阳光引入室内装置的制作方法

专利名称：阳光引入室内装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及利用太阳能进行照明，具体地说，是一种将阳光通过聚光装置收集后，用光缆将其传导至室内需要的场所按照需要发散，用做照明以及能量转换的阳光引入室内装置。
现有的阳光导入装置按照光传输方式来分一般可以分为以下两种1)利用反射管道将阳光传导至室内；2)利用光缆将阳光传导至室内。
第一种是将光收集后利用内壁反光的空心管道或灌充液体的管道传导至需要照明的场所，光在管道内经过多次反射到达目的地。
这种方法存在以下问题由于是利用光在管道内的反射进行光的传输，所以对管道的安装精度要求很高，安装过程复杂且成本高，建筑物本身结构对这种方式有一定的限制，为了达到采光的效果有可能会破坏建筑结构，同时利用管道光的传输效率比较低。此种方式较适用于低层数别墅型住宅的日间照明。
第二种利用光缆传输光的方式，安装相对简单，光的传输效率同第一种相比也有大幅度提高。因为光纤传输光是利用光的全反射原理，光在光纤中几乎没有损耗地进行传输；光缆比较柔软，它可以顺应建筑物的结构进行安装而不会破坏建筑的美观。目前利用这种方式将阳光引入室内的装置一般都利用各种阳光自动跟踪装置使光收集器件始终正对光源。这就要求将光收集器件(一般为付氏透镜或抛物镜面)安装在一个复杂的可自由旋转的支撑结构上，同时必须给支撑结构和阳光自动跟踪装置提供电力。阳光自动跟踪装置的应用和复杂的支撑结构使得实际应用的成本大幅度提高，这种解决方法对照明需求面积较大的建筑物更加不适用，因为光收集装置一般安装在室外，这就要求装置必须符合室外建筑施工的安全标准，才能够抵御自然条件和人为损坏的危险，可自由旋转的支撑结构随者其体积的增大，其成本将呈指数增长，而且其占地面积也较大，这些缺陷使得此类装置的市场应用遇到很大阻力。
以往的阳光引入室内装置对不同波长的光的选择性引入较少考虑，一般只将对人体伤害较大的紫外线滤除。在实际应用中，天气炎热的季节，如果引入的光中含有大量红外线，就会导致室内温度升高，相应增加了制冷所消耗的能量。
本实用新型所述的阳光引入装置包括以下几个部分1.光收集部分。光收集部分由防护罩、透镜组和透镜组支撑结构构成。透镜组利用支撑结构安装在透明防护罩之下。透明防护罩的材料可以为玻璃、塑料等透光性强的物质。利用透镜组将光汇集在光传输部分的光纤端面。透镜表面有以表面几何中心为中心的同心圆凹槽，形成付氏环。透镜表面可以是凸起，内凹或平面，透镜从表面到尾部呈锥形。透镜可以在很大的角度范围内(φ＞30°)将光汇集在一个固定的点上，而不用使透镜正对光源。光经过透镜后汇聚在光纤端面，通过光传输部分的光缆传输进室内。光收集部分可以有多种安装方式，能够充分适应已有建筑的各种情况，适用范围广。本实用新型的光收集装置充分利用建筑物的外部空间，不需要占用有效建筑面积。
2.光传输部分。光传输部分的作用是将汇集后的光利用光缆传输至需要的场所。光传输部分包括光缆、光集中盒、光分散盒。光缆之间的连接采用模块化接口。光缆可以是石英玻璃光导纤维，也可以是塑料光导纤维。光传输采用逐步汇聚逐步分散的方式。逐步汇聚过程中，同透镜连接的光缆在光收集装置的防护罩内部通过光集中盒汇聚。光缆可以方便地通过接头连接到光集中盒上，每个光集中盒可以连接多条光缆，光集中盒中设有付氏透镜；光集中盒另一侧连接有较大的光缆；由光缆传输过来的光经付氏透镜聚焦后汇聚在较大的光缆内，较大的光缆再经过另一个光集中盒并进一步与主干光缆连接，较大的光缆内的光进一步汇聚至主干光缆内，采取逐步汇聚的方式。在此汇聚过程中将自然光中的紫外线滤除，有选择地将红外线或者滤除，或者将红外线引导至光-热转换、光-电转换装置，或者将红外线引导至室内。逐步分散过程中，光在有照明需求的楼层或区域在主干光缆分散，主干光缆通过光分散盒逐级传至末端光缆，将光传导至光发散部分。主干光分配盒中设有分配片。主干光分配盒的分配片所处位置根据对分散后两束光光强度的不同需求而调整，光的分散采用逐步分散的方式。光缆之间的连接采用模块化接口，使安装简单。
3.光发散部分。光发散部分的作用是将光缆传输过来的光按照不同的方式发散，满足照明需求。光发散部分可以是透镜组，也可以是透明物质中均匀混合光反射或光折射微粒的光发散器，能够充分满足人们对不同照明效果的要求。
