一種太陽光直接照明系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽光直接照明設(shè)備，主要應(yīng)用于公路隧道增強照明等領(lǐng)域，尤其是 一種定向?qū)Ч馄鞯目刂葡到y(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在普通的利用陽光輸送機實現(xiàn)隧道增強照明的系統(tǒng)中，不管是反射式還是透射式 聚光器，其間受光體（如光纖接收端面）永遠處于聚光體（如凸透鏡）的焦點位置，并且通 過接口器固定在基架上，從而與聚光體形成一整體結(jié)構(gòu)。所以任何情況下只要二軸自動跟 蹤太陽光的高精度控制系統(tǒng)保證其聚光體光軸平行于太陽入射光線，則匯聚后的太陽光自 然就會集中于其焦點處的光纖接收端而被順利接收后并以全反射形式通過光纖介質(zhì)傳輸 到需要照明的場合地點，從而完成了直接利用太陽光有效解決公路隧道進、出口亮度過渡 區(qū)的"黑洞"和"白洞"現(xiàn)象并實現(xiàn)了太陽能高效率利用。但是由于其長距離（50米）傳輸 時的高損耗（80%)以及本身成本占到系統(tǒng)3/4而導(dǎo)致的性價比低，已經(jīng)成為其進一步推廣 應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。而徹底解決該問題的最簡單方法就是免用光纖傳輸介質(zhì)情況下，最好直 接通過空氣介質(zhì)高效率傳輸進隧道，進而完成增強照明功能，由此將太陽光傳輸效率提高 至IJ100%，而且系統(tǒng)成本也降為原來的1/4。
[0003] 而這種理想化的新方法和相應(yīng)裝置就是用于隧道增強照明的免光纖式陽光輸送 機，工作原理如圖1所示。
[0004] 免用光纖式陽光輸送機實現(xiàn)公路隧道照明的工作原理圖如圖1所示。其關(guān)鍵技術(shù) 是通過對導(dǎo)光器的有效控制，實現(xiàn)把連續(xù)變化方向的入射太陽光恒定不變方向----沿著 隧道中心線方向（定向）從其上部拱形空間反射進隧道即可。在理想情況下實現(xiàn)這一目標(biāo) 并不難。如發(fā)明專利：透射式太陽光隧道增強照明的裝置（ZL201210086376.X)所述，在系 統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，利用隧道上部拱形空間的平行太陽光經(jīng)過的光路上安裝一個太陽光采 集傳感器與導(dǎo)光器的自動驅(qū)動裝置組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，即可通過導(dǎo)光器隨著太陽光方向連 續(xù)變化而不斷在三維空間自動調(diào)節(jié)其方向?qū)崿F(xiàn)反射平行太陽光的定向傳輸?shù)哪繕?biāo)。但是在 實際應(yīng)用中不存在這種理想狀態(tài)，假如白天正常工作一天后，經(jīng)過一個沒有太陽光的晚上， 第二天早晨當(dāng)太陽光再次照射大地時，導(dǎo)光器系統(tǒng)中安裝在隧道內(nèi)部的信號采集器2處于 太陽光的"盲區(qū)"而無法尋找反射進隧道的太陽光并自動進入正常的工作狀態(tài)；更不用說白 天正常工作狀態(tài)下太陽進入云層一段時間（即陰天）后重新出來時必然存在的導(dǎo)光器"脫 靶"現(xiàn)象。而與原來應(yīng)用于聚光器的高精度自動跟蹤系統(tǒng)相比，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的陽光 采集傳感器始終能夠保證聚光器自動跟蹤太陽光過程中，在上述情況下則不會出現(xiàn)"脫靶" 現(xiàn)象；是因為傳感器中的粗、細調(diào)結(jié)構(gòu)（授權(quán)發(fā)明專利：一種高精度跟蹤系統(tǒng)中的太陽光信 號采集裝置：ZL200910254626.4)中的粗調(diào)信號采集傳感器敏感元件始終處于太陽光照射 環(huán)境中，且任何情況下，只要有太陽光，總是在四個粗調(diào)光敏元件中至少有二個始終能夠接 收到太陽光信號，從而在每天早晨或者白天太陽剛從云層里出來的特殊情況下也能夠迅速 自動在大范圍區(qū)域里尋找到目標(biāo)一太陽，因為不存在信號"盲區(qū)"而不會有找不到太陽 的"脫靶"現(xiàn)象發(fā)生。