Солнечное самонаводящееся оптоволоконное осветительное устройство
Изобретение относится к области светотехники и предназначено для освещения темных помещений естественным солнечным светом. Техническим результатом является увеличение КПД счет уменьшения апертуры и увеличения угла падения световых лучей на входной торец оптоволоконного кабеля, особенно в утренние и вечерние часы, и обеспечение высокой электрической безопасности даже в помещениях с высокой влажностью. В устройстве используется коллектор, состоящий из корпуса, эллипсовидной фокусирующей линзы и двух фокусирующих большого и малого зеркал. Линза и зеркала сужают солнечный световой поток и направляют его на входной расширяющийся в виде фокона торец оптоволоконного кабеля в течение всего светового дня. Оптоволоконный кабель специальной конструкции, входной торец которого выполнен в виде фокона, сужает световой поток и осуществляет наведение коллектора на солнце. Входной гибкий фокон имеет специальный внешний сегментный слой, выполненный из тонированного материала с большим коэффициентом температурного расширения. Такая конструкция фокона позволяет ему, изгибаясь, подобно биметаллической пластине, направлять фокусирующий блок (коллектор) на солнце. 1 ил.
Изобретение относится к области бытовых осветительных приборов, а именно к приборам для освещения жилых и не жилых помещений, не имеющих окон (подвалов, коридоров, прихожих, ванных и туалетных комнат, а также рудников, шахт, бассейнов, аквариумов и т.п.).
Общеизвестные осветительные приборы - электрические лампы - обладают существенными недостатками: относительно высоким энергопотреблением, электрической и пожарной опасностью, малым сроком службы, узким частотным спектром излучаемых световых волн.
В настоящее время для освещения все чаще используется естественный дневной свет. Одним из таких решений являются зенитные фонари. Однако зенитные фонари дороги и могут применяться только на верхних этажах зданий.
Сравнительно недавно начали использовать гибридное оптоволоконное устройство прямого солнечного света (http://ecomssia.info/ru). Это устройство предназначено для прямой поставки естественного дневного света внутрь освещаемых помещений. Оно состоит из параболических зеркал (коллектора), фокусирующих солнечные лучи во входной торец оптоволоконного кабеля, транспортирующего далее свет в освещаемое помещение. Часть световой энергии преобразуется затем в энергию электрическую, которая аккумулируется и используется для системы позиционирования и электропитания ламп ночью. Система позиционирования поворачивает зеркала в течение дня, постоянно направляя их на солнце. Наличие системы слежения за солнцем, поворотного мотто подвесного кронштейна требует внешнего электропитания, подводимого от сети или получаемого от преобразования световой энергии в энергию электрическую. Это сложное и дорогостоящее устройство. Как следует из описания, стоимость такой системы достигает 16 тыс. долларов, а ее установка колеблется от 500 до 2000 долларов. Высокая стоимость, сложность, необходимость во внешнем электропитании являются основными недостатками данных систем.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является солнечное оптоволоконное осветительное устройство (Патент на полезную модель №102747, приоритет 28.09.2010 г.), взятое за прототип. В этом устройстве отсутствует система слежения за солнцем. Его коллектор неподвижен и закрепляется на крыше или солнечной стене дома. Солнечный свет в коллекторе с помощью специальной неподвижной линзы и конической стеклянной воронки (фокона) подается на входной торец оптоволоконного кабеля. Световой поток транспортируется по оптоволоконному кабелю, и с другого торца этого кабеля, расположенного в темном помещении, свет рассеивается с помощью рассеивающей линзы, освещая это помещение. Устройство существенно упрощается, поскольку исчезает необходимость позиционирования фокусирующего блока (коллектора) в течение светового дня, полностью отсутствует потребление электроэнергии, значительно увеличивается срок службы устройства, существенно возрастает безопасность его эксплуатации. Однако коллектор данного устройства при своей простоте из-за высокой апертуры обладает худшими характеристиками по сравнению с гибридными системами. Такое устройство наиболее эффективно работает в полуденное время, когда солнце находится в зените и направление солнечных лучей почти совпадает с направлением оси фокона. В утренние и вечерние часы, когда солнечные лучи падают на входной торец фокона под большим углом к оси симметрии фокона, доля отражающейся световой энергии значительно возрастает (из-за малого угла падения и большой апертуры) и КПД устройства стремительно уменьшается.
