一种太阳光定点反射装置

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，特别是涉及一种太阳光定点反射装置。

背景技术

享受太阳光一直都是阴面房间里人们的向往。在工程光学、计算机控制、电子电工、机械等学科在材料、器件与技术如此发达的今天，仍然没有把太阳光照到阴面房间，不能不说是一个遗憾。

当前，还没有商用的把太阳光照到阴面房间的装置，尽管现有技术中部分专利公布了多项把太阳光照到阴面房间的专利，但都没有转化为实际商品。在现有专利中，没有与本申请的专利相同的，只有类似的，比较典型的如“让太阳光在北窗进超窗面多镜片反射发电阳光镜”、“跟踪太阳旋转的反射灯”、“北窗小太阳”等。分析其未能转化为实际应用的原因主要有两种情况，一种情况是发明存在缺陷，基本上都是不能保证反射的阳光始终照射进目标窗户，达不到实际应用的效果，另一种情况是发明不实用。“太阳光定点反射器”

对于“让太阳光在北窗进超窗面多镜片反射发电阳光镜”专利，是把“反射发电阳光镜”(未给出尺寸)装置安装在北楼墙上或楼顶，装置上有转动的电机，通过人工操作“移光遥控器”，控制“反射发电阳光镜”将太阳光反射进入阴面窗户。该发明既有缺陷，又不实用，对于“反射发电阳光镜”，想让其发电则反光效率就会降低很多，并且其发电功率较小及未给出所发出电的存储、应用方法，所以其发电和反射阳光都不实用；另外，通过人工操作“移光遥控器”使阳光反射进窗户也不实用，因为需要用户拿着“移光遥控器”不停地调整“反射发电阳光镜”，这是不可想象想事情。

对于“跟踪太阳旋转的反射灯”专利，其反射镜(40cm*38.5cm)固定在可水平、竖直旋转的两个万向节上，有定位片，水平旋转按照时钟时针1/4的速度，调整竖直方向万向节跟踪太阳旋转轨迹，反射镜装置安装在北楼墙上或楼顶。对于该发明，没有给出调整竖直方向万向节跟踪太阳旋转的方法，即便是给出竖直方向的控制方法，也难以使反射的太阳光始终照射到目标窗户上。可见，该发明有缺陷而不实用。

对于“北窗小太阳”专利，把半径140-180cm凹面反射镜安装在北楼楼顶，将太阳光反射扩散后照射在南楼的阴面，凹面反射镜由控制系统控制跟踪太阳。该发明不是定点照射，而是用一个或若干个反射镜照射整个楼的阴面。对于该专利，因为需要照射的面积太大，仅一个或若干个反射镜照射效果太差，不实用，另外也存在不能将反射光始终照射在目标区域的问题。

对于使阳光反射进入阴面房间，现有专利技术普遍存在三个方面的问题：一是照射区域定位方法不恰当或技术落后，致使照射区域不稳定，偏离目标较大，效果不佳或没有效果，这是造成专利技术不能得到应用的主要原因；二是支架与转动部分结构设计不够科学，致使电机功率较大；三是电源技术落后，多采用铅酸蓄电池左电源，其体积大、造价高、寿命短。四是太阳光反射面偏小，对房间阴暗状态改变不大。

发明内容

本发明克服了现有技术中太阳光照到阴面房间的效果仍需改善的问题，提供一种结构合理、控制效果好的太阳光定点反射装置。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的太阳光定点反射装置：含有支架、水平转动支架、反射镜、反射镜框体、反射镜水平转动装置、反射镜竖直转动装置、受光区光照监测装置、除尘装置、电源系统和反射镜控制器，其中反射镜位于在反射镜框体内，反射镜框体内位于水平转动支架上，水平转动支架上半部通过横杆铰接在支架上，下半部铰接在反射镜竖直转动装置上，水平转动支架的外侧设有反射镜水平转动装置来控制反射镜水平转动，反射镜的边缘处设有除尘装置，受光区光照监测装置位于用户北窗的窗口处，受光区光照监测装置通过无线连接反射镜控制器，反射镜水平转动装置和反射镜竖直转动装置通过控制线连接反射镜控制器。

