Солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей

 

Использование: в оптическом приборостроении и в системах регулирования светового потока и устройствах, способствующих созданию комфортной среды в помещениях и использующих солнечное излучение. Цель - исключение ослепляющего воздействия отраженных от гелиоприемника прямых солнечных лучей путем их рассеивания и поддержания заданного уровня освещенности в помещении. Сущность изобретения: для исключения ослепляющего воздействия отраженных от гелиоприемника прямых солнечных лучей путем их рассеивания и поддержания заданного уровня освещенности в помещении в солнцезащитном устройстве, включающем поворотный экран с гелиоприемником и отводящим энергию элементом, механизм поворота экрана с приводом, связанным с датчиком слежения, экран выполнен с криволинейной изменяющей радиус кривизны формой гелиоприемника, центральная часть которого выполнена с коэффициентом отражения ρ₁ в видимой области солнечного спектра 20,0 - 84,0%, а коэффициент отражения ρ₂ - в видимой области спектра на периферии гелиоприемника не менее 71,3% и не менее коэффициента отражения ρ₁,, а также в устройство введены механизм регулирования радиуса кривизны и датчик уровня освещенности, установленный на освещаемом участке, первый выход датчика уровня освещенности электрически соединен с датчиком слежения, а второй выход - с механизмом регулирования радиуса кривизны, соединенным с тыльной стороной гелиоприемника поворотного экрана, установленного на опоре. Центральная часть гелиоприемника может быть выполнена в виде первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии с p - n-переходом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к строительству и оптическому приборостроению, в частности к системам регулирования светового потока, и может быть использовано в устройствах, способствующих созданию комфортной световой среды в помещениях и защите их от прямых солнечных лучей и использующих солнечное излучение.

Известно солнцезащитное устройство, включающее поворотный экран, закрепленный на внешней стороне обрамления проема, механизм поворота экрана с приводом и защитное покрытие [1].

Однако известное устройство не обеспечивает защиты освещаемого помещения от попадания прямых солнечных лучей, так как отражение от поворотного экрана солнечного излучения производит ослепляющее действие в освещаемом помещении и поэтому требуется создание дополнительных солнцезащитных устройств, например шторных регуляторов; не обеспечивается дополнительное освещение дальней от светопроема зоны помещения и эффективное использование солнечного излучения, а также нарушается эстетический интерьер и убранство как помещения, так и здания в целом. Известное солнцезащитное устройство функционирует только при наличии оптического покрытия на экране.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является солнечное осветительное устройство, с защитой от прямых солнечных лучей, 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 гелиоприемниками с отводящими энергию элементами, с защитным покрытием, размещенным на дальней от проема секции экрана и выполненным в виде оболочки, имеющей форму усеченного сегмента круглого тора из материала с высокоотражающей в видимой области спектра и высокопропускающей в ИК-области солнечного 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 [2].

Однако известное устройство не регулирует дополнительно подаваемое в помещение солнечное излучение с экрана, которое может превышать в значительной мере нормальное рабочее освещение (300 лк), особенно в летнее время, и может приводить к ослепляющему действию, что требует наличия защитных устройств (наличия выше расположенного экрана аналогичного устройства и шторного регулятора в светопроеме); нарушает эстетичность интерьера и убранства как помещения, так и здания в целом. Известное устройство функционирует только при наличии оптического защитного покрытия специальной формы.

Целью изобретения является исключение ослепляющего воздействия отраженных от гелиоприемника прямых солнечных лучей путем их рассеивания и поддержания заданного уровня освещенности в помещении.