本实用新型的特点是设计了新型透镜，此种透镜可以在很大角度范围内高效收集光，从而不必采用阳光跟踪装置；光传输部分采用光缆，使装置的安装维护简单方便；优选设计的光逐步汇集-逐步分散结构在节省光缆用量的同时提高了对引入光的可控制性；多种可选择的光发散器，使不同照明效果的需求都可以得到充分满足；可选择地加入光-电、光-热转换设备，提高了太阳能的利用率。
与其它同类型装置相比，本实用新型具有成本低、安装维护简单方便、应用范围广、对建筑物适应性强等优点。可以利用其进行温室照明、地下商场、停车场、办公楼等一切白天需要照明而阳光又难以照射到的场所的照明。本装置尤其适用于同一建筑物内有大面积的场所需要进行日间照明的需求，其单位面积成本较相似类型装置有大幅度降低。本实用新型同时适用于将光引入室内后将光能转换为热能或电能的应用。
本实用新型中的透镜可以在较大的角度范围内高效收集光，不必采用阳光自动跟踪装置，透镜组的支撑结构不需要运动，这一特点使得光收集装置的整体设计更加灵活，其尺寸和数量也可以根据需要灵活处理，可以考虑充分利用建筑物的非有效建筑面积。图2示例了两种室外阳光收集装置的安装形式，防护罩，透镜组和透镜组支撑结构构成了光收集装置。一种光收集装置15安装在建筑物的顶部，另一种光收集装置16安装在建筑物朝向阳光侧外壁。光收集器也可安装在建筑物附近的任何能够直接受阳光照射的场所。第一种方式在建筑物顶部形成了一个封闭的体系，光收集装置本身器件所需要空间很小，如果将防护罩和透镜支撑结构的尺寸做得较大，或者适应建筑物顶部形式具体进行设计，可以在扩大光收集量的同时，使光收集器内部空间成为可利用的建筑有效面积，使用户的投资得到最大保护。第二种方式利用建筑物向阳侧的建筑外壁悬挂光收集装置，光收集装置的外部形状可以同建筑物外壁相同，或者将光收集装置设计成需要的形状来增强建筑物的美观，这种方式利用立体建筑物受光照面积大的优势，充分收集阳光。
图3为本实用新型设计的新型付氏透镜剖面。透镜5表面为凸起球面，透镜顶部表面以几何中心为中心平均分布同心圆凹槽，形成付氏环。透镜的表面可以是凸起，或者内凹或者平面。透镜的上部13和下部14两部分可以为同一种材料，也可为两种不同材料的透明物质，材料可选择玻璃，石英等无机透明物质，也可以采用合成高分子材料。透镜的制造可以一次注射成型，也可组装成形。透镜下部14的外侧有反光涂层14a，将汇聚的光进一步反射到透镜尾部17，透镜外径逐渐变细直到与光缆11内芯11a的直径相同，整个透镜从顶部到尾部呈锥形。此种透镜可以在很大的角度范围(φ＞30°)内高效地将光汇集到透镜尾部17，透镜尾部17与光缆内芯11a连接，将收集的光传输到光缆内，利用光缆进行光的传输。
图4A-图4F为本实用新型设计的三种透镜外形。透镜5a正面为圆形，透镜5b正面为矩形，透镜5c正面为正六边形。透镜还可以根据实际需求加工成任意几何形状，需满足以下原则1)透镜顶部有以几何中心为中心的同心圆凹槽，形成付氏环；2)透镜顶部最好为凸起的球面，其他形式如内凹、平面、多组凸起、多组内凹等都可以达到汇集光的效果，光收集效率以凸起球面形式为最好；3)透镜下部渐变到与光缆芯直径相同。使用正六边形透镜可以在固定的面积上安装最大面积的透镜，能够提高单位面积上光的收集率。
图2展示了阳光引入室内装置中光收集部分的两种类型光收集器，一种安装于建筑物的顶部，一种安装在建筑物向阳侧外壁。
图5展示了建筑物顶部安装光收集装置的工作方式。透镜5安装在固定装置6上形成透镜组，在整个透镜组的外侧罩有透明防护罩3，防护罩起到保护内部透镜免受外界天气或人为损坏的作用。透镜收集的光经光缆11传导至光集中盒18，光集中盒18具有以下作用1.将各透镜汇集的光集中；2.将光中的红外线与可见光分离；3.将光中的紫外线滤除。
光集中盒的作用将在以后的叙述中详细说明。光缆19中传输的光再次经光集中盒34汇聚后传输到主干光缆4(


图12)。光收集装置的外形尺寸(D，H)可以根据地区经纬度的不同，以及对照明效果和照明面积的不同要求而灵活调整。不同尺寸及形状的光收集器的设计有不同的性能价格比。图6、图7、图8为本实用新型设计的三种典型建筑物顶部安装光收集装置的外部形状图，三种光收集装置使用的透镜形状可以任意选择，不受图中所画透镜形状的限制。各种光收集装置的尺寸可根据实际情况而调整。
