本發明涉及太陽能綜合利用領域，具體說是一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置。

背景技術：

隨著我國經濟的快速發展和能源短缺、環境污染問題的日益嚴重，節能減排、低碳生活已成為各行各業的發展趨勢。我國具有豐富的太陽能資源，三分之二以上國土面積的太陽能年總輻射量超過5.0GJ/m²，年平均日照時數超過2200小時。尤其是廣大的華北、西北地區，日照充足，為開發利用太陽能提供了良好的自然條件。

隨著城市建筑趨向高層化和密集化，僅依靠傳統的釆光方式已經不能滿足建筑物內部的釆光要求。尤其是那些建筑較低、暗室及地下倉庫，即使是晴天，室內光線也很昏暗，這在無形之中增加了人工照明的電能損耗，而且給長期在此環境中生活與工作的人身心健康帶來不良影響。

而利用太陽能光纖導光照明系統不僅能夠把清潔健康的陽光均勻導入室內，隨意改變室內光線的整體和局部布局，代替白天的電力照明，大大節省電費開支，而且節能環保，足不出戶便能充分地沐浴陽光。

在能源短缺、環境污染問題的雙重壓力下，綜合利用清潔能源，減少污染和不可再生能源的消耗，是未來的研究重點。太陽能中不僅可以考慮可見光照明，也可以考慮近紅外線發電、發熱，將太陽能中蘊含的能量通過不同裝置利用，提高太陽能的綜合利用率。雖然當前 的太陽光纖照明、太陽能發電、太陽能熱能利用的技術已比較完善，但同時將照明、發電、熱能利用綜合考慮的裝置，卻少有研究。

在已有的太陽能光纖導光照明的相關專利中，有著各種各樣的弊端，如專利201020621250.4，在太陽光不能直射的情況下，照明效果將會很差，同時也沒考慮太陽熱能的利用；專利200920277492.3、201220708663.5未考慮太陽能的綜合利用，而且不能擺脫對傳統能源的消耗；專利201120178341.X未考慮發電，同時在聚光裝置僅考慮視日運動軌跡跟蹤法，有很多局限性，出現誤差后不能自動調整等，且需要定期的人為調整跟蹤裝置的方向。專利201320638567.2是將太陽能轉化為電能，然后再進行照明，這樣在光能利用上，損失較大，且太陽能電池板并未與太陽光完全垂直，光能發電上效率較低。專利201510187982.4并未考慮太陽能的熱能利用。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提出了一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置，該裝置的利用可以同步實現照明、發電及供熱，有效的提高了太陽能的綜合利用效率，減少了傳統能源的消耗。

本發明所述的一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置具體如下：

所述太陽能綜合利用裝置安裝在能充分利用太陽能的屋頂或其他開闊區域；

所述太陽能綜合利用裝置包括太陽能綜合采集器系統、發電系統、照明系統、熱能供給系統及控制系統；

所述的太陽能綜合采集器系統包括透明濾紫外線防護罩1，由多個菲涅爾透鏡2形成的菲涅爾透鏡組，綜合采集器7、隔熱石英和紅 外線濾光組件8，耐熱石英耦合器10及光纖11；

所述透明濾紫外線防護罩1安裝在綜合采集器7的上部，主要隔絕雨、雪及灰塵，同時在透明濾紫外線防護罩1上的濾紫外線膜可以保證大部分的紫外線不進入綜合采集器7內；

所述菲涅爾透鏡組安裝在綜合采集器7的口部，所述菲涅爾透鏡組中部分菲涅爾透鏡2用于照明、部分菲涅爾透鏡2用于發電、部分菲涅爾透鏡2用于供給熱能；所述耐熱石英耦合器10中部分耐熱石英耦合器10用于照明、部分耐熱石英耦合器10用于發電、部分耐熱石英耦合器10用于供給熱能；所述光纖11中的部分光纖11用于照明、部分光纖11用于發電、部分光纖11用于供給熱能；

在用于照明的菲涅爾透鏡2的0.7倍焦距上設置隔熱石英和紅外線濾光組件8，且所述隔熱石英和紅外線濾光組件8與用來照明的菲涅爾透鏡2一一對應，且安裝在綜合采集器7的中部；在所述綜合采集器7的底部安裝有用于照明的耐熱石英耦合器10，所述用于照明的耐熱石英耦合器10與所述菲涅爾透鏡2一一對應，且所述用于照明的耐熱石英耦合器10的端部距菲涅爾透鏡2的距離正好等于所述相應的菲涅爾透鏡2可見光的焦距，且用于照明的耐熱石英耦合器10的端部面積是所述相應菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍；