Техническим результатом заявляемого устройства является улучшение фокусирующих характеристик коллектора и увеличение времени эффективной работы устройства в течение светового дня. Этот технический результат достигается тем, что входной расширяющийся торец кабеля служит элементом для крепления коллектора и его позиционирования в пространстве в направлении солнца, а также фоконом для сужения светового потока. Кроме того, в заявляемом устройстве для уменьшения апертуры фокусировка светового потока осуществляется последовательно трижды. Сначала солнечный поток сужается с помощью специальной эллиптической линзы, а затем с помощью двух параболических эллиптических зеркал (большого и малого). Поэтому лучи, входящие в фокон, почти параллельны друг другу, и их направление практически совпадает с осью симметрии входной части фокона.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство, предназначенное для освещения в дневное время естественным солнечным светом темных комнат в обычной жилой квартире. Фокусирующий блок устройства состоит из фокусирующей линзы (1), корпуса (2), большого фокусирующего зеркала (3), малого фокусирующего зеркала (4). Этот блок закреплен на входном фоконе - расширяющемся конце оптоволоконного кабеля (5), который с помощью крепежного устройства (6) закрепляется на крыше дома или южной стороне дома. На другом конце оптоволоконного кабеля (7) имеется рассеивающая линза (8), которая помещена в освещаемом помещении. Внешняя оболочка фокона (10) выполнена из тонированного материала с высоким коэффициентом температурного расширения в виде отдельных сегментов, изолированных друг от друга термоизоляционными светоотражательными перегородками (9). Перегородки препятствуют нагреву от светового пятна (12), неосвещенных сегментов и прозрачной светопроводящей сердцевины фокона (11). Причем световое пятно по форме и размеру должно совпадать с входным торцом прозрачной светопроводящей сердцевины фокона.
Сфокусированный линзой и зеркалами поток света попадает во входной торец фокона (5). Если коллектор не направлен на солнце, то световое пятно расположено не по центру фокона (см. сечение А-А). При этом несимметричный световой поток инфракрасного (ИК) диапазона, нагревает сегменты (10) из тонированного материала с высоким коэффициентом температурного расширения, пропускающего инфракрасное излучение. Освещаемые сегменты нагреваются и удлиняются, изгибая фокон в сторону солнца, пока световое пятно не окажется в центре торца. Световой поток видимого спектра проходит через прозрачную сердцевину фокона (11), сужаясь до размеров оптоволоконного кабеля (7), проходит через кабель, попадает в рассеивающую линзу (8) и, равномерно распределяясь, освещает темное помещение. Таким образом, «холодный» солнечный свет видимого диапазона транспортируется в темное помещение без какого-либо преобразования в другие виды энергии. Фокон изгибается под действием температуры, подобно биметаллической пластине, и постоянно направляет фокусирующее устройство на солнце, как это делает всем известный подсолнух. При этом направление солнечных лучей всегда совпадает с осью входной части фокона. Входной торец фокона всегда расположен перпендикулярно солнечным лучам. Поэтому практически вся световая энергия проникает в фокон, а не отражается от него. Устройство совсем не потребляет электроэнергии, что обеспечивает его высокую экономичность.
Надежность данного осветительного устройства очень высока, поскольку в нем нет электроприводов, оно не содержит подвижных трущихся деталей, требующих смазки, и оно не зависит от различного рода электроламп, системы электроснабжения, электронных преобразователей, выключателей и т.п. При хорошей прозрачности детали осветительного устройства практически не нагреваются (за исключением освещаемых сегментов фокона), исключается возможность возникновения искр от короткого замыкания, чем достигается высокий уровень безопасности при его эксплуатации.
Розничная цена такого простого и надежного осветительного устройства очень мала. А технические характеристики приближены к гибридному оптоволоконному устройству. Срок службы такого устройства зависит от оптических и механических свойств используемых материалов и в несколько раз превышает срок службы газоразрядных ламп и тем более ламп накаливания.
Снизить стоимость устройства можно также при создании массового производства, целесообразность которого легко прогнозируется большим гарантированным спросом на такую продукцию. Многие элементы конструкции данного устройства могут быть выполнены из пластика, тем более, что уже освоена технология металлизации пластиковых поверхностей. Это обеспечит устройствам легкость, надежность и низкую стоимость. Данное устройство наиболее применимо в южных районах с большим количеством солнечных дней в году.
Солнечное самонаводящееся оптоволоконное осветительное устройство, содержащее фокусирующую линзу, зеркальный корпус, крепежное устройство, оптоволоконный кабель и рассеивающую линзу, отличающееся тем, что содержит большое и малое эллипсовидные фокусирующие зеркала, последовательно сужающие световой поток, до размеров прозрачной светопроводящей сердцевины входного торца гибкого наводящего фокона, который является продолжением оптоволоконного кабеля, а светопроводящая сердцевина, фокона размещается внутри слоя сегментов, изолированных друг от друга, изготовленных из тонированного материала, проводящего инфракрасное излучение, и обладающего высоким коэффициентом температурного расширения.