图9为建筑物向阳侧墙壁外安装光收集装置侧剖视图。透镜5以一定角度安装在固定装置20上，安装角度根据不同地点的经纬度以及建筑墙壁的朝向来确定。建筑物向阳侧墙壁外安装光收集装置可以根据建筑物外墙的形状制成不同的形状，这样做可以不破坏建筑的整体美观，同时安装也较简单方便，也可以做成不同的形状来增强其美观效果。建筑物向阳侧墙壁外安装光收集装置的光收集及传输过程同建筑物顶部安装光收集装置相同。
图10为光集中盒18的剖面图。光缆11可以方便地通过接头22连接到光集中盒18上，每个光集中盒可以连接多条光缆11，由光缆11传输过来的光经付氏透镜23聚焦后汇聚在较大的光缆19。
图11为光通过透镜后的折射示意图。由
图11可以看出自然光中不同波长的光经透镜聚焦后折射的角度不同，红外线24b折射角最小，紫外线24c折射角最大。通过调整光缆19a和19b与透镜之间的距离V，使红外线24b汇聚到光缆19a，可见光24a汇聚到光缆19b，紫外线24c汇聚在光缆之外，利用光集中盒18内壁的紫外光吸收涂层(图中没有标出)将紫外光吸收。在天气炎热的季节，可以将传输红外线的光缆19a连接到光-热转换器或光-电转换器。如果考虑其成本问题，也可以将红外线滤除，方法是
图11中的付氏透镜23在制造过程中均匀混入锡渗透的氧化铟粉末(ITO)，所混入ITO粉末的性能参数如下xy色度坐标x轴0.220-0.295；y轴0.235-0.352。晶格参数10.110-10.160。此方法制造的透镜可以吸收90％的红外线。
能够吸收红外线的付氏透镜和能够使红外线透过的透镜可以在季节变换时方便地更换。在天气较寒冷的季节，可以将光缆19a和19b均连接到
图12所示的主干光集中盒34，以增加引入到室内照明用光的能量，一方面使环境更加舒适，另一方面可节省室内取暖所消耗的能量。主干光集中盒34的工作原理和过程与光集中盒18相同。
还可以选择以下的处理方式。光集中盒18中只将紫外线滤除，可见光和红外线同时经光缆19传输至主干光集中盒34，在主干光集中盒34中将可见光与红外线分离，分离后的红外线传导至光-热或光-电转换装置进行能量转换，或者通过变换主干光集中盒34中的透镜滤除红外线，或者将红外线传输进主干光缆4。
图12为光传输主干结构图。光缆19传输的光经主干光集中盒34进一步汇聚后传输至主干光缆4，主干光缆4经适当途径如电井进入建筑物内，在有照明需求的楼层经主干光分配盒32将光分为两束一束光经光缆25b传导至远端光分配盒35，经远端光分配盒分散后传导至末端光缆26，末端光缆26连接光发散器9(
图1)进行发散，用做照明；另一束光经光缆25b继续传导给其他有照明需求的场所，并在需要的地方安装主干光分配盒及远端光分配盒。
光在光缆中的传输采取逐步汇聚-逐步分散的结构。直接连接各个光收集透镜的光缆11首先通过光集中盒将光汇集在光缆19中，多条光缆19通过主干光集中盒将光集中后连接至主干光缆4，所有的光最终都通过主干光缆4传输至室内。通过这种逐步汇聚的方式，无论光收集装置的透镜组中那些透镜在收集阳光，都会将光传输至主干光缆，可以保证光传输的不间断。这种逐步汇聚的另一个优点是可以节省大量的光缆。主干光缆4通过适当途径进入室内后，在需要照明的楼层或区域利用主干光分配盒32将光分为两束，主干光分配盒的分配片33所处位置根据对两束光光强度的不同需求而调整。光缆25b传输的光进一步利用远端光分配盒35再次分配给多条末端光缆26，在光分散过程中，主干光分配盒与远端光分配盒可以根据实际需要灵活添加，但每经过一个光分配盒，光的强度将有所衰减，所以在设计时应尽量少地使用光分配盒。
光传输用光缆的内芯光纤可以是石英玻璃光纤，也可以是塑料光纤。
由末端光缆26传输到工作区的光经光发散器进行发散，本实用新型示例了以下三种光发散器。
图13为本一种棒形光发散器。发散器27为透明有机或无机物质中均匀混合反光或折光微粒制成，光由末端光缆26射出后在发散器中经过多次反射后均匀发散。此中发散器的优点是体积小、安装方便。
图14为本实用新型设计的一种平面光发散器。发散器由背部反光涂层30、发散面板31构成，发散面板31使用的材料同发散器27相同。光通过光缆26传导至发散器后，通过发散器以平面的形式向外部发散。此种发散器的优点是光发散均匀、照明面积大。
光发散器27和光发散器31的制作示例如下将透明材料如聚甲基丙烯酸甲酯的预聚物中均匀混合40wt％二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒粒度分布在1-50微米，在70-150℃使混合物聚合在预定模具中，得到需要的发散器及发散面板。