用于照明的光纖11一端與用于照明的耐熱石英耦合器10相連，另一端連接至照明系統的采光區域13；

所述照明系統包括漫射器12、采光區域13、LED燈14、LED燈電線15及蓄電池組18，所述采光區域13內安裝有漫射器12，漫射器12安裝在進入采光區域13的光纖11的末端；所述采光區域13內安裝有LED燈14，LED燈14通過LED燈電線15與蓄電池組18連接，在晚上或無法利用太陽光的情況下，保證采光區域13的照明；

發電系統由太陽能電池板發電系統和光纖發電系統組成；在系統正常運行時，太陽能電池板因時刻保持與太陽的垂直狀態，保證最大效率的進行發電，并通過太陽能電池板電流傳輸線對蓄電池組進行充電；光纖發電系統中用于發電的光纖通過耐熱石英耦合器直接獲取透過菲涅爾透鏡的太陽能，并將太陽能聚集至發電裝置中；

用于發電的光纖11通過耐熱石英耦合器10直接獲取透過菲涅爾透鏡2的太陽能，并將太陽能聚集至發電裝置22中；

用于發電的耐熱石英耦合器10直接獲取透過菲涅爾透鏡2的太陽能，用于發電的耐熱石英耦合器10安裝在所述綜合采集器7的底部，且與用于發電的菲涅爾透鏡2一一對應，且用于發電的耐熱石英耦合器10的端部距用于發電的菲涅爾透鏡2的距離正好等于通過所述相應的菲涅爾透鏡2的紅外線的焦距的0.95，用于發電的耐熱石英耦合器10的端部面積是所述相應的菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍；

用于發電的光纖11一端與用于發電的耐熱石英耦合器10相連，另一端連接至發電系統的凸透鏡21；

所述的光纖發電系統包括凸透鏡21、發電裝置22、光感發電元器件23、發電系統電線24；在用于發電的光纖11的末端安裝有與其一一對應的凸透鏡21，同時在凸透鏡21的焦點處放置光感發電元器件23，光感發電元器件23的面積與凸透鏡21的投影面積一致，凸透鏡21和光感發電元器件23均固定在發電裝置22里，發電裝置22通過發電系統電線24與蓄電池組18連接；

太陽能電池板發電系統包括太陽能電池板6和太陽能電池板電流傳輸線26，太陽能電池板6通過與蓄電池組18連接，在有可利用的太陽光時，進行發電，并對蓄電池進行充電。

用于供給熱能的耐熱石英耦合器10直接獲取透過菲涅爾透鏡2太 陽能，所述用于供給熱能的耐熱石英耦合器10安裝在綜合采集器7的底部，且與用于供給熱能的菲涅爾透鏡2一一對應，且用于供給熱能的耐熱石英耦合器10的端部距菲涅爾透鏡2的距離正好等于通過所述相應的菲涅爾透鏡2的紅外線的焦距的0.75，耐熱石英耦合器10的端部面積應是所述相應的菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍；

用于供給熱能的光纖11的一端與用于供給熱能的耐熱石英耦合器10相連，另一端連接至熱能供給系統的凸透鏡21；

所述熱能供給系統包括凸透鏡21、水箱34、水箱溫度感應器35、溫度感應器傳輸線36、水箱攪拌器31、電加熱器32、水箱攪拌器電線3及水箱攪拌器控制信號線29；所述熱能供給系統的水箱34內壁上嵌固有與用于供給熱能的光纖11一一對應的凸透鏡21，所述水箱34上部安裝自來水進水管41，下部安裝出水管，并通過閥門控制；在水箱34內安裝有水箱溫度感應器35，同時水箱溫度感應器35通過溫度感應器傳輸線36與控制系統的綜合控制器37連接；

所述控制系統包括采集支撐架9、連接器20、方位角系統19、方位角系統控制信號線28、高度角系統33、光電感應元件5、高度角系統控制信號線38、綜合控制器37、全球定位系統和當地時鐘；

所述綜合采集器7通過連接裝置安裝在采集器支撐架9上，在采集器支撐架9的一側安裝高度角系統33，采集器支撐架9通過連接器20放置在方位角系統19上，高度角系統33通過高度角系統控制信號線38與綜合控制器37連接，方位角系統19通過方位角系統控制信號線28與綜合控制器37連接，在綜合控制器37內集成全球定位系統和當地時鐘，由此組成太陽光綜合采集器的控制系統，保證綜合采集器7能與太陽光垂直，充分利用太陽能。

