一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置

摘要

本发明公开了一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置，太阳光收集传导装置包括采光导管，其内壁附着有第一光学反射膜，用于为太阳光提供180度广角的入射端面；聚光导管，一端与采光导管的出射端面连接，内壁附着有第二光学反射膜，用于对采集的太阳光耦合聚光后进行反射式传播；柔性传光导管，内壁附着有第三光学反射膜，用于接收所有进入柔性传光导管内的光线并实现长距离无损传输。本发明在保持光导管的柔性传光和低传输损耗的前提下，极大地增加装置的收光角，使得不存在全反射临界角的限制，可适当降低机械装置的运动次数和对准精度要求，降低了机械结构故障率、大大提高了装置的寿命；提高光导管耦合效率，实现低成本、高效率、长距离的太阳光传导照明。

权利要求

1.一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置，其特征在于，包括：

采光导管(1)，其内壁附着有第一光学反射膜，用于为太阳光提供180度广角的入射端面，采集的太阳光在导管中进行反射式传播；所述采光导管(1)包括第一导管，所述第一导管的口径范围为50cm～200cm；所述第一光学反射膜的反射率大于50％；

聚光导管(2)，其为倒锥形结构，一端与所述采光导管(1)的出射端面连接，内壁附着有第二光学反射膜，用于对采集的太阳光耦合聚光后进行反射式传播；所述第二光学反射膜的反射率大于50％；聚光导管(2)包括锥形腔体和导管连接器；所述锥形腔体的锥面倾角γ的范围为0-30°以及柔性传光导管(3)，其前端与所述聚光导管(2)的另一端固定连接，内壁附着有第三光学反射膜，用于接收所有进入柔性传光导管内的光线并实现长距离无损传输；所述第三光学反射膜的反射率大于75％；

所述柔性传光导管(3)包括第二导管，设置在所述第二导管前端且用于与所述聚光导管(2)固定的卡槽、设置在所述第二导管的尾端且用于与后级扩束照明灯罩连接的连接件；

第二导管为可弯折的塑料管。

2.如权利要求1所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述采光导管(1)还包括：设置于所述第一导管顶部的承重结构以及设置于所述第一导管尾部的卡槽。

3.如权利要求1所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述采光导管(1)还包括：设置于所述第一导管顶部的承重结构以及设置于所述第一导管尾部的骨架。

4.如权利要求2或3所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述第一导管的口径范围为50cm～200cm。

5.如权利要求3所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述骨架为扇形网格状结构或者圆形网孔结构。

6.如权利要求1所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述锥形腔体的锥面倾角γ的范围为0-10°。

7.如权利要求1所述的太阳光收集传导装置，其特征在于，所述聚光导管(2)还包括设置在所述锥形腔体顶部的耦合透镜，用于对光束进行聚焦。

说明书

一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置

技术领域

[0001] 本发明属于光导照明技术领域，更具体地，涉及一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置。

背景技术

[0002] 在倡导绿色资源、追求可持续发展的国际化浪潮下，充分利用太阳能这一清洁能源成为人们关注的话题。由于目前光伏发电技术的能量转化效率低，直接将太阳光通过光导管引入室内照明的技术受到各方青睐。

[0003] 目前光导照明中多采用大口径钢结构光导管，其优点是无论以何入射角进入光导管的光线都可在内壁进行反射从而传入室内。这种方法不需要光导照明装置的采光面实时随太阳精准移动，从一定程度上降低了装置的故障率和维护成本；其缺点是由于导光管道口径大，需要在楼层中占用较大空间，且无法柔性导光，同时阳光损耗较大导致无法长距离传输。

[0004] 另一种光导照明技术是采用石英光纤作为传光介质。其优点是石英光纤损耗低，阳光可以长距离传输；其缺点是光纤的收光孔径角很小且很难增大(由其纤芯和包层的折射率差确定)，因此需要光导照明装置的采光面必须实时十分精准的正对阳光入射方向以保证经透镜聚焦后的光线能够进入光纤传输，从一定程度上加大了装置的故障率和维护成本。

发明内容

[0005] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置，目的在于保持光导管的柔性传光和低传输损耗的前提下，极大地增加太阳光收集的孔径角，提高光导管耦合效率，实现低成本、高效率、长距离的太阳光传导照明。

