CN102374479A - 一种阳光输送机和led互补照明装置 - Google Patents
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Abstract
一种阳光输送机和LED互补照明装置，由云台、自动跟踪系统、光纤照明装置和LED光源四部分构成，所述云台包括云台采光板A及安装在上面的玻璃凸透镜和太阳能电池板，自动跟踪系统包括阳光传感器和控制电机，所述阳光传感器通过数据线连接有控制电路模块，液晶显示器模块和按键模块，光纤照明装置采用塑料光导纤维和光纤终端发散器组成，LED光源包括蓄电池，蓄电池通过LED照明自动控制器连接有节能LED灯，利用阳光传感器来感知太阳光的照射情况，通过阳光传感器以及自动跟踪系统进而驱动控制电机工作，具有结构简单，制造和运行成本低的特点，具有很高的性价比和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，特别涉及一种阳光输送机和LED互补照明装置。
背景技术
随着社会的发展，能源问题已经越来越受到了人们的关注，能源是人类赖以生存的基础，也是经济和社会发展的物质保障。近年以来，随着一次性化石能源——煤炭、石油、天然气开采殆尽，开发利用新能源成为解决能源危机的最有效途径。太阳能以储量巨大、持续长久、低碳环保等优点赢得了广泛关注，目前对太阳能的利用，通常是采用太阳能光伏发电后，再将电转换成光照明(光-电-光)，其效率仅为5％，低效率成为太阳能推广利用的主要障碍之一。如果把太阳光直接通过光导纤维输送到白天也需要照明的场所，比如地下停车场、博物馆、大型商场、体育馆、宾馆等场合，太阳能的利用率将明显提高，甚至可以达到55％以上。目前，国外的阳光导入器造价昂贵，不具备推广价值；国内的光纤照明装置性价比不高，使用性不强，更多的还停留在理论研究阶段。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种阳光输送机和LED互补照明装置，在晴天把太阳光利用光纤引入需要照明的场所，而阴雨天和晚上利用节能LED照明，该装置不仅性价比高，运行稳定，提供了健康绿色环保的自然光，而且大幅度的提高了太阳能的利用效率，有效的节约了能源，具有结构简单，制造和运行成本低的特点
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种阳光输送机和LED互补照明装置，由云台、自动跟踪系统、光纤照 明装置和LED光源四部分构成；
所述云台包括云台采光板A及安装在其上面的玻璃凸透镜104和太阳能电池板103，云台采光板A通过双端可调节杆107设置有云台底板B，所述云台采光板A固定于U型管架D上，U型管架D设置于控制箱及底座C上；
所述自动跟踪系统包括安装在云台采光板A的阳光传感器102、东西方向控制电机101和南北方向控制电机105，所述阳光传感器102通过数据线连接有控制电路模块液晶显示器模块和按键模块，所述控制电路模块包括单片机，单片机的输出端连接驱动芯片的输入端，驱动芯片的输出口连接东西方向控制电机101和南北方向控制电机105的接口；所述驱动芯片和单片机的电源端连接有太阳能电池板103的正极；所述单片机的输入端配置有电位器，根据单片机的控制信号实现对东西方向控制电机101和南北方向控制电机105的正反转和启停控制；所述驱动芯片为L298N，单片机为STC12C5A60S2；
所述光纤照明装置由塑料光导纤维202和光纤终端发散器201组成，所述塑料光导纤维202采用直径为2mm的PMMA型塑料光导纤维，所述纤终端发散器201通过塑料光导纤维202连接在云台底板B上；
所述LED光源包括蓄电池108，蓄电池108的正极通过LED照明自动控制器203连接有节能LED灯204，节能LED灯204的另一端连接有蓄电池108的负极，所述照明控制器203为一个触发开关，单片机给其一个高脉冲信号便自动闭合，接受低脉冲信号自动断开；
所述太阳能电池板103将发出来的电能一部分用于整套系统消耗，剩余部分存储于蓄电池108中；