進一步的，所述水箱34中安裝有電加熱器32，所述電加熱器32 與綜合控制器37和市政電40連接，在無法利用太陽能或溫度不能保證時，優先利用蓄電池加熱，在蓄電池電量不足時，利用市政電加熱。

進一步的，所述水箱34底部安裝水箱攪拌器31，以保證水箱里的水受熱均勻，水箱攪拌器31通過水箱攪拌器電線3與蓄電池組18連接，水箱攪拌器31通過水箱攪拌器控制信號線29與控制系統的綜合控制器37連接。

進一步的，綜合采集器7頂部周邊設置有太陽能電池板6，在綜合采集器7與太陽能電池板6連接處設置光電感應元件5，光電感應元件5通過光電感應元件信號線39與控制系統的綜合控制器37連接，所述太陽能電池板6通過太陽能電池板電流傳輸線26與蓄電池組18連接。

進一步的，所述照明系統的蓄電池組與市政電電線連接；所述照明系統的蓄電池組與控制系統的綜合控制器37連接；所述照明系統的蓄電池組通過方位角系統電線17與方位角系統19連接；所述照明系統的蓄電池組通過高度角系統電線4與高度角系統33連接。

本發明所述技術方案的有益效果在于：①利用耐熱石英耦合器和光纖對菲涅爾透鏡獲取的太陽光能進行分流，分別接入照明系統、發電系統及熱能供給系統，并通過設定特定耐熱石英耦合器與菲涅爾透鏡的距離及耐熱石英耦合器的端部面積，實現最大化的光能利用；②本發明所述的裝置采用自動追蹤裝置與全球定位系統和當地時間相結合的控制系統，保證太陽光與綜合采集裝置時刻保持垂直，最大效率的利用太陽能；③本發明所述的裝置將太陽能中對人有害的紫外光濾除，給人提供舒適的光照環境，減少傳統電能的消耗；④本發明所述的采用自動控制技術，可以降低人工成本，同時，提高了系統運行的準確性，穩定性；⑤本發明所述的裝置綜合利用太陽能，大部分時 間實現自給自足，不消耗其他能源，而且利用的是清潔能源，環保可靠。

附圖說明

圖1一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置結構組成示意圖；

附圖2一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置的綜合采集器控制流程示意圖；

附圖3一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置的照明系統工作流程示意圖。

附圖4一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置的發電系統工作流程示意圖；

附圖5一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置的熱能系統工作流程示意圖；

圖中：1透明濾紫外線防護罩、2菲涅爾透鏡、3水箱攪拌器電線、4高度角系統電線、5光電感應元件、6太陽能電池板、7綜合采集器、8隔熱石英和紅外線濾光組件、9采集器支撐架、10耐熱石英耦合器、11光纖、12漫射器、13采光區域、14LED燈、15LED燈電線、16基礎、17方位角系統電線、18蓄電池組、19方位角系統、20連接器、21凸透鏡、22發電裝置、23光感發電元器件、24發電系統電線、25市政電電線、26太陽能電池板電流傳輸線、27蓄電池組控制信號線、28方位角系統控制信號線、29水箱攪拌器控制信號線、30電加熱器控制線、31水箱攪拌器、32電加熱器、33高度角系統34水箱、35水箱溫度感應器、36溫度感應器傳輸線、37綜合控制器、38高度角系統控制信號線、39光電感應元件信號線、40市政電、41 自來水進水管。

具體實施方式

為更加詳細的描述本發明所述的技術方案，現結合附圖對本發明所述技術方案進行詳細說明，具體如下：

一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置包括太陽能綜合采集器系統、發電系統、照明系統、熱能供給系統及控制系統；

所述的太陽能綜合利用裝置安裝在屋頂或其他開闊區域，能充分利用太陽光能。綜合采集器7是利用太陽光的重要裝置，由透明濾紫外線防護罩1，菲涅爾透鏡2，隔熱石英和紅外線濾光組件8，耐熱石英耦合器10，光纖11等組成。所述的透明濾紫外線防護罩1安裝在綜合采集器7的上部，主要隔絕雨、雪、灰塵等，同時在透明濾紫外線防護罩1上的濾紫外線膜可以保證大部分的紫外線不進入綜合采集器7內。所述的多組菲涅爾透鏡2安裝在綜合采集器7的口部，在用來照明的部分菲涅爾透鏡2的0.7倍焦距上設置隔熱石英和紅外線濾光組件8，隔熱石英和紅外線濾光組件8與用來照明的部分菲涅爾透鏡2一一對應，且安裝在綜合采集器7的中部；耐熱石英耦合器10安裝在所述的綜合采集器7的底部，且與菲涅爾透鏡2一一對應，且耐熱石英耦合器10的端部距菲涅爾透鏡2的距離正好等于所述相應的菲涅爾透鏡2可見光的焦距，耐熱石英耦合器10的端部面積應是所述相應的菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍。光纖11的一端與耐熱石英耦合器10相連，另一端分別連接至采光區域13，發電裝置22和水箱34。