[0006] 本发明提供了一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置，包括采光导管，其内壁附着有第一光学反射膜，用于为太阳光提供180度广角的入射端面，采集的太阳光在导管中进行反射式传播；聚光导管，其为倒锥形结构，一端与采光导管的出射端面连接，内壁附着有第二光学反射膜，用于对采集的太阳光耦合聚光后进行反射式传播；以及柔性传光导管，其前端与聚光导管的另一端固定连接，内壁附着有第三光学反射膜，用于接收所有进入柔性传光导管内的光线并实现长距离无损传输。

[0007] 作为本发明的一个实施例，采光导管包括由硬质材料形成的第一导管、设置于所述第一导管顶部的承重结构以及设置于所述第一导管尾部的卡槽。

[0008] 作为本发明的另一个实施例，采光导管包括由硬质材料形成的第一导管、设置于所述第一导管顶部的承重结构以及设置于所述第一导管尾部的骨架。其中，骨架为扇形网格状结构或者圆形网孔结构。

[0009] 其中，第一导管外表面设置有螺纹，所述第一导管中上部设置有环形卡槽。第一导管的口径范围为50cm～200cm。

[0010] 在本发明实施例中，柔性传光导管包括第二导管、设置在第二导管前端且用于与所述聚光导管固定的卡槽、设置在第二导管的尾端且用于与后级扩束照明灯罩连接的连接件。

[0011] 其中，第二导管为可弯折的塑料管。

[0012] 在本发明实施例中，第一光学反射膜的反射率大于50％、第二光学反射膜的反射率大于50％、第三光学反射膜的反射率大于75％。

[0013] 在本发明实施例中，聚光导管包括锥形腔体和导管连接器；所述锥形腔体的锥面倾角γ的范围为0-30°。

[0014] 优选地，锥形腔体的锥面倾角γ的范围为0-10°。

[0015] 作为本发明的一个实施例，聚光导管还包括设置在所述锥形腔体顶部的耦合透镜，用于对光束进行聚焦。

[0016] 本发明在光导照明领域提出了全新的导光方式，通过对柔性光导管内表镀层的方式实现了允许全角度光线在导管内部进行几乎无损传播的目标；具有以下优点：

[0017] (1)180度全角通光。现有光纤由于利用光纤材料的全反射特性进行传光，受到光纤内外折射率限制，其收光孔径小且很难增大，必须使用精度极高的日光追踪、对准装置，这就导致了系统易老化、精准度不够、维护成本高的问题，本发明利用柔性材料内表的化学薄膜进行不同于全反射原理的高反射无损导光，不受全反射临界角限制，允许全角度通光，解决了目前光纤导光所遇到的技术难题。

[0018] (2)柔性导光。目前市面上不同于光纤导光的另一种太阳光收集传导装置为利用钢制管道直接收光进行传导，进入所需照明区域。此种装置由于钢制管道的口径一般设置得较大，不需进行日光实时追踪，但管道口径大，占用空间大，无法实现柔性弯曲，只能进入室内最高层进行照明。本发明由于使用柔性材料，允许柔性导光，且导光口径小、安装方便，适于多楼层、较长距离、可弯折式导光。本发明在选材上使用柔性材料，可根据实际情况进行弯折以便于将日光导入室内。

[0019] (3)新增聚光导管以保证低损耗。传统的阳光收集传导装置仅是在采光结构后耦合导管直接进行传光。而本发明在结构上新增一级锥形聚光导管，可根据实际情况选择透镜透射式、反射膜反射式或二者相结合。一方面对光束进行聚焦，减小装置总的传光口径，另一方面根据实际需求决定锥形体具体参数以求达到最低传光损耗。

[0020] (4)减少机械结构运动次数。传统的日光追踪式阳光收集传导装置需要使用控制器控制电机带动采光面跟随太阳实时移动以确保能够将不同角度照射到地球上的光的入射角控制在光纤的全反射临界角之内，从而在光纤中进行传播。这就导致装置的机械结构运动次数和精准度要求相应增大。而本发明由于不存在全反射临界角的限制，可适当降低机械装置的运动次数和对准精度要求，从而降低了机械结构故障率、大大提高了装置的寿命，维护成本极低，便于进行市场推广。

[0021] (5)轻便易安装。本发明在结构上将大口径硬质集光管道通过锥形耦合聚光管道逐步过渡至小口径柔性传光导管，轻巧方便，占用空间小，简化安装，在基本不影响当前空间设施排列的情况下进行绿色日光照明。本发明设置前后级连接件及卡槽，安装工人仅需在楼层中进行钻孔安装和器件组装，简化施工工程。