一种阳光输送机与LED互补照明装置的控制方法，首先把太阳光的强度通过光电传感器变换成电信号后，分为0-255的256个级别，其中0与255分别对应无光和最强的太阳光照强度，然后通过液晶显示器把初始启 动系统时的云台采光板A的光照情况以数字形式显示在液晶显示器上，当液晶显示器上所显示的光照强度值之和大于设定阈值时，系统认定当前情况为白天，先驱动南北方向控制电机105转动确定太阳在南北方向的位置，接着再驱动东西方向控制电机101转动进一步确定太阳在东西方向的位置，从而使太阳光到达云台采光板A的光照强度最大，即太阳光垂直照射玻璃平凸透镜104和太阳能电池板103。
再通过利用玻璃凸透镜104把太阳光汇聚到光纤受口器106的中心孔处，把塑料光导纤维202初始端插入光纤受口器106的中心孔，利用光纤的全反射原理导入室内进行照明，由于太阳能电池板103一直受到阳光垂直照射，效率提高80％以上：太阳能电池板提供12v左右的电源可以直接为东西方向控制电机101和南北方向控制电机105提供动力；太阳能电池板103与单片机控制板的电源电路连接，通过7805稳压电路将电压转换为5v给单片机提供电源，同时还通过单片机控制板与蓄电池108相连并给其充电储存能量，用于阴雨天和夜间LED照明；当液晶显示器上所显示的光照强度值之和小于设定阈值时，认为当前情况为阴雨天或者夜晚，自动跟踪系统停止跟踪，而LED照明自动控制器203则自动接通蓄电池108，利用节能LED 204提供照明，当光照强度大于设定阈值时又会自动切换为光纤照明。
由于本发明利用阳光传感器102来感知太阳光的照射情况，通过阳光传感器102以及自动跟踪系统进而驱动南北方向控制电机105和东西方向控制电机101工作，使阳光输送机的云台采光板A始终正对太阳光，具有结构简单，制造和运行成本低的特点，具有很高的性价比和广阔的应用前景。
附图说明
图1(a)是本发明的阳光输送机的主视图，图1(b)是本发明的阳光输送机的左视图。
图2(a)是本发明的光纤照明的结构示意图，图2(b)是本发明LED 光源结构示意图。
图3是本发明的光纤受口器的结构示意图。
图4是本发明的太阳能电池板为控制板供电和蓄电池充电原理图。
图5是本发明的驱动芯片控制电机原理图。
图6是本发明的单片机处理阳光传感器采集信号原理图。
图7(a)是本发明的显示模块示意图，图7(b)是本发明的显示模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参照图1，一种阳光输送机和LED互补照明装置，由云台、自动跟踪系统、光纤照明装置和LED光源四部分构成；
所述云台包括云台采光板A及安装在其上面的玻璃凸透镜104和太阳能电池板103，云台采光板A通过双端可调节杆107设置有云台底板B，所述云台采光板A固定于U型管架D上，U型管架D设置于控制箱及底座C上；
所述自动跟踪系统包括安装在云台采光板A的阳光传感器102、东西方向控制电机101和南北方向控制电机105，所述阳光传感器102通过数据线连接有控制电路模块，液晶显示器模块和按键模块，所述控制电路模块包括单片机，单片机的输出端连接驱动芯片的输入端，驱动芯片的输出口连接东西方向控制电机101和南北方向控制电机105的接口；所述驱动芯片和单片机的电源端连接有太阳能电池板103的正极；所述单片机的输入端配置有电位器，根据单片机的控制信号实现对东西方向控制电机101和南北方向控制电机105的正反转和启停控制；所述驱动芯片为L298N，单片机为STC12C5A60S2；
如图2(a)所示，所述光纤照明装置由塑料光导纤维202和光纤终端发散器201组成，所述塑料光导纤维202采用直径为2mm的PMMA型塑料光导纤维，所述纤终端发散器201通过塑料光导纤维202连接在云台底板B上；所述玻璃凸透镜104接收太阳光，通过双端可调节杆107来改变云台采 光板A和底板B之间的距离来调节玻璃凸透镜104的光斑大小，再通过上下、左右移动光纤受口器106在云台底板B上的圆孔中的位置，可以使光斑正好落到光纤受口器106中心位置，将聚光后的阳光导入塑料光导纤维202，最后通过光纤以全反射的方式把光导入室内直接照明。