（2）所述的綜合采集器7通過連接裝置安裝在采集器支撐架9上，在采集器支撐架9的一側安裝高度角系統33，采集器支撐架9通過 連接器20放置在方位角系統19上，在綜合采集器7與太陽能電池板6連接處設置光電感應元件5，光電感應元件5通過光電感應元件信號線39與綜合控制器37連接，高度角系統33通過高度角系統控制信號線38與綜合控制器37連接，方位角系統19通過方位角系統控制信號線28與綜合控制器37連接，在綜合控制器37內集成全球定位系統和當地時鐘，由此組成太陽光綜合采集器的控制裝置，保證綜合采集器7能與太陽光垂直，充分利用太陽能,具體控制流程詳見附圖2。

（3）在所述的采光區域13內安裝漫射器12，漫射器12安裝在進入采光區域13的光纖11的末端，保證光線的柔和和散射，擴大照明范圍。同時在采光區域13內安裝LED燈14，LED燈14通過LED燈電線15與蓄電池組18連接，在晚上或無法利用太陽光的情況下，保證采光區域13的照明，具體控制流程詳見附圖3。

（4）在所述的綜合采集器7內的部分光纖11，無需通過隔熱石英和紅外線濾光組件8，直接將太陽光通過上述的耐熱石英耦合器10，將太陽能聚集至發電裝置22里，耐熱石英耦合器10安裝在所述的綜合采集器7的底部，且與菲涅爾透鏡2一一對應，且耐熱石英耦合器10的端部距菲涅爾透鏡2的距離正好等于通過所述相應的菲涅爾透鏡2的紅外線的焦距的0.95，耐熱石英耦合器10的端部面積應是所述相應的菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍。在光纖11的末端，安裝與光纖11一一對應的凸透鏡21，同時在凸透鏡21的焦點處放置光感發電元器件23，光感發電元器件23的面積與凸透鏡21的投影面積一致，凸透鏡21和光感發電元器件23均固定在發電裝置22里。發電裝置22通過發電系統電線24與蓄電池組18連接。與綜合采集器7連接的太陽能電池板6，通過太陽能電池板電流傳輸線26與蓄 電池組18連接，具體控制流程詳見附圖4。

（5）在所述的綜合采集器7內的部分光纖11，無需通過隔熱石英和紅外線濾光組件8，直接將太陽光通過上述的耐熱石英耦合器10，將太陽能聚集至水箱34里，耐熱石英耦合器10安裝在所述的綜合采集器7的底部，且與菲涅爾透鏡2一一對應，且耐熱石英耦合器10的端部距菲涅爾透鏡2的距離正好等于通過所述相應的菲涅爾透鏡2的紅外線的焦距的0.75，耐熱石英耦合器10的端部面積應是所述相應的菲涅爾透鏡2的焦斑的2倍。在光纖11的末端，安裝與光纖11一一對應的凸透鏡21，凸透鏡21嵌固在帶保溫的水箱34里。水箱34上部安裝自來水進水管41，下部安裝出水管，并通過閥門控制。在水箱34里安裝水箱溫度感應器35，同時水箱溫度感應器35通過溫度感應器傳輸線36與綜合控制器37連接。在水箱34里安裝電加熱器32，同時電加熱器32同時與綜合控制器37和市政電40連接，在無法利用太陽能或溫度不能保證時，利用市政電40加熱。在水箱34底部安裝水箱攪拌器31，保證水箱里的水受熱均勻，水箱攪拌器31通過水箱攪拌器電線3與蓄電池組18連接，水箱攪拌器31通過水箱攪拌器控制信號線29與綜合控制器37連接。具體控制流程詳見附圖5。