图15为本实用新型设计的透镜组发散器。光由末端光缆26射出后利用透镜组28将光散射。此种发散器的特点是光强集中，可以用来进行特定部位的照明。
各种发散器可以相互配合进行照明，能够充分满足人们对不同照明效果的要求。
权利要求1.一种阳光引入室内装置，包括利用透镜使光汇集至光传输部分的光收集部分；将光收集部分收集的光传输到室内的光传输部分；将光传输部分传输到室内的光在室内需要的地方发散的光发散部分；将照明过程中不需要的红外线转换为热能或电能的光-热、光-电转换部分；其特征在于光收集部分由防护罩、透镜组和透镜组支撑结构构成；透镜组利用支撑结构安装在透明防护罩之下；透镜表面有以表面几何中心为中心的同心圆凹槽，形成付氏环，透镜从表面到尾部呈锥形；通过透镜组将光汇集在光传输部分的光纤端面；光传输部分包括光缆、光集中盒、光分散盒；光缆之间的连接采用模块化接口；光汇聚时，同透镜连接的光缆在光收集装置的防护罩内部通过光集中盒汇聚；光缆可以方便地通过接头连接到光集中盒一侧，每个光集中盒可以连接多条光缆，光集中盒中设有付氏透镜；光集中盒另一侧连接有较大的光缆；较大的光缆再经过一个主干光集中盒并进一步与主干光缆连接；光分散时，主干光缆通过主干光分散盒逐级传至末端光缆，将光传导至光发散部分；主干光分配盒中设有分配片；光发散部分可以是透镜组，也可以是透明物质中均匀混合光反射或光折射微粒的光发散器。
2.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜表面可以是凸起球面。
3.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜表面可以是内凹球面。
4.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜表面可以是平面。
5.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜的正面为圆形。
6.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜的正面为矩形。
7.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透镜的正面为正六边形。
8.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于防护罩为顶部呈球面的圆柱形。
9.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于防护罩呈圆錐形。
10.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于防护罩呈圆柱形。
11.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于防护罩形状与建筑物向阳侧外壁形状相同。
12.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于主干光分配盒中的分配片可以调整位置。
13.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于透明防护罩的材料可以为玻璃、塑料透光性强的物质。
14.如权利要求1所述的阳光引入室内装置，其特征在于光缆可以是石英玻璃光导纤维、塑料光导纤维。
专利摘要一种将阳光引入室内装置,包括光收集部分、光传输部分、光发散部分。光收集部分透镜组利用支撑结构安装在透明防护罩之下。透镜表面形成付氏环。透镜从表面到尾部呈锥形。光传输部分包括光缆、光集中盒、光分散盒。光汇聚时,同透镜连接的光缆通过光集中盒汇聚;逐级与较大的光缆连接,直至与主光缆连接。光集中盒中设有付氏透镜。光分散时,主干光缆通过光分散盒逐级传至末端光缆,将光传导至光发散部分。光发散部分可以是透镜组,也可以是透明物质中均匀混合光反射或光折射微粒的光发散器。该装置适用于温室、地下商场、停车场、办公楼等一切白天需要照明而阳光又难以照射到的场所,成本较低。
文档编号G02B3/08GK2480861SQ0023814
公开日2002年3月6日 申请日期2000年7月3日 优先权日2000年7月3日
发明者谭洪源 申请人:谭洪源