Цель достигается тем, что в известном солнцезащитном устройстве, включающем поворотный экран, снабженный гелиоприемником с отводящим энергию элементом, механизм поворота экрана с приводом, электрически связанным с датчиком слежения, экран выполнен с криволинейной изменяющей радиус кривизны формой гелиоприемника, центральная часть которого выполнена с коэффициентом отражения ρ₁ в видимой области солнечного спектра, равным 20,0-84,0% , а коэффициент отражения ρ₂ в видимой области спектра на периферии гелиоприемника - не менее 71,3% и не менее коэффициента отражения ρ₁, а также в устройство введены механизм регулирования радиуса кривизны и датчик уровня освещенности, установленный на освещаемом участке, первый выход датчика уровня освещенности электрически соединен с датчиком слежения, а второй выход - с механизмом регулирования радиуса кривизны, соединенным с тыльной стороной гелиоприемника поворотного экрана, установленного на опоре.

Центральная часть отражающей поверхности гелиоприемника может быть выполнена в виде первичного фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии.

На фиг. 1 и 2 представлена принципиальная схема светозащитного устройства в различных режимах работы в зависимости от уровня естественной освещенности (летом и зимой соответственно); на фиг.3 - принципиальная схема одного светозащитного устройства.

Светозащитное устройство состоит из поворотного экрана 1, снабженного гелиоприемником 2 с отводящим энергию элементом 3 и выполненного с криволинейной изменяющей радиус кривизны формой гелиоприемника 2, центральная часть 4 которого выполнена с коэффициентом отражения ρ₁ в видимой области солнечного спектра, равным 20,0-84,0%, а коэффициент отражения ρ₂ в видимой области спектра на периферии 5 гелиоприемника 2 - не менее 71,3% и не менее коэффициента отражения ρ₁ механизма 6 поворота экрана 1 с приводом 7, электрически связанным с датчиком слежения (на чертеже не показано), механизма 8 регулирования радиуса кривизны и датчика 9 уровня освещенности, установленного на освещаемом участке 10. Первый выход датчика 9 уровня освещенности электрически соединен с датчиком слежения, а второй выход - с механизмом 9 регулирования радиуса кривизны, соединенным с тыльной стороной гелиоприемника 2 поворотного экрана 1, установленного на опоре 11.

В качестве гелиоприемника 2 поворотного экрана 1 применяют, например, отражающий элемент с изменяющей радиус кривизны формой поверхности, выполненный, например, из алюминия и обработанный для получения необходимых коэффициентов отражения ρ₁ и ρ₂ например, оптически методом алмазного точения по стандартной технологии.

В качестве центральной части 4 гелиоприемника 2 целесообразно, кроме широко используемых для отражения в видимой области солнечного спектра материалов (алюминия, меди и их сплавов, молибдена, стали и т.д.), применять первичный фотоэлектрический преобразователь на основе р-n-перехода, например, на основе кремния с коэффициентом отражения 20,0-35,0%, изготовленный по стандартной технологии с изменяющей радиус кривизны формой поверхности, например, из определенного числа управляемых элементов (кремниевых пластин).

В качестве датчика 9 уровня освещенности используют, например, люксметр, представляющий собой микроамперметр, подключенный, например, к селеновому фотоэлементу или фотосопротивление.

В качестве механизма 9 регулирования радиуса кривизны отражающей поверхности гелиоприемника 2 применяют, например, устройства, описанные в книге Витриченко Э. А. Адаптивная оптика. - М.: Мир, 1980, с. 207-232. Применяют также несложное устройство, представляющее собой винт, ввинченный в тыльную сторону гелиоприемника 2 и изменяющий радиус кривизны отражающей поверхности гелиоприемника 2 при вращении.

В качестве механизма 6 поворота экрана 1 по направлению к солнцу в азимутальной и зенитальной плоскостях с приводом 7 применяют широко известные в гелиотехнике механизмы слежения за солнцем.

В качестве датчика 1 слежения используют, например, светочувствительный датчик, состоящий из непрозрачного основания, в котором размещены фоточувствительные элементы, например, инфракрасные фототранзисторы ФГТ-3-02-0582.

Солнцезащитное устройство работает следующим образом.

