技术领域
[0001] 本
发明属于
能源采集技术领域，涉及一种自旋转定向出射的阳光采集系统。
背景技术
[0002] 目前关于太阳光直接照明技术的采集结构主要有以下几种：
[0003] (1)太阳光光纤照明技术。该技术采用透镜作为阳光采集器，采光系统采用双轴
跟踪方式追踪太阳光，使得采光面一直对准太阳光。这种结构使得采光系统的终端即出光方向亦随之变化，与之相关的耦合光纤随着采光系统的转动跟着转动，容易造成光纤弯曲度过大造成的漏光或耦合端导致可靠性下降等问题。
[0004] (2)光
导管太阳光照明技术。该技术采用高反射率的导光管作为传输介质，采光部分通常用半球形的采光罩固定于地表，起到直接通光的作用，这种固定结构不具备跟踪阳光的作用，对于不同时刻采集的光能不同。目前对于具有跟踪结构的光导技术也有研究，但受到光导管本身结构及安装结构的限制，均不能实现全天候全方位的太阳光跟踪。
[0005] (3)反射式太阳光照明技术。反射式太阳光直接照明技术有几种。一种是棱镜式太阳光反射照明系统，该技术具有太阳光跟踪功能，但其原理不能保证出射光的方向不变，且在结构上不能实现全方位的太阳光跟踪。一种是一次反射或三次反射式太阳光反射照明系统，目前对于这一类照明系统仅说明了照明原理，缺乏一种定向高效的跟踪结构，使得这类系统目前仅处于研究阶段。
发明内容
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自旋转定向出射的阳光采集系统，实现一种太阳光利用率高、具有自旋转特点、适应工程应用的阳光采集系统，可以克服反射式照明光能利用率高但无有效工业化应用装置之间的矛盾问题。
[0007] 通过本发明，拟达到如下目的：
[0008] (1)发明可竖直转动柱状透明采光结构，结合自旋转的极轴跟踪原理，可实现一种高采光比的全方位阳光采集与定向出射；
[0009] (2)这种跟踪结构可将不同类型的反射式照明系统内置于透明采光结构内，可根据
反射器结构更改透明采光结构形式，并结合不同
算法实现不同反射系统均实现定向阳光出射；
[0010] (3)实现一种新型高
精度的工业化产品结构，为太阳光直接照明技术的高效低成本应用提供技术解决方案。
[0011] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0012] 一种自旋转定向出射的阳光采集系统，包括底座I(101)、底座II(102)、
转轴I(103)、转轴II(104)、
支架II(105)、支架III(106)、光学器件(108)、透明光学
外壳(109)、
电机和反射镜(202)；
[0013] 所述底座I(101)能够绕转轴I(103)旋转；所述透明光学外壳(109)的光学中心位于转轴I(103)上；
[0014] 所述电机设置在底座II(102)上；
[0015] 所述支架III(106)和转轴II(104)用于固定透明光学外壳(109)的光学器件，并且透明光学外壳(109)能够绕转轴II(104)旋转；
[0016] 所述支架II(105)用于固定光学器件(108)；所述光学器件(108)能够绕支架II(105)旋转以保证最大
角度接收太阳光。
[0017] 可选的，所述透明光学外壳(109)为球形、柱形或球形与柱形的组合；
[0018] 透明光学外壳(109)的光学结构为反射式、透射式或反射式与透镜式的结合。
[0019] 可选的，所述透明光学外壳(109)为一次反射系统时，反射镜(202)的中心与光学器件(108)重合；
[0020] 跟踪过程中，入射太阳光(203)角度为a，透明光学外壳(109)连同反射镜(202)绕转轴I(103)和转轴II(104)做跟踪转动，其中转轴I(103)转动的角度由太阳方位角或由光电
传感器确定的光压差确定；
[0021] 当转动角度由太阳光位角确定时，其偏转角度等于太阳方位角，由式1表示：
[0022]
[0023] 式中，H为太阳高度角，与入射角a属于互余关系；δ为太阳赤纬角，由式2表示：
[0024]
[0025] 式中，n表示日数，从1月1日算起；
[0026] ω表示时角，由式3表示：