优选地，所述水平转动支架为弧形壳体或开口框型，其内部通过转轴套接有反射镜，反射镜为平面镜、凹面镜或凸面镜，反射镜的形状为圆形、椭圆形或方形。

优选地，所述反射镜水平转动装置含有电源、水平转向驱动电机、横向驱动拉绳和收紧拉簧，其中电源通过导线并联连接水平转向驱动电机，水平转向驱动电机的输出转轮上缠绕设有横向驱动拉绳，横向驱动拉绳的两端穿过水平转动支架上的透孔后固定在反射镜的两侧，横向驱动拉绳的两端设有收紧拉簧。

优选地，所述反射镜竖直转动装置含有竖直转动托臂、竖向驱动拉绳、换向滚轮、驱动滚轮、竖直转向驱动电机、减速器、驱动齿盘、滑动连接头和固定底座，其中竖直转动托臂的外侧端部上设有换向滚轮，中部设有竖直转向驱动电机、减速器和驱动齿盘，竖直转向驱动电机通过减速器的螺纹丝辊带动驱动齿盘运转，竖向驱动拉绳通过收紧拉簧首尾相接后，缠绕在换向滚轮和驱动滚轮之间，两端分别连接在滑动连接头两边的连接环上，竖直转动托臂的内侧端部铰接在固定底座上，竖直转动托臂的中部铰接有滑动连接头螺纹，滑动连接头的另一端通过螺纹连接水平转动支架的转轴，竖向驱动拉绳的两端连接在滑动连接头的两端。

优选地，所述除尘装置含有除尘电机、减速器、限位开关、除尘刷和偏心轮，其中除尘电机和减速器通过支架位于反射镜的边缘处，除尘刷贴于反射镜的工作表面并位于反射镜的边缘处，除尘电机、减速器和除尘刷的套数为3个，组合后均布于反射镜的边缘处，其中减速器输出快慢两种转速，快速转动的偏心轮驱动与其连接的除尘刷刷片清除镜面上的灰尘，慢速转动的除尘刷转动轮驱动除尘刷在镜面上缓慢转动，碰到反射镜面边沿的限位开关停止下来，在程序的控制下，对镜面做往返清扫或结束除尘。

优选地，所述受光区光照监测装置含有单片机主控制器、光照度传感器、LCD显示器、按钮键盘和无线收发模块，其中光照度传感器分布在北面窗户的边框和中部，单片机主控制器将光照度传感器检测到的光强信号进行处理，并判断反射镜是否需要调整、以及做何种调整，并将调整信息通过无线模块发送给反射镜控制器，对反射镜的姿态做调整，使反射光始终照射在受光区，通过键盘上的按钮手工操作调整反射镜，命令除尘器除尘，LCD显示器显示操作信息和反射镜电源系统的电压。

优选地，所述反射镜控制器含有单片机主控制器、直流电机驱动与方向控制模块、无线收发模块、水平电机H或竖直电机V，其中单片机主控制器控制反射镜水平转动装置和反射镜竖直转动装置，控制水平电机H或竖直电机V转动后确定的工作姿态。

优选地，所述电源系统含有光伏电池、锂离子可充电电池、锂电池充电控制及放电保护电路，为反射镜控制器供电，包括反射镜水平转动、竖直转动电机和除尘器电机，其中光伏电池安装在反射镜上部的边缘，阳光充足时，由光伏电池为系统提供电能，如果锂电池电压过低，为其充电，当阳光不足时，系统由锂电池供电，系统的储能功能，也可以使用铅酸蓄电池或其它类型的电池。

与现有技术相比，本发明太阳光定点反射装置具有以下优点：能够使反射光始终保持在目标区，反射镜面积大、阳光充足接近直接照射，支架与转动结构设计巧妙，电机电压低功率小，监测与控制系统技术先进，并且其电源也是最先进的光伏与锂电池相结合的系统。

广泛应用于建筑、居住、种植、养殖等，需要给指定点或指定区域提供阳光的地方。典型应用是为阴面房间通过窗户提供阳光，并且能够提供充足的阳光，在冬季像阳面房间一样阳光明媚、暖洋洋。

