СОЛНЕЧНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК F21V33/00 

Изобретение относится к осветительной технике и строительству, а именно к системам для получения равномерного светового потока, и может быть использовано в устройствах, способствующих созданию комфортной световой среды в помещениях и использующих солнечное излучение.

В настоящее время проблема создания экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Устройства, используемые в настоящее время для регулирования светового потока помещений, требующих дополнительного освещения, являются недостаточно эффективными вследствие ряда причин. Дополнительное естественное освещение таких помещений требует наличия дополнительных приспособлений типа штор, защитных экранов, обеспечивающих защиту помещения от попадания прямых солнечных лучей, и не может быть осуществлено освещение помещений, расположенных с северной стороны здания, где солнце никогда не появляется. Такие устройства приводят к нарушению эстетичности интерьера и убранства как помещения, так и здания в целом.

Известно осветительное устройство, содержащее источники света, расположенные на равном расстоянии одно от другого и установленные в ряды по отношению друг к другу под углом 90^о, и плоские зеркала, размещенные напротив этих рядов под углом 45^о к оптическим осям источников света и установленные так, что проекция длины каждого зеркала на один из рядов источников света равна половине расстояния между этими источниками света (см. авторское свидетельство СССР N 626309, кл. F 21 V 9/02, 1978).

Однако известное устройство использует несколько искусственных источников света, что усложняет его конструкцию и повышает стоимость, и не обеспечивает равномерного распределения освещенности по всему помещению и снижения яркости посылаемого излучения до необходимого уровня при освещении помещения. Поэтому требуется либо регулирование мощности источников света, либо наличие защитных, например шторных, регуляторов. Не обеспечивается эффективное использование излучения (преобразование не используемой части его в другие виды энергии для технических нужд и обеспечения функционирования самого устройства.

Наиболее близким по технической сущности является солнечное устройство, включающее поворотный экран, закрепленный на нижней горизонтальной стороне обрамления проема и выполненный из двух шарнирно соединенных и последовательно установленных от проема секций, каждая из которых снабжена гелиоприемником с отводящими энергию элементами, с защитным покрытием, размещенным на дальней от проема секции экрана и выполненным в виде оболочки, имеющей форму усеченного сегмента кругового тора из материала с высокоотражающей в видимой области спектра и высокопропускающей в инфракрасной области спектра способностью, и механизм поворота экрана с приводом, выполненный в виде телескопических консолей, закрепленных на обрамлении ниже узла крепления экрана, а свободный конец каждой консоли соединен с дальней от проема секцией экрана, при этом отводящие энергию элементы пропущены через телескопические консоли (см. Авторское свидетельство СССР N 1560723, кл. E 06 B 9/24, 1990).

Однако известное устройство не обеспечивает равномерного распределения по всему помещению светового излучения и снижения его яркости до необходимого уровня при освещении помещения. Поэтому требуются дополнительные защитные экраны против ослепляющего действия прямых солнечных лучей, которые располагаются на проеме следующего по высоте помещения от освещаемого участка. Это усложняет конструкцию устройства. Кроме того, нарушается эстетичность интерьера.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей использования естественного источника света и исключение ослепляющего воздействия отраженных от зеркал прямых солнечных лучей путем их рассеивания.

Это достигается тем, что в солнечное осветительное устройство, включающее поворотный экран, каждая секция которого снабжена гелиоприемником, отводящий энергию элемент и механизм зенитального и азимутального поворота экрана с приводом, введены светорассеивающие элементы, установленные на каждом освещаемом участке по числу секций экрана, установленного на опоре, и оптически сопряжены с соответствующим гелиоприемником, каждый гелиоприемник выполнен по крайней мере из одного плоского зеркала, механизм зенитального поворота экрана с приводом выполнен в виде редуктора, выходной вал которого соединен с зенитальной осью экрана, редуктор снабжен понижающей зубчатой передачей, двигатель связан с ведущей шестерней редуктора, а отводящий энергию элемент выполнен в виде первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии и установлен в центре симметрии экрана, при этом секции экрана расположены симметрично относительно оси его симметрии.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема солнечного осветительного устройства в рабочем положении в течение дня; на фиг.2 - то же, в крайнем восточном положении при его включении.

Устройство состоит из поворотного экрана 1 установленного на опоре 2, каждая секция 3 которого снабжена плоскими зеркалами 4, первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии 5, установленного в центре симметрии экрана, механизма поворота экрана с приводом 6, зенитальный поворот которого выполнен в виде редуктора 7, выходной вал которого соединен с зенитальной осью экрана 1. Редуктор снабжен понижающей зубчатой передачей, двигатель связан с ведущей шестерней редуктора 7, светорассеивающие элементы 8 установлены на каждом освещаемом участке 9 по числу секций 3 экрана 1, расположенных симметрично относительно оси его симметрии и оптически сопряженных с соответствующим плоским зеркалом 4.

