[实用新型]光纤节能采光装置

说明书

技术领域

本实用新型属于太阳能应用技术领域，特别涉及利用光纤对太阳光光线的传导性能来设计的采光与照明装置。

背景技术

由于建筑设计中所存在的一些问题与矛盾，现在，许多的建筑物内部都需要在白天开灯来获得合理的照度。相当大量的建筑，如：大面积的办公楼宇、中小学的教学楼、一些急需改造的开间小进深大的老房子、黑房间、地下室等等，都需要在白天的时候用人工光照来解决采光的问题。另外，一些特殊的场合，如水下作业、危险品生产区域、矿井下作业等，用电照明显然容易造成危险，而在对文物或是一些艺术品进行照明的时候，直接的人工光照也会对这些贵重物品造成损害。这时候，采用光纤照明就更为合适。

无论在国内或是国外，采用光纤来进行太阳光光线采集和传输的研究早已经开始了，但是结果多数都不是非常理想。由于光线是严格按照光学路线来传播的，日光方向在一年四季中的每一天里的每一个时刻都在不停的变换，而入射到光纤头的光线也必须满足光纤材料所能够允许的入射角。因此，对太阳光入射的方向不加以深入研究是根本无法实现对太阳光的直接传导的。

在我国现有的专利中，有一项涉及这个领域的题为“太阳能光纤照明装置”的专利(申请号为97247820)，该专利公开的技术方案如图1所示：该装置由聚光曲面1将自然光反射至光导纤维3中，再传至暗箱4内作为光源，凸透镜9将光线会聚至光导纤维5中，通过光导纤维5而传至任何需照明处发光照明，而夜晚利用电灯泡作为暗箱4内的发光源。

这个专利有四个非常大的漏洞：

1.阳光的方向不停的变化，单采用一个聚光曲面，靠反射的方式来让光线反射到光纤头是不可能的。因为平行入射光方向不同，凹面镜并不能将反射光都汇聚到焦点上，而是会根据日光方向发生汇聚方向的变化，该变化的范围很大，不能保证完全汇聚到光纤头；

2.聚光曲面1是“安装在楼顶或户外阳光能直接照射的地方，内表面是由许多小平面镜铺成...”。这种做法对于集中太阳能的热量是可行的，可是由于光线对反射面的精度要求非常苛刻，用小平面镜来达到对光线的高度聚合光难以实现；

3.“小平面镜上铺上一层塑料膜，以防强光烧坏光纤头”。这种做法则完全是一种认识上的错误。反射面应该保持很好的反光性能，这样才可以将入射的光线尽可能的射入光纤，而不在入射端就产生很大的光损耗。而采用“一层塑料”，除了降低反射性能之外，完全不能防止“强光烧坏光纤头”。

4.中间部分采用黑箱，将光线“传至暗箱4内作为光源，凸透镜9将光线会聚至光导纤维5中”这更是一种完全没有进行研究的说法。虽然在说明书中陈述了“暗箱4内表面上镀上水银以减少光的损耗，发光源发出的光线经凸透镜9会聚至光纤头5a端，再通过光导纤维5传至光纤头5b端发光照明”。但其实，在光纤将光线传导到暗箱中的时候，由于暗箱中间的空间必须容纳其中的灯泡，而从光纤端出射的光线也绝对不是平行光，因此，光线在这样大的空间中的多次反射并不能保证通过透镜以后能够射入到另外一段的光纤头中，而且即使达到了那个光纤头上的光线，也有可能因为超过了光纤端要求的入射角(该数值根据不同的光纤材料而有所不同)而无法入射到下面的光纤中间。这里几乎可以损耗掉入射的全部的光能。

相比起上面这个缺乏考虑的专利，由国外一些物理研究所进行的试验算是比较完善一些。它们采用的采集和传播日光的方式，如图2所示。整个装置由追随太阳光方向的接收器21、光纤23与反光部分24组成。阳光通过追随太阳光方向的接收器21上的透镜或菲涅尔透镜22，将光线聚集到光纤或光纤束23的一端23a。然后再由光纤23传导到它的另外一端23b上，通过反光罩24将光线传导到需要照明的地方。在这些研究中，为了得到最多数的阳光入射，接收器21要根据各方向的光强比较而随太阳转动。利用透镜22的聚光原理，将光线直接聚合到光纤头上。这种情况下，要求接收器21就象向日葵那样精确的跟着太阳转动。

这种做法虽然在试验上取得了一定的成功，但是无法推广开来，这是因为：

1.精密的追随太阳的设备成为这个设计中最根本的解决日光入射角变化的这个问题的手段，但是这个昂贵的东西使得整个装置大大的提高了整套装置的成本，而其对精度要求也非常的高，这样才能做到足够的灵敏。

2.这种随着太阳转动的装置要求整个结构非常坚固，这样才有可能具有耐用的性能。但是这也给装置的安装带来了一个大的难题。要保证这个装置在不同的气候和风力下都能够稳固，使得施工困难很大。

因为上面各种类似装置所存在的问题，将太阳光直接导入的想法一直无法获得推广与运用。

发明内容