本发明与现有专利技术相比较，包含一项创新技术方案、两项创新技术和两项改进技术。

(1)本发明的创新技术方案。把光照监测装置与阳光反射装置分开，不再集成在一起，而是将光照监测装置安装在反射光照目标区，直接监测反射光是否在目标区域，通过无线方式把监测信息发送给反射镜控制器，反射镜控制器根据接收的信息对反射镜进行调整，使反射光始终照射在目标区域。

(2)本发明由两项创新技术。第一项创新是光照监测器，其功能有二，一是监测反射光是否超出目标区，超出时通过无线方式向反射镜控制器发送信息；二是“光照监测器”上设计有按钮和液晶显示器，能够接受操作命令，使系统处于自动运行、夏季休眠等状态，可以手动调整反射镜做上下、左右转动，还可以反馈“阳光反射器”的电源电压等信息；第二项创新是“复合运动除尘刷”，该刷沿刷体方向快速摆动除尘，慢速绕固定端转动，实现对指定范围的除尘与清洗，其最大特点是需要的电机功率较小，3.3v的直流电机便可胜任。

(3)两项改进技术。第一项改进技术是“阳光反射器”的固定支架和反射镜的转动结构，其固定支架多为三角结构，其转动与支架巧妙结合，使其转动力矩小，3伏直流小电机足以胜任，不仅降低了功耗，而且还降低了电源的复杂性。第二项改进技术是“阳光反射器”的电源，由于转动电机、除尘器电机只需要3伏电压，所以设计的是5v光伏与3.7v的锂电池配合的电源系统，其技术、价格、寿命及体积都优于其它蓄电池电源。

附图说明

图1是本发明的正视结构示意图；

图2是本发明中除尘刷的活动轨迹示意图；

图3是本发明的侧向剖视结构示意图；

图4是本发明中反射镜竖直转动装置的俯视结构示意图；

图5是本发明中反射镜竖直转动装置的侧视结构示意图；

图6是本发明中除尘刷的侧向剖视结构示意图；

图7是本发明中除尘刷的正视结构示意图；

图8是本发明中除尘刷的俯视结构示意图；

图9是本发明中滑动连接头的正向结构示意图；

图10是本发明中滑动连接头的侧向结构示意图。

附图说明中标号1是支架，2是支柱，3是竖直转轴，4是反射镜框体，5是反射镜，6是固定孔，7是除尘电机，8是除尘刷外壳，9是太阳能电池板，10是水平转轴，10’是滑动连接头，11是限位开关，12是竖向驱动拉绳，12’是竖向驱动拉绳固定环,13是竖直转动托臂，14是换向滚轮，15是驱动滚轮，16是收紧拉簧，17是横向驱动拉绳，18是水平转向驱动电机，19是横向驱动拉绳透孔，20是偏心轮连接槽，21是定位槽，22是驱动齿盘，23是减速器，24是竖直转向驱动电机，25是固定底座，26是螺纹丝辊，27是固定转轴，28是除尘刷摆臂，29是除尘刷转动轮，30是偏心轮，31是除尘刷绒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明太阳光定点反射装置作进一步说明：如图所示，本实施例含有支架1、水平转动支架、反射镜5、反射镜框体4、反射镜水平转动装置、反射镜竖直转动装置、受光区光照监测装置、除尘装置、电源系统和反射镜控制器，其中反射镜5位于在反射镜框体内，反射镜框体内位于水平转动支架上，水平转动支架上半部通过横杆铰接在支架上，下半部铰接在反射镜竖直转动装置上，水平转动支架的外侧设有反射镜水平转动装置来控制反射镜水平转动，反射镜5的边缘处设有除尘装置，受光区光照监测装置位于用户北窗的窗口处，受光区光照监测装置通过无线连接反射镜控制器，反射镜水平转动装置和反射镜竖直转动装置通过控制线连接反射镜控制器。

固定支架1、反射镜5、反射镜框体4、反射镜水平转动支架、反射镜5竖直转动装置、受光区光照监测装置、除尘装置、反射镜控制器和电源系统，其中反射镜5嵌于反射镜框体4，框体的水平转轴10固定于水平转动支架上，水平转动支架的上半部固定于水平转轴10铰接在固定支架1上，下半部通过水平转轴10连接滑动连接头10’铰接在反射镜5竖直转动装置上，反射镜水平转动支架的外侧设有水平转动电机，反射镜5的边缘处设有除尘装置，受光区光照监测装置位于用户北窗的窗口处，受光区光照监测装置通过无线方式与反射镜控制器进行信息传递。