但是對于免光纖式陽光輸送機中的閉環(huán)控制系統(tǒng)里的信號采集器來 說，因為工作環(huán)境發(fā)生變化（安裝于隧道內(nèi)），所以已經(jīng)喪失了該粗調(diào)功能-大范圍尋找目 標(biāo)。主要原因是太陽光采集傳感器被安裝于隧道內(nèi)的定向反射太陽光的光路上，且其光軸 與隧道中心線平行，所以一旦對于早晨太陽光剛出來或者太陽剛從云中出來的這種特殊情 況下，導(dǎo)光器根本無法保證將太陽光馬上輸送進隧道上部拱形空間所設(shè)計的光路上而使得 安裝在此處的太陽光信號采集傳感器采集到信號后保證系統(tǒng)進入理想的工作狀態(tài)，而上述 這二種特殊情況是必然的客觀存在，所以按照此方案設(shè)計的驅(qū)動導(dǎo)光鏡負載的閉環(huán)自動控 制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中無法正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種定向?qū)Ч馄鞯目刂葡到y(tǒng)及 其控制方法，其能夠自動跟蹤系統(tǒng)在太陽光剛出現(xiàn)以后始終脫離太陽光信號"盲區(qū)"，盡快 有效解決"脫靶"問題而找到目標(biāo)，保證系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0007] 這種定向?qū)Ч馄鞯目刂葡到y(tǒng)，包括設(shè)置在隧道進、出口外的導(dǎo)光器、分別設(shè)置在導(dǎo) 光器的反射光路上的第一信號采集器和第二信號采集器、設(shè)置在隧道內(nèi)頂部的若干反射鏡 組以及控制模塊；所述導(dǎo)光器設(shè)置有光反射平面以及用以控制光反射平面方向的直線電 機，所述導(dǎo)光器的光反射面背面還設(shè)置有傾斜角傳感器；所述傾斜角傳感器、第一光信號采 集器和第二光信號采集器連接至控制模塊；所述導(dǎo)光器的直線電機也連接至控制模塊； 所述控制模塊、傾斜角傳感器、第一光信號采集器和第二光信號采集器以及導(dǎo)光器的直線 電機形成閉環(huán)控制系統(tǒng)；
[0008] 所述導(dǎo)光器能把連續(xù)變化方向的平行入射太陽光以恒定不變方向，沿著隧道中心 線方向從隧道上部拱形空間的空氣介質(zhì)中反射進隧道，然后由反射鏡組漫反射為隧道內(nèi)道 路亮度過渡段的照明光。
[0009] 進一步，上述導(dǎo)光器包括固定支架R以及設(shè)置在固定支架R上端的球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，所 述球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括具有同一圓心〇點的球關(guān)節(jié)頭R以及套設(shè)在球關(guān)節(jié)頭R上的球關(guān)節(jié)腔體 R，所述球關(guān)節(jié)腔體R通過負載支架與平面反射鏡固定連接；所述固定支架R的上端與球關(guān) 節(jié)頭R固定連接；所述反射鏡的鏡面恒經(jīng)過球關(guān)節(jié)頭R的球心〇點；所述球關(guān)節(jié)頭R的球面 一側(cè)垂向刻有定位槽，所述球關(guān)節(jié)腔體R上設(shè)置有與所述定位槽相對應(yīng)的滑動栓R，滑動栓 R-端伸入定位槽中；所述負載支架與固定支架R之間設(shè)置有兩個直線電機，其中一個直線 電機的軸線與定位槽的中心線處于同一平面，另一直線電機的軸線與定位槽的中心線在水 平面上的投影線垂直；所述定位槽的中心線投影與球關(guān)節(jié)頭R的中心線重合。