如图2(b)所示，所述LED光源包括蓄电池108，蓄电池108的正极通过LED照明自动控制器203连接有节能LED灯204，节能LED灯204的另一端连接有蓄电池108的负极，所述照明控制器203为一个触发开关，单片机给其一个高脉冲信号便自动闭合，接受低脉冲信号自动断开；
所述蓄电池108还连接有太阳能电池板103；
本发明白天直接将室外阳光引入照明，特别适合地下停车场、博物馆、大型商场、体育馆、宾馆等场合，可以节约大量电源；照明控制器203为一个触发开关，单片机给其一个高脉冲信号便自动闭合，接受低脉冲信号自动断开。当光照强度小于设定值阈值时，阳光输送机的自动跟踪系统停止跟踪，单片机发出控制信号使LED照明控制器203将节能LED灯204与蓄电池108接通，利用节能LED灯204可以提供长达12小时的持续照明；当光照强度大于设定值阈值时，单片机发出控制信号使LED照明控制器203切断节能LED灯204与蓄电池108的连接，阳光输送机的自动跟踪系统重新开始跟踪转换为光纤照明，如果需要特别明亮的照明环境，可以通过关闭LED照明自动控制器203的开关，使蓄电池108和光纤照明装置共同工作，从而光纤照明和LED照明同时运行为室内提供加强照明。
如图3所示，光纤受口器106呈漏斗状，光纤受口器106的一端设置有聚光孔301及顶盖302，与聚光孔301相对位置配置有光纤入口304及光纤圆形套管303，所述光纤圆形套管303的外直径为2.5mm，内径为2.1mm。
如图4所示，太阳能电池板103提供12v左右的电源可以直接为东西方向控制电机101和南北方向控制电机105提供动力，单向导电二极管D1的正极接四口接线端子JP3的4脚，单向导电二极管D1的负极接蓄电池 108正极，二极管D2连接7805稳压电源芯片的输入端，为系统提供5V左右的电源。在白天的时候，太阳能电池板103将发出来的电能一部分用于整套系统消耗，剩余部分存储于蓄电池108中；
光照强度很弱时，由于单向导电二极管D1的单向导通作用，蓄电池108不能给电容C6、C7、C8、C9、C10供电，两个控制电机也由于没有电力不能运转，而可以通过稳压电源芯片7805继续为单片机供电，保证单片机程序的正常运行。
在光照良好的情况下，太阳能电池板103输出电压高于蓄电池108的充电电压，因此太阳能电池板103、单向导电二极管D1、蓄电池108和控制电路模块构成回路，实现了对蓄电池108的充电与控制电路模块的供电，实现了对阳光的跟踪；光照较差的情况下，蓄电池108电压高于太阳能电池板103电压，由于单向导电二极管D1具有单向导电性，因此截止了蓄电池108向太阳能电池板103方向的电流，降低了蓄电池108的损耗并且对太阳能电池板103起到保护作用。
如图5示，STC12C5A60S2单片机与L298N驱动芯片驱动控制电机原理是：单片机的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引脚分别连接L298N驱动芯片的5(IN1)、7(IN2)、10(IN3)、12(IN4)引脚，为其发送控制信号，控制东西方向电机101和南北方向电机105的工作和停止。
L298N驱动芯片的4脚Vss直接接太阳能电池板103的正极，利用太阳能电池板103为两个控制电机提供动力，2(OUT1)、3(OUT2)、13(OUT3)、14(OUT4)引脚为输出端，分别接东西方向控制电机101和南北方向控制电机103的正负极，根据单片机提供的指令控制电机正反转或者停止。二极管D5、D6、D7、D8和D12、D13、D14、D15为续流二极管，发光二极管D9、D10、D11和D16用于分别显示两个电机的正反转情况，J6(即CON4)为4口接线端子，由上至下1-4分别外接东西方向控制电机101和南北方向控制电机103的 正负极。
如图6所示，本发明通过阳光传感器102来判断太阳光的照射情况，阳光传感器102上安装的光敏电阻元件对于不同的光照强度其阻值在一定范围成近似线性变化，阳光传感器102将光敏元件产生的模拟量通过数据线传输到STC12C5A60S2单片机的P1口(P1.0～P1.7)，STC12C5A60S2单片机自带8路10位高速A/D转化器，它们的A/D转换口都在P1口(P1.0～P1.7)，转换速度可达100KHz，因为该单片机的8路A/D转化器为电压输入型，光敏元件提供的模拟量为电流信号，在P1.0～P1.7口外接8个电位器(即可变电阻器)，将阳光传感器102提供的电流信号转换为电压信号再经过信号放大电路，滤波电路，比较电路的处理提供给单片机。