В качестве плоского зеркала 4 применяют отражающий элемент, выполненный, например, из алюминиевого сплава АМГ-6 и обработанного оптически по стандартной технологии, например, методом алмазного точения с коэффициентом отражения в видимой области спектра 84-88%.

В качестве первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии 5 используют, например, фотопреобразователь с p-n-переходом на основе кремния, изготовленный по стандартной технологии.

В качестве механизма азимутального и зенитального поворота экрана с приводом 6 применяют широко известные в гелиотехнике механизмы слежения за солнцем, редуктор 7 привода 6 с понижающей передачей представляют собой, например реверсивный двигатель с редуктором РД-09-478.

В качестве светорассеивающего элемента может быть использован, например, корпус, содержащий пакет стеклянных волокон, обеспечивающих симметричную диаграмму направленности рассеивания светового потока или рассеиватели с поверхностью гиперболического параболоида, обеспечивающие равномерное рассеивание по всему освещаемому участку.

Солнечное осветительное устройство работает следующим образом.

Светорассеивающие элементы 8 устанавливают в верхней части каждого освещаемого помещения (участка 9), например в центре потолка, в соответствии с числом секций 3 экрана 1.

Экран 1 устанавливают на опоре 2 в месте, обеспечивающем беспрепятственное освещение плоских зеркал 4 солнечным излучением в течение всего светового дня, например на крыше соседнего с северной стороны от освещаемого помещения (участка 9) дома или на открытой площадке.

При уменьшении уровня естественной освещенности в помещении (участке 9) ниже определенного уровня, определяемого по датчику освещенности, установленному в освещаемом помещении (участке 9), или визуально, ориентируют секции 3 экрана 1 на солнце так, чтобы предварительно оптически сопряженные плоские зеркала 4 каждой секции 3 с соответствующим светорассеивающим элементом 8 соответствующего освещаемого помещения (участка 9) излучали на элементы 8 дополнительное отраженное от них солнечное излучение, увеличивая освещенность помещения (участка 9) до необходимого уровня.

Для этого датчик слежения (на чертеже не показан) через электронную схему посылает электрический сигнал на механизм поворота экрана с приводом 6, перемещающий экран 1 в азимутальной и зенитальной плоскостях по направлению к солнцу так, чтобы отраженное от плоских зеркал 4 каждой секции 3 солнечное излучение попадало на соответствующий рассеивающий элемент 8 соответствующего освещаемого помещения (участка 9). Как только датчик слежения займет оптимальное по отношению к солнцу положение, при котором плоские зеркала 4 секций 3 осуществляют отражение солнечного излучения на соответствующие светорассеивающие элементы 8 соответствующих освещаемых помещений (участков 9), сигнал с датчика слежения перестает поступать на механизм поворота экрана с приводом 6 и экран прекращает перемещение.

При очередном уменьшении уровня освещенности освещаемого помещения (участка 9) в результате изменения положения солнца (ухода отраженного от плоских зеркал 4 солнечного излучения со светорассеивающих элементов 8) датчик слежения вновь через электронную схему посылает электрический сигнал на механизм поворота экрана с приводом 6, перемещающий экран 1 в азимутальной и зенитной плоскостях по направлению к солнцу так, чтобы отраженное от плоских зеркал 4 каждой секции 3 солнечное излучение вновь попадало на соответствующий рассеивающий элемент 8 соответствующего освещаемого помещения (участка 9). Такое перемещение экрана 1 за солнцем осуществляют в течение всего времени, необходимого для подачи дополнительного солнечного излучения к естественному освещению помещения (участка 9), пока оно является недостаточным или пока не скроется солнце.

Оптическое сопряжение солнца через плоские зеркала 4 секций 3 с соответствующими светорассеивающими элементами 8 соответствующих освещаемых помещений (участков 9) возможно только в случае, если экран движется с отставанием в скорости по сравнению с перемещением солнца, т.е. если в равноденствие солнце с востока на запад переместится на 180^о, то экран при слежении за солнцем для обеспечения оптического сопряжения со светорассеивающими элементами 8 переместится только на 90^о. Положение экрана при нахождении солнца строго на востоке показано на фиг.2, угол преломления отраженного плоскими зеркалами 4 от солнца на соответствующий светорассеивающий элемент 8 солнечного излучения составляет 90^о, при этом сам экран находится под углом 45^о к солнечному излучению. При положении солнца строго на западе экран займет положение, противоположное представленному на фиг.2.