附图说明

[0022] 图1为本发明结构组成示意图；

[0023] 图2(a)为本发明反射式聚光导管光路图；

[0024] 图2(b)为本发明透射式聚光导管光路图；

[0025] 图3(a)为普通光纤传光光路图；

[0026] 图3(b)为本发明传光导管传光光路图；

[0027] 图4为本发明采光导管剖面图；

[0028] 图5为本发明采光导管下底横截面图；

[0029] 图6(a)为本发明透射式锥形聚光导管横截面图；

[0030] 图6(b)为本发明反射式锥形聚光导管横截面图；

[0031] 图7为本发明柔性传光导管剖面图；

[0032] 其中，1为大口径采光导管；2为倒锥形聚光导管；3为柔性传光导管；11为太阳能集光器固定锁环；12为太阳能集光器固定卡槽；13为太阳能集光器支撑杆；14为收光管道外壁；15为收光管道内壁；16为收光管道支撑架；17为收光导管底面骨架；21为收束透镜上表面；22为收束透镜下表面；23为锥形聚光导管外表面；24为固定螺钉；25为传光导管连接器；31为传光导管外层外表面；32为传光导管外层内表面；33为传光导管内侧镀膜层。

具体实施方式

[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0034] 本发明实施例提供了一种新型太阳光收集传导装置，在保持光导管的柔性传光和低传输损耗的前提下，极大地增加太阳光收集的孔径角，提高光导管耦合效率，实现低成本、高效率、长距离的太阳光传导照明。

[0035] 本发明提供了一种基于空芯柔性光导管的太阳光收集传导装置，如图1所示，由大口径采光导管1、锥形聚光导管2和柔性传光导管3三部分构成。采光导管1是一种内壁镀制光学反射膜的硬质管道，口径较大，使得通光量较大以采集太阳光；聚光导管2是一种内壁镀制光学反射膜的倒锥形结构管道，采光导管采集的太阳光通过聚光导管耦合进入柔性传光导管3；柔性传光导管3是一种柔性材料空芯导管，在空芯导管的内壁上制备髙效光学反射膜(反射率应大于75％)，可接收所有能够进入柔性传光导管的光线并实现长距离导光传输，可以很好地解决现有技术难题。

[0036] 本发明作为日光导入系统的后级传导设备，安装在日光聚焦透镜之后；如图1所示，分为大口径采光导管1、锥形聚光导管2和柔性传光导管3三部分。根据具体安装位置的不同对设计参数(如采光导管的口径、锥形导管的锥面倾角、三部分过渡连接件的形状)进行微调(原则上应选取大口径保证光通量，选取的锥面倾角应保证光线在端面处以最大入射角入射以减小收束过程中的反射次数从而降低损耗，需综合考虑安装空间并结合光路仿真软件进行拟合选取)，以使得导光性能最佳、效率最高。大口径采光导管为透镜聚焦后的日光提供高达180度广角的入射端面，日光在管道中进行反射式传播；通过锥形耦合导管近乎无损地将日光送入小口径柔性传光导管，最终进入室内进行绿色、安全照明。

[0037] 在本发明实施例中，大口径采光导管1可以由硬质材料(如金属材料)制成。采光导管的采光能力随口径的增大而相应增大，综合考虑具体所占用空间和收光量与最终照明效果，其最佳口径范围为50cm～200cm。采光导管顶部设置承重结构及固定螺纹孔，便于与其上太阳能聚焦透镜相连接。采光导管尾部设置卡槽以固定后级锥形耦合结构。采光导管外表面设置有螺纹，方便固定和安装。采光导管中上部设置环形卡槽以固定于楼层地表。

[0038] 在本发明实施例中，聚光导管2可以为透射式锥形聚光导管，也可以为反射式锥形聚光导管。对光线进行收束以便于在口径较小的镀层塑料光纤中进行传播。锥形聚光导管的锥形倾角根据实际情况确定。如图2(a)所示，对于反射式锥形聚光导管。记锥面倾角为γ，为保证光线在耦合结构内部沿正向朝后级传光导管方向传输，此处考虑临界入射光线，即：经锥形端面反射后的光线沿锥面法线方向出射。则此时在锥形端面上的反射角和入射角均为2γ。记锥形端面入射点处法线与铅垂线夹角为α。日光入射至装置硬质结构收光导管时与铅垂线夹角为β。日光入射至硬质结构反射端面时入射角为δ。则可得：