采用电位器而不用电阻，因为不同环境不同地域外界光照强度差异很大，通过简单调节8个电位器就可以调节阳光传感器102给单片机的输入量的大小，从而可以对控制系统进行一定的校准。STC12C5A60S2单片机通过内部程序处理阳光传感器102和相关电路提供的数字信号，利用集成芯片L298N驱动控制电机，使阳光输送机的云台的光板A始终正对太阳光。，
再利用玻璃凸透镜104将太阳光进行聚光，云台采光板A的平面和云台底板B的平面必须平行放置，并且以云台底板B上正对玻璃凸透镜104的焦点为圆心开6mm左右的圆形孔，将光纤受口器106安装于云台底板B的圆形孔上，通过调节双端可调节杆107，改变云台采光板A和底板B之间的距离来调节玻璃凸透镜104的光斑大小，调节光斑直径大小约为2mm。
通过上下、左右移动光纤受口器106在云台底板B上的圆孔中的位置，可以使光斑正好落到光纤受口器106中心位置，因为光纤始端安装于光纤受口器106的中心，这样就相当于光斑打到了光纤的受光面上，从而将聚光后的阳光导入塑料光导纤维202，再通过光纤以全反射的方式把光导入室内直接照明。因为太阳光经过玻璃凸透镜104汇聚到直径为2mm的聚光接口区域，其聚光面积比例达到(π*502)/(π*12)＝2500(倍)，导致聚光接口区域的温 度大幅度上升，最高可达到120℃左右接近塑料光纤的熔点，所以塑料光导纤维处于融溶状态必不可免，为了有效的提高散热效果，采用金属材料的光纤受口器106，并将其金属材料上表面与云台铝制底板B紧密连接，从而形成一个巨大的散热器，使得聚光区域温度大幅降低至70℃左右，达到了塑料光纤正常工作的温度范围。
经过测试该阳光输送机的终端光纤始终保持高亮状态，16根光纤可以提供相当于两个60W的日光灯的光通量；同时，由于太阳光也始终直射太阳能电池板103，显著提高了太阳能发电效率，对于太阳能电池板103来说，太阳能发电效率能提高到22％以上，太阳电池板103产生的能量一部分为控制系统和电机提供动力，大部分储存于铅酸蓄电池中用于夜间LED照明。
如图7的结构示意图所示，手动控制板由液晶显示器LCD12864、9针串口插头UART、6个按键S1～S6组成。通过12864液晶显示器可以随时观察阳光输送机和LED互补照明装置当前的运行情况，通过操作按键S1可以把控制系统设置为手动和自动控制两种模式，在自动控制模式下该装置可以自动寻找太阳的方位，最终使阳光直射云台A的采光板；在手动模式下停止自动跟踪，可以通过按下S2使云台向北运动，按下S5使云台向南运动，按下S4下使云台向西运动，按下S6下使云台向东运动，手动调节使云台采光板A正对阳光照射，用来对自动跟踪情况进行校正。通过长按下S6超过30秒后，可以进入设置光照强度阈值界面，按下S2对原有阈值进行增加设置，按下S5对原有阈值进行减少设置，从而根据实际照明需要设置合适的光照强度阈值。
一种阳光输送机与LED互补照明装置的控制方法，首先把太阳光的强度通过光电传感器变换成电信号后，分为0-255的256个级别，其中0与255分别对应无光和最强的太阳光照强度，然后通过液晶显示器把初始启动系统时的云台采光板A的光照情况以数字形式显示在液晶上，当液晶显 示器上的所显示的光照强度值之和大于设定阈值时，系统认定当前情况为白天，先驱动南北方向控制电机105转动确定太阳在南北方向的位置，接着再驱动东西方向控制电机101转动进一步确定太阳在东西方向的位置，从而使太阳光到达云台采光板A的光照强度最大，即太阳光垂直照射玻璃凸透镜104和太阳能电池板103。
