圖。1-曲面反射鏡2-反光層3-采光光纖束4-傳光光纖束5-支架 6和6’-扭簧7-空心旋轉(zhuǎn)主軸 8-蝸輪 9-蝸桿10-箱體 11-往復(fù)機(jī)構(gòu) 12和12’-齒條13-半齒輪 14-蝸桿 15-蝸輪16-傳速比齒輪 17-圓輪 18和18’-滾鍵19-鍵槽 20-鋼絲繩 21-鏡托22和22’-推板 23-光纖臺(tái)錐 24-隔熱玻璃片實(shí)施例1本實(shí)施例參照附圖1、附圖2、附圖3和附圖4加以說(shuō)明，采用5mm厚的鑄鋁球面反射鏡1，球冠曲率半徑R為700mm，球面反射鏡的球冠口徑α為400mm，光線經(jīng)球面反射鏡1反射后會(huì)聚在焦點(diǎn)F’處，為加強(qiáng)反射效果，在球面反射鏡1內(nèi)鑲貼鍍銀反光膜2，采用直徑φ10mm的經(jīng)二次高溫熔結(jié)后的玻璃光導(dǎo)纖維束作為采光光纖束3，傳光光纖束4采用聚合物光纖制成，在空心旋轉(zhuǎn)主軸7內(nèi)耦合后，將陽(yáng)光傳輸至所需場(chǎng)所。采用功率為2.5W的電機(jī)，每分鐘轉(zhuǎn)速為1/28.8轉(zhuǎn)，蝸桿蝸輪9和8之間的減速比i=50，可達(dá)到呈正南、正北水平放置的空心旋轉(zhuǎn)主軸7每天24小時(shí)轉(zhuǎn)360度。另外空心旋轉(zhuǎn)主軸7亦同時(shí)帶動(dòng)蝸桿，蝸輪14和15，傳速比齒輪16，進(jìn)而帶動(dòng)半齒輪13轉(zhuǎn)動(dòng)，半齒輪13輪流帶動(dòng)兩齒條12和12’作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；蝸桿模數(shù)為1.75，頭數(shù)為1；蝸輪模數(shù)為1.75，齒數(shù)為50傳速比齒輪模數(shù)為2，小齒輪齒數(shù)為10，大齒輪齒數(shù)為73；半齒輪模數(shù)為1，齒數(shù)為40/2；齒條模數(shù)為1，齒數(shù)為48。圓輪17套在空心旋轉(zhuǎn)主軸7上(見附圖3)，在圓輪17上設(shè)有滾鍵18和18’，通過(guò)與空心旋轉(zhuǎn)主軸7上的鍵槽19的徑向接觸，傳遞扭矩，使空心旋轉(zhuǎn)主軸7帶動(dòng)圓輪17同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于滾鍵18和18’在空心旋轉(zhuǎn)主軸7上的鍵槽19內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而使得圓輪17在空心旋轉(zhuǎn)主軸7上可以作軸向往復(fù)滑動(dòng)。連接機(jī)構(gòu)中的鋼絲繩20，一端連在圓輪17上，另一端和曲面反射鏡1背面的鏡托21相連，為使鋼絲繩保持足夠的張力，在曲面反射鏡1和支架5兩端的結(jié)合處設(shè)有扭簧6和6’，當(dāng)圓輪17作軸向往復(fù)滑動(dòng)時(shí)，通過(guò)鋼絲繩20的牽引，在曲面反射鏡1和支架5結(jié)合處扭簧6和6’的作用下，使得曲面反射鏡1以支架5兩端的支點(diǎn)A和B的連線為輔助回轉(zhuǎn)軸線(該輔助軸線和旋轉(zhuǎn)主軸是相互垂直的)作均勻的往復(fù)回轉(zhuǎn)。利用這種往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)跟蹤一年四季不同入射角的太陽(yáng)光，每365天往復(fù)一次，以南京地區(qū)冬至到夏至的陽(yáng)光偏轉(zhuǎn)角為例，每半年回轉(zhuǎn)60度左右。實(shí)施例2以2mm厚的鋁板沖壓成型的球面反射鏡為例，球冠曲率半徑R=2000mm，球面反射鏡球冠1的口徑α為1000mm，在表面貼反光鋁膜作為反光層2，在球面反射鏡1的焦點(diǎn)F’處設(shè)置可聚光隔熱的光纖臺(tái)錐23，臺(tái)錐23的上底直徑d為15mm，下底直徑D為26mm，高度h為50mm，采用普通玻璃光導(dǎo)纖維制成的采光光纖束3，其直徑φ15mm，采用聚合物光導(dǎo)纖維制成傳光光纖4，在空心旋轉(zhuǎn)主軸7內(nèi)進(jìn)行耦合后，將陽(yáng)光傳至所需場(chǎng)所(見附圖5)。實(shí)施例3以玻璃鋼制成的球面反射鏡為例，在該反射鏡1上貼反光鋁膜作為反光層2，其球冠口徑α為800mm，球冠曲率半徑為1600mm，在其焦點(diǎn)F’處設(shè)置隔熱玻璃片24，在隔熱玻璃片24后面，由玻璃纖維制成的采光光纖束3，直徑φ為12mm和由聚合物光導(dǎo)纖維制成的傳光光纖束4，在空心旋轉(zhuǎn)主軸7內(nèi)耦合后，將陽(yáng)光傳至所需場(chǎng)所(見附圖6)。
上述裝置可在-20℃～+60℃環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1．一種跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置，是由曲面反射鏡和光導(dǎo)纖維構(gòu)成的陽(yáng)光采集和傳輸系統(tǒng)以及陽(yáng)光跟蹤機(jī)構(gòu)組成，其特征在于(1)陽(yáng)光的采集是由安裝在支架5上的曲面反射鏡1和在其焦點(diǎn)處設(shè)有可隨曲面反射鏡1同步運(yùn)轉(zhuǎn)的采光光導(dǎo)纖維束3所組成。陽(yáng)光通過(guò)固定在空心旋轉(zhuǎn)主軸7內(nèi)的傳光光導(dǎo)纖維4傳輸，其一端和采光光導(dǎo)纖維束3進(jìn)行耦合，另一端將陽(yáng)光傳輸至所需場(chǎng)所。(2)陽(yáng)光跟蹤機(jī)構(gòu)(A)支架5的一端和空心旋轉(zhuǎn)主軸7連接，呈正南、正北方向水平設(shè)置的空心旋軸主軸7，帶動(dòng)曲面反射鏡1每天24小時(shí)作360度旋轉(zhuǎn)。