Устанавливают датчик 9 уровня освещенности, например, в дальней от светопроема зоне участка (помещения), дополнительное освещение которого производят. На датчике 9 устанавливают необходимый уровень освещенности, например, для школьного помещения -300 лк.

Устанавливают экран 1 на опоре 11 в месте, обеспечивающем беспрепятственное освещение гелиоприемника 2 солнечным излучением в течение всего светового дня, например, на крыше соседнего от освещаемого участка дома или на открытой площадке.

При уменьшении уровня освещенности ниже уровня, установленного на датчике 9, он посылает с первого выхода электрический сигнал на датчик слежения, который через электронную схему посылает электрический сигнал на механизм 6 поворота, перемещающий экран 1 в азимутальной и зенитальной плоскостях по направлению к солнцу. Как только датчик слежения займет положение, при котором гелиоприемник 2 экрана 1 осуществляет отражение солнечного излучения на светопроем освещаемого участка (помещения) 10, сигнал с датчика слежения перестает поступать на механизм 6 поворота с приводом 7 экрана 1, который прекращает перемещение.

С второго выхода датчик 9 уровня освещенности посылает электрический сигнал на механизм 9 регулирования радиуса кривизны, изменяющий радиус кривизны отражающей поверхности гелиоприемника 2 так, чтобы световой поток сфокусированного солнечного излучения от гелиоприемника 2 и падающий на светопроем освещаемого участка (помещения) 10 при добавлении к естественной освещенности последнего поднимал уровень освещенности в нем до заданного (300 лк) датчиком 9. После чего электрические сигналы с датчика 9 уровня освещенности перестают поступать на датчик слежения и механизм 8 регулирования радиуса кривизны. При очередном уменьшении уровня освещенности на участке (помещении) 10 в результате изменения положения солнца или уменьшения естественного уровня освещенности электрические сигналы с датчика 9 уровня освещенности вновь поступают на датчик слежения и механизм 8 регулирования радиуса кривизны, вызывая вновь изменения положения гелиоприемника 2 по направлению к солнцу, обеспечивающие освещение отраженным солнечным излучением светопроема, и радиуса кривизны гелиоприемника 2, при котором уровень освещенности на участке (помещении) достигнет 300 лк.

На фиг.1 представлена принципиальная схема светозащитного устройства в режиме работы преимущественно в летний период, когда освещенность, создаваемая солнечным излучением, составляет 100000 лк, а при облачном небе - 5000-20000 лк, что часто является недостаточным для обеспечения нормальной рабочей освещенности участка (помещении) 10 (300 лк), расположенного с северной стороны здания, куда не попадают прямые солнечные лучи. Однако в летний период довольно высокий уровень естественной освещенности при использовании светозащитного устройства для поддержания заданного уровня освещенности затемненных участков (помещений) 10 позволяет использовать для этой цели только центральную часть 4 гелиоприемника 2, имеющую меньший коэффициент отражения (до 20%), чем периферийная часть 5 гелиоприемника 2. При этом радиус кривизны отражающей поверхности центральной части 4 устанавливают так, чтобы фокальное пятно отраженного от центральной части 4 солнечного излучения максимально перекрывало светопроем освещаемого участка (помещения) 10, обеспечивая дополнительное к естественному освещение участка 10 до заданного датчиком 9 уровня освещенности нормального значения (300 лк). Периферийная часть 5 гелиоприемника 2 с коэффициентом отражения ρ₂ более высоким (не ниже 71,3%), чем в центральной части 4, позволяющая обеспечивать уровень освещенности на освещаемом участке (помещении) 10 в летний период выше заданного датчиком 9 значения, обеспечивает за счет радиуса кривизны гелиоприемника 2 попадание своей части фокального пятна на площадку (стены), окружающую светопроем, не проникая на освещаемый участок (помещение) 10 (фиг.1). Такой прием позволяет при обеспечении поддержания на освещаемом участке (помещении) 10 заданного (300 лк) уровня освещенности посылать в светопроем отраженные лучи яркого в летний период солнечного излучения с низким коэффициентом отражения (до 20%), причем отраженные лучи при передаче рассеиваются за счет разницы, существующей между отражающей центральной частью размером порядка 0,19-0,40 см и светопроемом размером не менее 2 x 2 м². Все это в совокупности обеспечивает защиту в освещаемом помещении от ослепляющего действия попадания отраженных прямых солнечных лучей в летний период.