再通过利用凸透镜104把太阳光汇聚到光纤受口器106的中心孔处，把塑料光导纤维202初始端插入光纤受口器106的中心孔，利用光纤的全反射原理导入室内进行照明，由于太阳能电池板103一直受到阳光垂直照射，效率提高80％以上：太阳能电池板提供12v左右的电源可以直接为东西方向控制电机101和南北方向控制电机105提供动力；太阳能电池板103与单片机控制板的电源电路连接，通过7805稳压电路将电压转换为5v给单片机提供电源，同时还通过单片机控制板与铅酸蓄电池108相连并给其充电储存能量，用于阴雨天和夜间LED照明。当液晶显示器上所显示的光照强度值之和小于设定阈值时，认为当前情况为阴雨天或者夜晚，自动控制系统停止跟踪，而LED照明自动控制器203则自动接通蓄电池108，利用节能LED提供照明，当光照强度大于设定阈值时又会自动切换为光纤照明。
Claims (2)
1.一种阳光输送机和LED互补照明装置，由云台、自动跟踪系统、光纤照明装置和LED光源四部分构成，其特征在于，
所述云台包括云台采光板(A)及安装在其上面的玻璃凸透镜(104)和太阳能电池板(103)，云台采光板(A)通过双端可调节杆(107)设置有云台底板(B)，所述云台采光板(A)固定于U型管架(D)上，U型管架(D)设置于控制箱及底座(C)上；
所述自动跟踪系统包括安装在云台采光板(A)上的阳光传感器(102)、东西方向控制电机(101)和南北方向控制电机(105)，所述阳光传感器(102)通过数据线连接有控制电路模块，液晶显示器模块和按键模块，所述控制电路模块包括单片机，单片机的输出端连接驱动芯片的输入端，驱动芯片的输出口连接东西方向控制电机(101)和南北方向控制电机(105)的接口；所述驱动芯片和单片机的电源端连接有太阳能电池板(103)的正极；所述单片机的输入端配置有电位器，根据单片机的控制信号实现对东西方向控制电机(101)和南北方向控制电机(105)的正反转和启停控制；所述驱动芯片为L298N，单片机为STC12C5A60S2；
所述光纤照明装置由塑料光导纤维(202)和光纤终端发散器(201)组成，所述塑料光导纤维(202)采用直径为2mm的PMMA型塑料光导纤维，所述纤终端发散器(201)通过塑料光导纤维(202)连接在云台底板(B)上；
所述LED光源包括蓄电池(108)，蓄电池(108)的正极通过LED照明自动控制器(203)连接有节能LED灯(204)，节能LED灯(204)的另一端连接有蓄电池(108)的负极，所述照明控制器(203)为一个触发开关，单片机给其一个高脉冲信号便自动闭合，接受低脉冲信号自动断开；所述蓄电池108还连接有太阳能电池板(103)。
2.根据权利要求1所述的一种阳光输送机与LED互补照明装置的控 制方法，其特征在于，首先把太阳光的强度通过阳光传感器(102)变换成电信号后，分为0-255的256个级别，其中0与255分别对应无光和最强的太阳光照强度，然后通过液晶显示器把初始启动系统时的云台采光板(A)的光照情况以数字形式显示在液晶显示器上，当液晶显示器上所显示的光照强度值之和大于设定阈值时，系统认定当前情况为白天，先驱动南北方向控制电机(105)转动确定太阳在南北方向的位置，接着再驱动东西方向控制电机(101)转动进一步确定太阳在东西方向的位置，从而使太阳光到达云台采光板(A)的光照强度最大，即太阳光垂直照射玻璃凸透镜(104)和太阳能电池板(103)；
再通过玻璃凸透镜(104)把太阳光汇聚到光纤受口器(106)的中心孔处，把塑料光导纤维(202)初始端插入光纤受口器(106)的中心孔，利用光纤的全反射原理导入室内进行照明，由于太阳能电池板(103)一直受到阳光垂直照射，效率提高80％以上：太阳能电池板(103)提供12v左右的电源直接为西方向控制电机(101)和南北方向控制电机(105)提供动力；太阳能电池板(103)与单片机控制板的电源电路连接，通过7805稳压电路将电压转换为5v给单片机提供电源，同时还通过单片机控制板与蓄电池(108)相连并给其充电储存能量，用于阴雨天和夜间LED照明；当液晶显示器上所显示的光照强度值之和小于设定阈值时，认为当前情况为阴雨天或者夜晚，自动跟踪系统停止跟踪，而LED照明自动控制器(203)则自动接通蓄电池(108)，利用节能LED灯(204)提供照明，当光照强度大于设定阈值时又会自动切换为光纤照明。
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