[0027]
[0028] 绕转轴II(104)转动的偏转角β要保证任何太阳光入射角a情况下的出射光(204)为定向光，即出射光(204)的出射角γ保持不变；
[0029] 反射镜(202)的偏转角β由太阳光入射角或
光电传感器确定的光压差确定；
[0030] 当由太阳光入射光确定时，其与太阳光入射角a之间应满足如下关系：
[0031]
[0032] 式4中，α与β应满足如下关系：
[0033]
[0034] 当透明光学外壳(109)为会聚和反射相结合的组合式光学系统时，由会聚透镜(302)和曲面反射镜(303)组合的光学中心与光学器件(108)重合，即由会聚透镜(302)收集的太阳光会聚于光学中心处，再经由曲面反射镜(303)沿固定方向反射，反射光的出射角γ保持不变，该出射角的设置根据照射距离由曲面反射镜(303)的安装角度决定；
[0035] 为保证最大太阳光收集率，曲面反射镜(303)绕支架II(105)转动，在保证光学中心
位置不变的情况下曲面反射镜(303)的受光面始终对准会聚透镜(302)的光学面；
[0036] 光学系统模式下，透明光学外壳(109)连同会聚透镜(302)绕转轴I(103)和转轴II(104)做跟踪转动，转动角度或由光电传感器确定的光压差决定，或由太阳高度角和方位角确定，其中转轴I(103)转动的角度与太阳方位角一致，即由式1确定，绕转轴II(104)转动的角度与太阳高度角一致，即由式6确定：
[0037]
[0038] 式中， 表示当地纬度角，与太阳光入射角之间满足以下关系：
[0039]
[0040] 本发明的有益效果在于：
[0041] (1)采用自旋转定向原理设计具有二维跟踪的太阳光采集系统，可适用于不同类型的太阳光采光-出射系统，具有适应性广、结构紧凑、光能利用率高的优点；
[0042] (2)提出的设计外壳可根据实际光学系统制成球形、圆柱形或球形与圆柱形组合方式，可最大程度减小系统体积，扩大系统的安装应用范围，具有安装占地面积小，易推广的优点；
[0043] (3)除二维跟踪之外在系统内部加设的对中心光学器件的一维追踪功能作为系统的拓展功能，可更进一步提升光学系统的太阳光能利用率；
[0044] (4)系统设计可实现太阳光的全方位跟踪，适用于不同地区所有朝向的公路隧道。
[0045] 本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的
说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0046] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0047] 图1为技术实现原理；
[0048] 图2为一次反射跟踪转动角度原理；
[0049] 图3为会聚与反射相结合的转动角度原理；
[0050] 图4为系统跟踪控制算法图；
[0051] 图5为外形为球形外罩的自旋转定向式高效太阳光采集系统设计图；
[0052] 图6为外形为圆柱形外罩的自旋转定向式高效太阳光采集系统设计图。
[0053] 附图标记：101-底座I、102-底座II、103-转轴I、104-转轴II、105-支架II、106-支架III、108-光学器件、109-透明光学外壳、202-反射镜、203-入射太阳光。
具体实施方式
[0054] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下
实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0055] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0056] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0057] 请参阅图1～图6，为一种自旋转定向出射的阳光采集系统。