Другим важным результатом этого технического решения является возможность изготавливать центральную часть 4 из материала с низким коэффициентом отражения который при обработке гелиоприемника легче достигается технологически, с использованием, например, простого оплавления поверхности или шлифовкой (без дополнительной полировки и доводки, требующих длительного времени, дорогостоящего оборудования и инструмента), и длительное время в процессе эксплуатации не снижается под действием неблагоприятных климатических факторов, значительно увеличивая ресурс работы защитного устройства. В качестве материала центральной части 4 целесообразно использовать первичные фотоэлектрические преобразователи с р-n-переходом, например кремниевый, германиевый и т.п., имеющие коэффициент отражения в видимой области солнечного спектра 20-35% и непосредственно преобразующие световое излучение в электрическую энергию, например, совместно с отводящим энергию элементом 3, преобразующим тепловое солнечное излучение в другой вид энергии, например электрическую, с помощью, например, термоэлектрогенератора ТГК-3, или биметаллические элементы. Выработанную электрическую энергию используют для обеспечения электропитания светозащитного устройства и для технических нужд освещаемого участка (помещения) 10. Для этого например, днем избыточная электроэнергия накапливается в аккумуляторе, а в вечернее время - на искусственное освещение.

На фиг.2 представлена схема солнцезащитного устройства в режиме работы преимущественно в зимний период, когда освещенность, создаваемая солнечным светом, составляет 10000 лк, а при облачном небе 1000-2000 лк. Такой низкий уровень естественного освещения в зимний период при использовании светозащитного устройства требует использования периферийной части 5 с высоким коэффициентом отражения ρ₂ гелиоприемника 2. При этом радиус кривизны отражающей поверхности гелиоприемника 2 устанавливают так, чтобы фокальное пятно отраженного от гелиоприемника 2 солнечного излучения, включая центральную 4 и периферийную 5 части, перекрывало светопроем полностью, обеспечивая дополнительно к естественному освещению заданный датчиком 9 уровня освещенности уровень освещенности (300 лк).

Такое техническое решение позволяет при обеспечении на освещаемом участке (помещении) 10 заданного датчиком 9 уровня освещенности использовать для освещения рассеянный поток отраженных от гелиоприемника 2 прямых солнечных лучей за счет разницы, существующей между размерами гелиоприемника (не свыше 1,05 м) и размерами светопроема (2х2 м), избегая тем самым ослепляющего воздействия солнечных лучей, в том числе отраженных от периферийной части 5, с коэффициентом отражения не ниже 71,3%. Тепловая энергия солнечного излучения с помощью отводящих энергию элементов 3 преобразуется, например, в электрическую и используется аналогично описанному для центральной части.

В летний период периферийная часть 5 гелиоприемника 2 практически не работает и ее защищают от воздействия неблагоприятных климатических факторов с целью сохранения длительное время ее высокого коэффициента отражения и, как следствие, увеличения ресурса ее работы, и может выполняться съемной и устанавливаться только в зимний период.

При ρ₁ < 20% шероховатость отражающей поверхности вызывает значительное рассеивание, особенно при углах падения (≈ 70-80^o) на нее солнечного излучения, что значительно усугубляется рассеиванием отраженного солнечного излучения в процессе передачи на освещаемый объект за счет интерференции и т. п., делая проблематичной контролируемую передачу солнечного излучения на сотни метров. Кроме этого, при таком рассеивании в результате шероховатости и потерях при передаче солнечного излучения резко возрастают размеры отражающей поверхности гелиоприемника 2 в целом и его центральной части 4 в особенности, что экономически и технологически нецелесообразно. Основные первичные фотоэлектрические преобразователи на основе р-n-перехода, например кремниевые, германиевые и т.п., имеют коэффициент отражения в видимой области спектpа не ниже 20%.