(B)在支架5另一端曲面反射鏡兩支點(diǎn)間形成一條垂直于空心旋轉(zhuǎn)主軸7的輔助回轉(zhuǎn)軸線AB，曲面反射鏡1以AB為軸線，每年冬至至夏至之間均勻往復(fù)回轉(zhuǎn)一次。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于曲面反射鏡1可以是如下所述中的一種①球面反射鏡；②旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲面反射鏡，其特征在于曲面反射鏡的基材可為如下所述中的一種①金屬材料-鋼材、鋁材、不銹鋼；②非金屬材料-玻璃、塑料、玻璃鋼。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲面反射鏡，其特征在于曲面反射鏡1的反光層2可由下列所述方法中的一種來(lái)實(shí)現(xiàn)①直接拋光基材；②在曲面反射鏡基材上鑲貼反光膜；③在曲面反射鏡基材上涂復(fù)反光材料。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于光導(dǎo)纖維束可以為下述一種①玻璃光導(dǎo)纖維束；②經(jīng)二次高溫熔結(jié)后的玻璃光導(dǎo)纖維束；③石英光導(dǎo)纖維束；④聚合物光導(dǎo)纖維。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于在曲面反射鏡1的焦點(diǎn)F’處可以設(shè)有如下所述中一種隔熱裝置①光纖臺(tái)錐；②隔熱玻璃片。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的跟蹤結(jié)構(gòu)，其特征在于空心旋轉(zhuǎn)主軸7的驅(qū)動(dòng)方式可為下述一種①電機(jī)帶動(dòng)蝸桿蝸輪驅(qū)動(dòng)；②電機(jī)帶動(dòng)齒輪組驅(qū)動(dòng)；③通過(guò)步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；④通過(guò)配有牽引磁鐵的棘輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；⑤電機(jī)帶動(dòng)行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；⑥電機(jī)帶動(dòng)擺線針輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的跟蹤機(jī)構(gòu)，其特征在于曲面反射鏡1繞輔助軸線AB的往復(fù)回轉(zhuǎn)，由下列兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)①由空心旋轉(zhuǎn)主軸7的轉(zhuǎn)動(dòng)使往復(fù)機(jī)構(gòu)沿空心旋轉(zhuǎn)主軸7作軸向往復(fù)滑動(dòng)；②通過(guò)連接機(jī)構(gòu)使軸向往復(fù)滑動(dòng)的往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲面反射鏡1繞輔助回轉(zhuǎn)軸線AB作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的往復(fù)機(jī)構(gòu)，其特征在于往復(fù)機(jī)構(gòu)的軸向往復(fù)滑動(dòng)，可由下述結(jié)構(gòu)中的一種實(shí)現(xiàn)①半齒輪、齒條結(jié)構(gòu)；②往復(fù)螺旋槽圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的連接機(jī)構(gòu)，其特征在于連接機(jī)構(gòu)可為下述中的一種①鋼絲繩、扭簧結(jié)構(gòu)；②齒輪、齒條結(jié)構(gòu)；③連桿結(jié)構(gòu)。
全文摘要
跟蹤太陽(yáng)的陽(yáng)光采集和光纖傳輸裝置,涉及光學(xué),纖維光學(xué)和機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的陽(yáng)光采集和光纖傳輸系統(tǒng)采用曲面反射鏡和光導(dǎo)纖維,跟蹤太陽(yáng)的機(jī)構(gòu)為:呈正南、正北方向水平設(shè)置的空心旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)曲面反射鏡每天24小時(shí)作360度旋轉(zhuǎn)并以支架兩端所形成的垂直于空心旋轉(zhuǎn)主軸的輔助回轉(zhuǎn)軸線AB為軸線,帶動(dòng)曲面反射鏡在每年冬至、夏至之間往復(fù)回轉(zhuǎn)一次。本發(fā)明可以把日光引進(jìn)既需要照明又對(duì)安全要求嚴(yán)格的武器彈藥庫(kù)、礦井、油庫(kù)以及水下照明和需要日光照明的建筑物內(nèi)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,低能耗、成本低廉,便于推廣實(shí)施,具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)F24J2/10GK1232950SQ9911406
公開日1999年10月27日 申請(qǐng)日期1999年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月8日
發(fā)明者張耀明, 張振遠(yuǎn), 徐明泉, 孔維彪, 張文進(jìn), 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京春輝科技實(shí)業(yè)有限公司