太阳光定点反射器的典型应用是为楼房的阴面房间反射阳光，阳光反射器安装在北面楼墙壁或楼顶，为了保证一年三季(天气热时不用)的早上、上午、下午任何时间都能够自动、准确地将阳光反射进目标窗户，本发明采用的是目标区监测法(远比在反射镜5处检测准确)控制反射镜5，就是把光照监测器的光照度传感器安装在目标窗户的四边或者是中心，直接监测光照是否超出窗户，如果光照超出窗户，则监测器通过无线方式向反射镜控制器发送信息，反射镜控制器启动相关的电机，调整反射镜5的角度，使阳光始终照射在目标窗户上。

所述反射镜框体4为弧形壳体或开口框型，其内部通过水平转轴10套接有反射镜5，反射镜5为平面镜，反射镜5的形状为圆形、椭圆形或方形。

所述反射镜水平转动装置含有水平转轴10、水平转向驱动电机18、横向驱动拉绳17和收紧拉簧16，其中水平转向驱动电机18的输出转轮上缠绕设有横向驱动拉绳17，横向驱动拉绳17的两端穿过水平转动支架上的透孔后固定在反射镜5的两侧，横向驱动拉绳17的两端设有收紧拉簧16。在反射镜控制器程序的控制下，使水平转向驱动电机18做正反转动，从而使反射镜5做水平调整。

所述反射镜5竖直转动装置含有竖直转轴3、竖直转动托臂13、竖向驱动拉绳12、滑动连接头10’、换向滑轮、驱动轮、竖直转向驱动电机24、减速机、驱动齿盘22和固定底座25，其中竖直转动托臂13的顶端部上设有换向滑轮，近底部设有竖直转动驱动电机、减速机和驱动齿盘22，竖直转向驱动电机24通过减速机的螺纹丝辊26带动驱动齿盘22运转，接有收紧拉簧16的竖向驱动拉绳12缠绕在换向滚轮14和驱动滚轮15之间，两端分别接在滑动连接头10’两边的连接环上，竖直转动托臂13的底部铰接在固定底座25上，竖直转动托臂13上运动的滑动连接头10’装在托臂槽中，并且只能沿槽向往返滑动，滑动连接头10’的另一端通过螺纹连接水平转动支架的水平转轴10，滑动连接头10’在竖向拉绳的驱动下往返滑动，从而带动水平转动支架绕竖直转轴支杆3转动。在反射镜控制器程序的控制下，使竖直转向驱动电机24做正反转动，从而使反射镜5做竖直调整。

所述反射镜5竖直转动装置的拉绳还可以用丝杠替换，但运行环境和维护会有较高的要求。

关于各个部分的尺寸，根据秋、冬、春三季太阳的照射角度，通过计算，可以确定阳光反射器向东、向西的水平转动角度均不超过45度，阳光反射器向上、向下的竖直转动角度均不超过25度。由此可以确定一些相关的尺寸：固定在墙体的竖直转动托臂13的长度约为反射镜5半径的80％，关于反射镜5的大小，太小效果不明显，太大则需要更坚固、重量更大的支撑框架，可以考虑反射镜5的口径在80cm到120cm之间，其半径为40cm到60cm。

所述除尘装置含有除尘电机7、减速器、限位开关11、除尘刷和偏心轮30，其中除尘电机7和减速器通过支架位于反射镜5的边缘处，除尘刷贴于反射镜5的工作表面并位于反射镜5的边缘处，电源通过导线和手动开关控制除尘电机7工作，除尘电机7、减速器和除尘刷的套数为3个，组合后均布于反射镜5的边缘处，其中减速器输出快慢两种转速，偏心轮在快速转动时驱动与其连接的刷片清除镜面上的灰尘，减速器慢速转动时驱动除尘刷在镜面上缓慢转动，碰到反射镜5面边沿的限位开关11停止下来，在程序的控制下，可以对镜面做往返清扫或结束除尘。