[0058] 本技术的实现原理：透明光学外壳109形式可以是球形、柱形或球形与柱形的组合，具体由内部光学结构决定。透明光学外壳109内的光学结构可以是反射式、透射式或反射式与透镜式的结合。底座II102用于固定整个系统。底座I101及以上的结构可绕转轴I103旋转，旋转角度可根据要求设计，通常设计成180度，沿该转轴转动的电机等部件可安于底座II102上，透明光学外壳109内部光学结构的光学中心位于该转轴上。支架III106连同1转轴II104用于固定透明光学外壳109及内部的部分或全部光学器件，并且透明光学外壳109可绕转轴II104旋转。支架II105用于固定光学中心位于光学器件108，并且该光学器件根据光学设计原理或可绕支架II105旋转以保证最大角度接收太阳光。控制转轴II104和支架II105的电机系统可以安装在支架III106上。
[0059] 转轴I103和转轴II104以及1支架II105(如有转动功能)的转动角度和控制算法由透明光学外壳109内的光学系统实现原理决定。
[0060] 当透明光学外壳109内的光学系统为一次反射系统时，反射镜202的中心与图1中的光学器件108重合。跟踪过程中，入射太阳光203角度为a，透明光学外壳109连同反射镜202可绕转轴I103和转轴II104作跟踪转动，其中绕转轴I103转动的角度由太阳方位角或由光电传感器确定的光压差确定。当转动角度由太阳光位角确定时，其偏转角度等于太阳方位角，由式1表示：
[0061]
[0062] 式中，H为太阳高度角，与入射角a属于互余关系；δ为太阳赤纬角，可由式2表示：
[0063]
[0064] 式中，n表示日数，从1月1日算起。
[0065] ω表示时角，由式3表示：
[0066]
[0067] 绕转轴II104转动的偏转角β要保证任何太阳光入射角a情况下的出射光204均为定向光，即204出射光的出射角γ保持不变。反射镜202的偏转角β可由太阳光入射角或光电传感器确定的光压差确定。当由太阳光入射光确定时，其与太阳光入射角a之间应满足如下关系：
[0068]
[0069] 式4中，α与β应满足如下关系：
[0070]
[0071] 当透明光学外壳109内的光学系统为会聚和反射相结合的组合式光学系统时，由302会聚透镜和303曲面反射镜组合的光学中心与图1中的光学器件108重合，即由302透镜收集的太阳光会聚于光学中心处，再经由303反射镜沿固定方向反射，反射光(即系统的出射光)的出射角γ保持不变，该出射角的设置根据照射距离由303反射镜的安装角度决定。
为保证最大太阳光收集率，303反射镜可绕图1所述支架II105转动，在保证光学中心位置不变的情况下303反射镜的受光面始终对准302透镜的光学面。
[0072] 该光学系统模式下，透明光学外壳109连同302透镜可绕转轴I103和转轴II104作跟踪转动，其转动角度或由光电传感器确定的光压差决定，或由太阳高度角和方位角确定，其中绕转轴I103转动的角度与太阳方位角一致，即可由式1确定，绕1转轴II104转动的角度与太阳高度角一致，即由式6确定：
[0073]
[0074] 式中，表示当地纬度角，与太阳光入射角之间满足以下关系：
[0075]
[0076] 此外，该系统亦可用于其他结构的光学系统，实现基于不同光学原理的自旋转定向出射的太阳光采集系统。
[0077] 本发明的跟踪控制算法：首先通过光电传感器东西以及南北方向压差ΔU是否为0判断系统是否需要转动。当判断东西压差ΔU1不为0时，底座I101绕转轴I103转动，转动角度由式1或式2决定，转至ΔU1为0时，转轴I103停止转动；再判断南北压差ΔU2是否为0，当ΔU2不为0时，系统绕转轴II104转动，转至角度由式3或式4决定，直至ΔU2＝0，系统停止转动；当太阳光强比较弱时，如多
云天，系统转动根据预置时钟模
块根据当时进行判断转动，转动角度由当地经纬度和太阳高度角决定；夜间，系统复位停止转动。
[0078] 本技术在基于自旋转原理的
基础上设计高效光学系统，可用于不同朝向隧道不同时刻的太阳光照明，应用上可安装于隧道洞口
门架及两侧路缘等位置，具有适应性广、光能利用率高的特点。
[0079] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
