太阳自然光照明系统及其在绿能建筑设计的应用发展

By | 2020年7月24日

  0 引言


  基于「寰球动力充足」和「温室效应所带来的气象变迁」两年夜议题,列国开端注重「节能减碳」之提倡和「再生动力」之研发。今朝再生动力之使用在疾速地倒退中,这不只可缓解石油与煤炭之耗费,也是谋求绿色生存环境之形式。再生动力蕴含太阳能、风力、水力、地热等没有同品种之动力,此中太阳能领有最丰厚之包含量和容易使用于生存中之劣势,因而取得最年夜研发起能。今朝太阳能之相干钻研年夜多聚焦于太阳能电池,但其高老本与高保护费之缺陷降低了太阳能之使用层面。为了扩展其使用层面,若可研发低老本、低保护用度、免电路零碎、装置简易之相干零碎,便可将太阳能之使用普及至社会公众之生存中。本方案拟研发「动态式多层棱镜集光器」、「具备光学构造之可转弯传光管」、和「情境分光」等三年夜技巧。搭配光纤传输零碎后,可提供黉舍与办公室等区域日间稳固照明, 也可搭配太阳能板转换至电能贮存性能。此技巧之使用范畴宽广,除了可进步光纤网络之使用范畴外也可添加太阳能板供电效率,或提供照明给地道、水族箱和制止电气灯源之空间等非凡区域。


  1 天然光照明零碎


  依据钻研,普通贸易用电中约有 30 %以上之用电量为室内照明,为缩小照明用电量,可节能减碳之天然光照明零碎引貣各界注重。外洋之经历指出,装置天然光照明零碎之住宅,其室内光环境质量有光鲜明显改善,正在晴朗白昼齐全能够没有应用耗电光源之照明,所导入之天然光齐全能够餍足人们一样平常流动之照明以及采光需要,并且对人们身材衰弱无利,可显著缩小节令综合症的病发率。长时间以来,人们不断对自然光存正在一中曲解,以为自然光进入室内所带来之热能要多于人造光源。现实上,假如提供相反之照度,自然光所带来之热能比绝年夜少数人造光源少,因而用自然光替代人造光源进行室内照明,能够年夜幅缩小空调负荷,无利于降低修建物之用电量。室内天然光照明零碎使用形式以下图1所示。



  图1. 室内天然光照明零碎使用形式


  透过光纤网络将如斯照明生存使天然光率领人们情绪,瞻望将来光纤网络的新概念,光纤相对没有单纯是提供数据与数据传输的前言,更是要把「阳光带进咱们的居家生存裡」,使咱们的环境更具备丰厚的色调,晋升生存品质。表示图以下图二、图3所展现。



  图2. 系統构思表示图-丰厚色调



  图3. 系統构思表示图-动态图片


  2 动态式多层棱镜集光器


  天然光照明零碎之次要概念是将本来为面光源之日光,透过光学组件将其降低一个维度而转为线光源,进一步以相反形式使日光转为点光源以利传导。本方案将设计一个高效力的天然光搜集光学组件以行使于室内照明的光学构造,此构造必需能够像瓷砖般地铺设正在修建物的表面,以便年夜范畴地收受接管照耀于修建物外墙的阳光。为了设计出能如磁砖般排正在修建物外墙的光学构造,方案将以相反单元的形式来组成此光学构造,如图4所示。当组件串连应用时会具更搜集、紧缩光线的成果,此组件能够搜集太阳光,并将之通报至临近的单元。



  图4. 动态集光单位之架构


  其设计形式采纳了45度歪斜面全内反射原理,当入射角年夜于临界角,可将光线往两头汇聚用以达到低压缩之集光能量,接着咱们行使二次全反射将光往导光管通报,如图五、图6所示,并思考无效收光面积之成绩,能量搜集的多寡取决于于集光器效率的优劣和无效收光面积的巨细,因而咱们将根本单位向外扩张并向上货仓旅馆,以晋升集光器的无效收光面积,如图7所示:


  


  3 具备光学构造之可转弯传光管


  正在绿修建技巧畛域,如天然导光零碎都可使用本技巧。晋升天然导光之传输效率,并可无效缩小光纤应用数目,可无效缩小绿修建之老本,搭配导光管转弯技巧更可使用于各式修建,进步产物之使用层面。当今绿修建正在行使太阳光时,一般为应用庭院间接照明,这样使患上绿修建的构造遭到限度;若应用导光零碎将天然光进行传导,系应用光纤进行传导,但光纤有耦合不容易及价钱昂扬之成绩,使患上正在应用上遭到许多限度。本专利次要为将传光管傍边设立光学透镜,并行使光学透镜之特点,将光线平行传导或聚焦传导,让光传导于空气中而没有与核心光管接触,近而年夜年夜晋升传导效率。并将传光管模块化以适宜没有同之传输长度。


  本创作以光学设计之形式晋升传光管之效率如图8所示,将光学透镜设立于核心光管傍边,透过光学透镜之特点,将天然光平行或聚焦于传光管傍边,如图9所示:


  


  将图8之传光管当成根本模块,将此根本模块转弯贯穿连接,可看到如图10所示贯穿连接情况。图11与图12为光管转弯光线之传导情况。


  





  4 论断


  天然光照明零碎,包罗集光,传光以及放光的局部。搜集的一局部,咱们设计了一个动态式多层棱镜集光器来间接搜集阳光,咱们应用具备光学构造之可转弯传光管来传输。正在传输的局部,咱们设计了一个立方构造光开关。光开关能够扭转的门路,以便搜集太阳光的光能够照亮没有同地域或贮存的太阳能电池。尽管 动态的天然光照明零碎没有包罗太阳追迹的安装,其优点是老本低,易于装置以及保护。其缺陷是它的效率,低于静态的太阳能集中器。咱们设计了一个串连的直角棱镜构造。本稀释器能够扭转面源动用荟萃到一个点源面。为了不便咱们的动态宽泛流传太阳能聚光,咱们放弃了低老本劣势,进步其效率。咱们也能够应用这个零碎对生态照明零碎。为了提供一个稳固的照明,交通地道,以达到衰弱的照明,节约动力以及平安要求。


 


编纂:Cedar