Наличием в механизме зенитного поворота экрана с приводом редуктора 7, выходной вал которого соединен с зенитальной осью экрана 1, снабженного понижающей зубчатой передачей, достигают перемещения экрана с запаздыванием по отношению к скорости перемещения солнца. Работа механизма зенитального поворота экрана осуществляется при включении двигателя, связанного с ведущей шестерней редуктора 7. При этом выходной вал, выполненный, например, в виде винта, имеющего два самостоятельных движения: вращение вокруг своей оси и перемещение вдоль нее, заставляет перемещаться связанную с ним, например, через рычаг зенитальную ось, свободно вращающуюся, например, в радиальных подшипниках, установленных в корпусе экрана 1, на телесный угол α, вдвое меньший, чем перемещение солнца за это время на телесный угол 2 α. В результате этого перемещается экран 1 также на телесный угол α.

Система азимутального слежения может быть выполнена в виде редуктора, двигателя и шестерни, расположенной на выходном валу редуктора. В течение всего времени работы солнечного осветительного устройства первичный фотоэлектрический преобразователь, расположенный в центре экрана 1, преобразует световое излучение в электрическую энергию, используемую для электропитания самого устройства (обеспечение электропитанием электронной схемы датчика слежения за солнцем и механизма поворота экрана с приводом 6) и для технических нужд освещаемого помещения (участка 9), для чего, например, днем избыточную электроэнергию накапливают аккумуляторы, а в вечернее время используют на искусственное освещение. При попадании отраженного от плоских зеркал солнечного света на соответствующие светорассеивающие элементы 8, установленные в освещаемом помещении (участке 9), они обеспечивают равномерное безопасное для глаза рассеивание солнечного света равномерно по всему помещению, в том числе и в дальних участках помещения как вверху, так и внизу.

Площадь зеркал, используемых для освещения помещения (участка 9), зависит от габаритов освещаемого помещения и расстояния до него. При размерах освещаемого помещения 5х10х5 м и расстоянии солнечного осветительного устройства до помещения от 50 до 230 м площадь плоских зеркал должна составлять от 0,1 до 0,8 м² в зависимости от уровня естественной освещенности помещения (зимний и летний периоды, облачность).

В предложенном устройстве расширение функциональных возможностей использования естественного источника света и исключение ослепляющего воздействия отраженных от зеркал прямых солнечных лучей за счет их рассеивания достигается за счет преобразования светозащитного устройства (по прототипу) в осветительное (нет необходимости использовать расположенные выше защитные экраны).

При этом рассеивание отраженного солнечного света, происходящее на светорассеивающих элементах, позволяет избегать ослепления солнечными лучами и освещать в основном не только верхнюю часть помещения, а равномерно весь объем помещения.

Использование в механизме зенитального поворота редуктора с понижающей зубчатой передачей позволяет повысить точность слежения экрана за солнцем и КПД освещения помещения а также уменьшить расход электроэнергии на осуществление оптимального слежения экрана за солнцем.

Использование первичного фотоэлектрического преобразователя для преобразования солнечной энергии в электрическую вместо вторичного преобразователя с помощью отводящих энергию элементов позволяет повысить КПД преобразования солнечной энергии и, следовательно эффективность работы всего осветительного устройства в целом.

Использование: в светотехнике и строительстве, в частности в системах для получения равномерного светового потока и в устройствах, способствующих созданию комфортной световой среды в помещениях и использующих солнечное излучение. Сущность изобретения: в солнечное осветительное устройство, включающее поворотный экран 1, каждая секция которого снабжена гелиоприемником, отводящий энергию элемент и механизм зенитального и азимутального поворота экрана с приводом 6, введены светорассеивающие элементы 8, установленные на каждом освещаемом участке по числу секций экрана, установленного на опоре 2, и оптически сопряжены с соответствующим гелиоприемником, каждый гелиоприемник выполнен по крайней мере из одного плоского зеркала 4, механизм зенитального поворота с приводом выполнен в виде редуктора 7, выходной вал которого соединен с зенитальной осью экрана. Редуктор снабжен понижающей зубчатой передачей, двигатель связан с ведущей шестерней редуктора, а отводящий энергию элемент выполнен в виде первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии 5 и установлен в центре симметрии экрана, при этом секции экрана расположены симметрично относительно оси его симметрии. 2 ил.

1. СОЛНЕЧНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, включающее поворотный экран, состоящий из секций, при этом каждая секция экрана снабжена гелиоприемником, отводящий энергию элемент и механизм зенитального поворота экрана с приводом, отличающееся тем, что поворотный экран установлен на опоре, каждый гелиоприемник выполнен по крайней мере из одного плоского зеркала, механизм зенитального поворота экрана с приводом выполнен в виде редуктора, редуктор снабжен понижающей зубчатой передачей, выходной вал редуктора соединен с зенитальной осью экрана, а ведущая шестерня редуктора соединена с введенным двигателем, введены светорассеивающие элементы, установленные на каждом освещаемом устройством участке, число светорассеивающих элементов соответствует числу секций экрана, при этом светорассеивающие элементы оптически сопряжены с соответствующим гелиоприемником, отводящий энергию элемент выполнен в виде первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии и установлен в центре симметрии экрана. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что секции экрана расположены симметрично относительно оси симметрии экрана.