[0039] α＝2γ+β

[0040] α+γ＝π/2

[0041] 进而推出

[0042] β＝(π/2)-3γ

[0043] 要使得整个装置的收光角β尽量大，在满足光线正常传播的前提下，锥面倾角γ应当尽量小，一般锥面倾角γ的范围在0-30°，优选为0-10°,可使得当日光在60度范围内移动时，装置保持不动仍可有光线导入室内。

[0044] 考虑到整个装置的长度一方面可将后级设为传光导管束，另一方面则可将锥形聚光导管的上部加一聚光透镜，即如图2(b)所示透射式锥形聚光导管。光线进入硬质结构收光导管后首先经过聚光透镜进行收束，再在锥形内壁进行反射，锥形端面处入射角为 在保证传输损耗较低的条件下，一方面减小了反射次数，另一方面可适当增大锥形聚光管的倾角度数以缩短整个装置的长度，节省空间。

[0045] 锥形聚光导管2的上表面形状视实际情况而定，在无特殊要求时推荐使用易加工的圆形件。锥形聚光导管能够保证光线在经过透射或反射后进入后级光纤端面，且保证低传输损耗。

[0046] 在本发明实施例中，柔性传光导管3可以为单一导管，也可为导管束。柔性传光导管3的内表面经特殊工艺镀有薄膜层(如金属层)，使得内壁为高反射率状态(反射率大于75％)，光线通过反射沿管道传播。柔性传光导管主体为柔性材质(如塑料)，可在一定程度上根据具体安装位置进行弯折和调整。柔性传光导管前端设置固定卡槽，便于与前级锥形聚光管进行连接。柔性传光导管尾端设置连接件(可为金属或其他材质)，便于施工过程中后级扩束照明灯罩的组装。柔性传光导管可以是一根光导管，也可以传光导管束，根据所需照明区域的个数和亮度来进行灵活调整。

[0047] 本发明在光导照明领域提出了全新的导光方式，通过对柔性光导管内表镀层的方式实现了允许全角度光线在导管内部进行几乎无损传播的目标。

[0048] (1)180度全角度通光。现有光纤利用光纤材料的全反射特性进行传光，受到光纤内外折射率限制，只能传播入射角在全反射临界角i范围以内的光线。如图3(a)所示，对于传统石英光纤而言，纤芯折射率大于包层折射率，根据菲涅尔公式n1sin i＝n2sin r……(1.1)；当r＝90°时，相当于无透射光线，即当： 光线发生全反射，在纤芯与包层界面出透射而出的为倏逝波，不损耗光能量，此时光线能量被束缚在纤芯与包层界面之内，可无损地沿轴向进行传播。i为发生全反射的临界角，对于大于此临界角入射的光线，则会发生透射和反射，光能量随透射次数的增加而不断损失，最终无法传播。
对于此类依靠全反射传播光线的光纤，由于临界角的限制，其收光孔径小且很难增大，运用于光导照明系统作为收集传导装置时，必须使用精度极高的日光追踪、对准装置，这就导致了系统易老化、精准度不够、维护成本高的问题。如图3(b)所示，本发明利用柔性材料内表的化学薄膜进行不同于全反射原理的高反射无损导光，不受全反射临界角限制，即时入射角大于全反射临界角i的光线也可进行高反射率的反射，由于透射损耗小，光线可以沿导管轴向进行传播。即本发明允许全角度通光，解决了目前光纤导光所遇到的技术难题。

[0049] (2)柔性导光。目前市面上不同于光纤导光的另一种太阳光收集传导装置为利用钢制管道直接收光进行传导，进入所需照明区域。此种装置由于钢制管道的口径一般设置得较大，不需进行日光实时追踪，但管道口径大，占用空间大，无法实现柔性弯曲，只能进入室内最高层进行照明。本发明由于使用柔性材料，允许柔性导光，且导光口径小、安装方便，适于多楼层、较长距离、可弯折式导光。本发明在选材上使用柔性材料，可根据实际情况进行弯折以便于将日光导入室内。

[0050] (3)新增聚光导管以保证低损耗。传统的阳光收集传导装置仅是在采光结构后耦合导管直接进行传光。而本发明在结构上新增一级锥形聚光导管，可根据实际情况选择透镜透射式、反射膜反射式或二者相结合。一方面对光束进行聚焦，减小装置总的传光口径，另一方面根据实际需求决定锥形体具体参数以求达到最低传光损耗。