Верхний предел коэффициента отражения ρ₁ обусловлен тем, что отражающая поверхность гелиоприемника 2, изготовленного из основных материалов типа алюминия, меди и их сплавов, в процессе эксплуатации под воздействием неблагоприятных климатических факторов относительно быстро (в течение 3-6 мес. ) снижает свою отражательную способность с максимально получаемой 85-90% до 84,0% , после чего коэффициент отражения стабилизируется на этом уровне в течение длительного времени эксплуатации. Поэтому нецелесообразно изготавливать центральную часть 4 гелиоприемника 2 с коэффициентом отражения ρ₁ > 84,0%.

Коэффициент отражения ρ₂ периферийной части 5 гелиоприемника 2, составляющий не менее 71,3% и не менее коэффициента ρ₁, рассчитан с учетом максимальной площади гелиоприемника 2.

Минимальный коэффициент отражения ρ₂ рассчитан для случая, когда ρ₁ = ρ₂, и дополнительное освещение светопроема участка (помещения) 10 можно осуществлять, используя гелиоприемник, отражающая часть которого имеет одинаковый коэффициент отражения в центре и на периферии равный 71,3%. При ρ₂ < 71,3% даже в случае равенства ρ₁ = ρ₂ при площади гелиоприемника 2 не свыше 0,870 м² не будет обеспечена нормальная освещенность помещения например, в зимний период. Превышение ρ₁ над нецелесообразно, так как в этом случае будет происходить ослепляющее действие отраженных от гелиоприемника 2 солнечных лучей устройством в летний период.

Максимальная величина ρ₂ для периферийной части 5 гелиоприемника 2 в начальный период эксплуатации может достигать значений, получаемых при оптической обработке для используемого материала (медь до ≈ 85%, алюминий до 90% ), однако такие величины нецелесообразно использовать из-за их быстрого снижения под воздействием неблагоприятных климатических факторов. Более реален коэффициент отражения для ρ₂≈ 84,0%.

Максимальная площадь гелиоприемника 2, равная 0,870 м², является оптимальной по той причине, что в летний период, когда периферийная часть 4 гелиоприемника 2 может освещать пространство стены вокруг светопроема, может происходить недопустимое освещение соседнего светопроема.

Оптимальный радиус кривизны гелиоприемника 2 изменяется в пределах 4-35 м и соответствует созданию необходимого фокального пятна в освещаемом светопроеме участка (помещения) при рабочем расстоянии от светозащитного устройства до освещаемого участка 50-230 м и площади светопроема 2 x 2 м².

Формула изобретения

1. СОЛНЕЧНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ЗАЩИТОЙ ОТ ПРЯМЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ, включающее поворотный экран с гелиоприемником и отводящим энергию элементом, механизм поворота экрана с приводом, соединенным с датчиком слежения, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом регулирования радиуса кривизны и датчиком уровня освещенности, установленным на освещаемом участке, первый выход датчика уровня освещенности соединен с датчиком слежения, а второй выход - с механизмом регулирования радиуса кривизны, соединенным с гелиоприемником поворотного экрана, установленного на опоре, при этом экран выполнен с криволинейной изменяющей радиус кривизны формой гелиоприемника, центральная часть которого выполнена с коэффициентом отражения ρ₁ в видимой области солнечного спектра, равным 20,0 - 84,0%, а коэффициент отражения ρ₂ в видимой области спектра на периферии гелиоприемника - не менее 71,3% и не менее коэффициента отражения ρ₁.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральная часть гелиоприемника выполнена в виде фотоэлектрического преобразователя солнечной энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3