本除尘刷设计为摆动+转动的“复合运动”方式进行除尘，此设计方法主要是为了降低功率，能够使用小功率的直流电机。

除尘刷的摆动由偏心轮30将转动变为来回摆动，除尘摆动片为竖直装配，其与偏心轮连接槽20是水平的，使偏心轮连接槽20能够套在偏心轮的连接轴上，从而使除尘摆动偏心轮30的转动带动除尘刷摆动。关于除尘刷的转动原理更简单，将除尘刷外壳8上的转动连接杆固定到除尘刷转动连接孔上，则除尘刷便会随除尘刷转动轮29转动，需要注意二者的转动方向要一致。

关于两个除尘摆动偏心轮30的转速和尺寸，摆动轮的转速可以是60～120转/分，摆动幅度为1.2cm即可，即摆动轮直径为1.2cm；摆动需要电机的功率很小，而除尘刷的转动需要较大的扭矩，为了降低电机的扭矩和功率，应尽量减小转动的速度，转速可以为是0.5～1转/分，除尘刷转动轮29的直径设计为2.5cm，其大小不影响电机的扭矩和功率。电机可以选用3v的直流电机即可。除尘刷的长度可选为反射镜5的半径加上1cm。

关于反射镜5面的除尘时间，不需要天天清扫，通过对反射镜控制器和光照监测装置编程，按下光照监测装置上的除尘按钮，启动反射镜控制器中的除尘程序进行清扫灰尘，三个除尘刷轮流清扫。平时可以随时除尘，刮风的时候更好，可以在下雨天进行清洗除尘。

该除尘刷在反射镜控制器程序的控制下可以双向转动。

所述受光区光照监测装置含有单片机主控制器、光照度传感器、LCD显示器、按钮键盘、无线收发模块，其中光照度传感器分布在受光区周边或中部，单片机主控制器将光照度传感器检测到的光强信号进行处理，判断反射镜5是否需要调整、以及做何种调整，并将调整信息通过无线收发模块发送给反射镜控制器对反射镜5的姿态做调整，使反射光始终照射在受光区，通过键盘上的按钮，可以手工操作调整反射镜5、命令除尘器进行除尘等，LCD显示器可以显示操作信息和反射镜5电源系统的电压。

所述反射镜控制器含有单片机主控制器、直流电机驱动与方向控制模块、无线收发模块、水平电机H或竖直电机V，其中单片机主控制器通过无线收发模块接收受光区光照监测装置的命令，其命令或是启动水平电机H或竖直电机V转动，调整反射镜5的姿态，使反射光始终照射在目标区，或是启动除尘器对镜面进行除尘清洁，或是反馈电源系统的电压。

根据整个装置的功能，受光区照监测装置的面板设计主要由液晶显示屏和按钮构成。该操作控制器是固定在室内墙上的，为简约型设计。

主控制器采用51系列的STC单片机，无线收发采用频率为2.4GHz的NRF24L01模块，LCD可以采用价格较低的字符型1602显示器，水平转动和竖直转动电机均采用3v电压的减速直流电机，除尘电机7采用3v电压的直流电机，太阳能电池可以选用5伏、300毫安的滴胶板，蓄电池可以选用3.7v、2000mAh以上容量的锂电池。

本发明中可替代的方案主要有如下几个方面，

1、将无线传输方式换成有线传输方式。其无线传输模块不局限于24L01，包括所有类型的无线模块。

2、关于反射器的材料，并不局限于铝合金，也可以用银镜等反射材料。关于反射镜5面，并不局限于平面，也可以是凹面和凸面。关于反射镜5的半径，并不局限于40cm到60cm。

3、关于反射器的转动结构与驱动，并不局限于球面形状及钢丝绳驱动；其电机不局限于直流和3v电压。

4、关于反射镜5竖直转动装置的动力传动，并不局限于拉绳，可以用丝杠及其它方式实现。

5、对照射区的光照监测，可以用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等器件，不局限于光照度传感器。

6、关于反射镜5的电源，可以用各种蓄电池、各种可充电电池，并不局限于锂电池。

7、关于反射镜5中的控制器和照射区的监测控制器，其主控制器不局限于STC单片机，也不局限于51单片机、STM32微控制器等。

8、关于光照监测器中的LCD显示器，并不局限于1602型号，也不局限于字符型LCD，可以是点阵型LCD，也可以是OLED、数码管等显示器。