[0051] (4)减少机械结构运动次数。传统的日光追踪式阳光收集传导装置需要使用控制器控制电机带动采光面跟随太阳实时移动以确保能够将不同角度照射到地球上的光的入射角控制在光纤的全反射临界角之内，从而在光纤中进行传播。这就导致装置的机械结构运动次数和精准度要求相应增大。而本发明由于不存在全反射临界角的限制，可适当降低机械装置的运动次数和对准精度要求，从而降低了机械结构故障率、大大提高了装置的寿命，维护成本极低，便于进行市场推广。

[0052] (5)轻便易安装。本发明在结构上将大口径硬质集光管道通过锥形耦合聚光管道逐步过渡至小口径柔性传光导管，轻巧方便，占用空间小，简化安装，在基本不影响当前空间设施排列的情况下进行绿色日光照明。本发明设置前后级连接件及卡槽，安装工人仅需在楼层中进行钻孔安装和器件组装，简化施工工程。

[0053] 如图4所示，本发明采光导管剖面图。所述采光导管由硬质导管、顶部支撑杆、底部固定架组成。所述采光导管(可以为柱形或其他形状)为硬质材料(如钢制材料)，安装于房屋、楼层顶部或室外空地处。硬质结构一方面起支撑作用，便于安装固定。另一方面由于光线在采光导管内经反射后进入后级锥形聚光导管，为使得两级耦合参数匹配稳定以保证最低耦合、传输损耗，必须保证裸露于外部的采光导管结构稳定，硬质材料可以很好的满足这一要求。采光导管的口径根据实际需要进行设定，其口径大小影响到相同条件下系统通光量大小，以室内60w白炽灯为标准，经过计算后，采光导管的通光口径在50cm～200cm为最佳。在日光照明系统中，采光导管顶部与太阳能集光器相连接。硬质结构管道上部设有集光器支撑杆13，支撑杆上部设有用于固定集光器的卡槽12，通过固定锁环11旋转锁紧。管道外壁14刻有螺纹起到防滑避震作用。内壁15光滑镀有高反射率(反射率应大于50％)光学薄膜(如在PET树脂中掺杂HR高分子光学剂及增塑剂制备而成的光学薄膜)，能在最大程度上减小光能量的损失。结构下部设置有支撑架16(可以为三脚支撑架或其他结构形状)，起到防护、固定作用。

[0054] 如图5所示，。采光导管下底可选择性地安装骨架(可为扇形网格状、圆形网孔状或其他形状)，一方面起到固定安装后级锥形聚光管的作用，另一方面可根据实际所需对前级光线进行光束分散，将日光导引到多个、不同的照明区域内。底面通过骨架17将其分为小口径的几个独立分格。光线分别进入各个独立分格进行传播。

[0055] 如图6所示，本发明锥形聚光导管横截面图。所述锥形聚光导管2可以有透射式(图6(a))和反射式(图6(b))两种结构。锥形聚光导管由耦合透镜(若为反射式结构则无所述透镜)、锥形腔体、导管连接器组成。透射式锥形聚光导管利用顶部透镜将光束进行聚焦，以保证光线被收束至后级传光导管口径大小以内，再经过锥形腔体的内腔壁反射进入传光导管；反射式锥形聚光导管根据实际情况设置倾角参数，使得入射光线经过反射后被收束，进入传光导管。透射式聚光导管可减小反射次数，一次性将光束口径减小，反射式聚光导管可简化工艺，通过几次反射最终使得光线入射到传光导管端面。实际选择时需根据所选透镜的透射率和所镀光学反射膜的反射率(为保证传输效果，此处反射率应大于50％)综合考虑损耗因素进行方案选定。当所选透镜材质的透过率小于光线在锥形内壁反射率之积时，应当优先选择反射式聚光导管。图中21为透射式锥形聚光导管收束透镜上表面，22为收束透镜下表面，23为锥形聚光导管外壁。锥形聚光管通过连接器25与传光导管相连，同时通过锁紧螺钉24进行固定。

[0056] 如图7所示，本发明柔性传光导管剖面图。柔性传光导管3经过镀膜工艺将柔性材料内壁镀有高反射率薄膜(如金属薄膜)。传光导管3外层为柔性材料，可弯折，方便铺设和空间最大化利用。31为导管外层外表面，32为导管外层内表面。导管内层表面32镀有反射膜层33，使得光线在传光导管中的轨迹为近乎于全反射式无损传播但又不被全反射临界角所局限。达到整个装置全角度、高效传光的目的。

[0057] 本领域的技术人员容易理解，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。