[0010] 上述兩個直線電機的上端分別通過萬向節(jié)連接在負載支架上；另一端分別鉸鏈連 接在固定支架R上；所述固定支架R為固定柱；所述反射鏡為剛性高反射系數(shù)材料制成。
[0011] 上述控制模塊包括MCU已經(jīng)與MCU連接的時鐘日歷模塊、信號采集模塊、電源模塊 以及電機驅(qū)動模塊；所述傾斜角傳感器、第一信號采集器和第二信號采集器組成信號采集 模塊連接MCU，所述導(dǎo)光器的直線電機通過電機驅(qū)動模塊連接至MCU;所述電源模塊還為 信號采集模塊供電。
[0012] 上述反射鏡組由若干塊平面漫反射鏡組成，漫反射鏡組分別安裝于隧道上部拱形 空間不同深度、不同高度的反射太陽光光路上，且漫反射太陽光覆蓋整個亮度過渡區(qū)路面； 而且其反射面朝向平行太陽光入射方向。
[0013] 進一步的，反射進入隧道光通量如果不能夠滿足隧道照明要求情況下，在導(dǎo)光器 (7)前面還能夠通過安裝聚光一調(diào)光器的方法來解決，所述聚光調(diào)光器由聚光鏡、調(diào)光鏡 以及極軸式結(jié)構(gòu)的自動跟蹤系統(tǒng)組成，目標(biāo)是定點（球心〇點）輸出增強平行太陽光給導(dǎo) 光器，增加定向反射進入隧道的太陽光強度。
[0014] 在光通量不足情況下，在導(dǎo)光器前面還安裝聚光調(diào)光器，所述聚光調(diào)光器由聚光 鏡、調(diào)光鏡以及極軸式結(jié)構(gòu)的自動跟蹤系統(tǒng)組成，目標(biāo)是定點輸出增強平行太陽光給導(dǎo)光 器，增加太陽光強度。
[0015] 本發(fā)明還提出一種上述定向?qū)Ч馄鞯目刂葡到y(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0016] 1)粗調(diào)環(huán)節(jié)
[0017] 導(dǎo)光器上的兩個直線電機以及傾斜角傳感器與控制模塊、組成粗調(diào)環(huán)節(jié)閉環(huán)自動 控制系統(tǒng)；時鐘日歷模塊輸入應(yīng)用地點所處經(jīng)緯度時間，獲得每天太陽升起和落下以及一 天中任何時刻太陽光大致方向，進而知道任何時刻安裝于球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)上的平面反射鏡應(yīng)該 處于的空間角度；而傾斜角傳感器將此時的實際空間角度檢測數(shù)據(jù)作為信號提供給控制模 塊，根據(jù)誤差大小及方向發(fā)出指令，驅(qū)動導(dǎo)光器上的兩個直線電機帶動平面反射鏡進行調(diào) 節(jié)，逐步趨向應(yīng)該所在的角度；
[0018] 2)細調(diào)環(huán)節(jié)
[0019] 第一光信號采集器與導(dǎo)光器上的兩個直線電機以及控制模塊組成細調(diào)環(huán)節(jié)閉環(huán) 自動控制系統(tǒng)，其中光信號采集器固定安裝于導(dǎo)光鏡與隧道入口方向的反射光路上，且其 光軸與隧道中心線平行，另外還要求第一光信號采集器在導(dǎo)光器的光反射平面的反射光柱 在粗調(diào)環(huán)節(jié)可能形成的最大誤差情況下仍然能夠接受到太陽光信號；第一光信號采集器接 收到太陽光信號并將光信號傳遞給控制模塊，由控制模塊計算誤差后控制導(dǎo)光器上的兩個 直線電機動作來進一步細調(diào)導(dǎo)光器的光反射平面角度；
[0020] 3)微調(diào)環(huán)節(jié)
[0021] 第二光信號采集器與導(dǎo)光器上的兩個直線電機以及控制模塊組成微調(diào)環(huán)節(jié)閉環(huán) 自動控制系統(tǒng)，其中第二光信號采集器固定安裝于隧道內(nèi)的頂部光路上，且其光軸與隧道 中心線平行；第二信號采集器接收到光信號并將光信號傳遞給控制模塊，由控制模塊計算 誤差后控制導(dǎo)光器上的兩個直線電機動作來進一步微調(diào)導(dǎo)光器的光反射平面角度。
[0022] 本發(fā)明具有以下有益效果：
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