（6）所述的蓄電池組18放置在基礎16上，在蓄電池組18上部放置方位角系統19和綜合采集器7系統。蓄電池組18通過太陽能電池板電流傳輸線26與太陽能電池板6連接。蓄電池組18通過發電系統電線24與發電裝置22連接。蓄電池組18通過市政電電線25連接。蓄電池組18通過蓄電池組控制信號線27與綜合控制器37連接。蓄電池組18通過方位角系統電線17與方位角系統19連接。蓄電池組18通過高度角系統電線4與高度角系統33連接。蓄電池組18通過 LED燈電線15與LED燈14連接。蓄電池組18通過水箱攪拌器電線3與水箱攪拌器31連接。

本發明所述的一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置的工作過程為：

（1）初始運行時，市政電通過市政電電線25向蓄電池組18進行充電，同時打開水箱34的自來水開關，灌80%的水，然后運行其他各個部件，保證系統都能正常運行。

（2）本套發明裝置放置在屋頂或開闊區域。綜合控制器37內放置全球定位系統和當地時間軟件，在兩者的作用下，確定裝置放置區太陽升起和落下的時間。在該段時間內，裝置進行照明、發電、發熱工作。其余時間，僅綜合控制器37進入運行狀態，保證LED燈14以及水箱34的正常監測。

（3）在正常工作時段，綜合控制器37內的全球定位系統和當地時間共同作用，驅動方位角系統19和高度角系統33運行，保證綜合采集器7和太陽能電池板6均能與太陽光垂直，并通過光電感應元件5進行校正，保證整個綜合采集器7和太陽能電池板6時刻與太陽保持垂直。驅動方位角系統19和高度角系統33運行時，均利用相關線路從蓄電池組18上獲取電能。而太陽能電池板6因時刻保持與太陽的垂直狀態，保證最大效率的進行發電，并通過太陽能電池板電流傳輸線26對蓄電池組18進行充電。

（4）綜合采集器7時刻與太陽保持垂直，太陽光線通過透明濾紫外線防護罩1時，濾除大部分的紫外線，然后進入到菲涅爾透鏡2上。在進行照明的系統上，通過菲涅爾透鏡2的太陽光線在隔熱石英和紅外線濾光組件8的作用下，將紅外線進行過濾，僅可見光通過，然后在耐熱石英耦合器10上進行匯聚耦合。耦合后的可見光通過光纖11， 傳輸至采光區域13內，光線進入房間后，在漫射器12的作用下，進行漫散射，將光線變得柔和，擴大照明區域。

（5）在進行發電的系統上，光線無需通過隔熱石英和紅外線濾光組件8，直接與相應位置的耐熱石英耦合器10進行匯聚耦合，耦合后主要的近紅外線通過光纖11進入發電裝置22里，并在發電裝置22里的凸透鏡21的作用下，再次進行匯聚至相應位置的光感發電元器件23上，進而產生電能，并通過發電系統電線24進入蓄電池組18進行充電。

（6）在進行熱能利用的系統上，光線無需通過隔熱石英和紅外線濾光組件8，直接與相應位置的耐熱石英耦合器10進行匯聚耦合，耦合后的可見光。紅外線等通過光纖11進入水箱34里，并在內嵌在水箱34里的凸透鏡21作用下，進行匯聚，并作用于水箱的水中，對水進行加熱，同時水箱34底部的水箱攪拌器31通過蓄電池組18提供的電能進行工作，攪動水箱的水，保證均勻受熱。而水箱34上的水箱溫度感應器35時時將溫度傳輸給綜合控制器37，并直觀顯示給用戶。此時的電加熱器32不運行。

（7）蓄電池組18內部安裝有蓄電池及其他控制元件，保證蓄電池組18的正常工作。蓄電池組18由發電裝置22和太陽能電池板6以及市政電進行充電。在正常工作情況下，無需市政電工作。而需要從蓄電池組18上用電的系統有LED燈14，方位角系統19，高度角系統33，以及水箱攪拌器31和電加熱器32。正常情況下，電加熱器32不運行。

（8）裝置上的相關控制和傳輸信號，如高度角系統工作信號、方位角系統工作信號、蓄電池系統、熱能利用系統、光電感應元件等均與綜合控制器連接，進行監測控制，保證系統正常運行。

（9）在無太陽能利用的情況下，如夜晚、陰天等，高度角系統和方位角系統不工作，采光區域13由LED燈14進行保證照明。發電裝置22不工作。蓄電池組18在綜合控制器37的監測下，及時確定所存電量，在電量不足的情況下，打開市政電源，進行充電。而水箱34中的水箱溫度感應器35及時將溫度反饋給綜合控制器37，時時監測水溫，當水溫低于用戶要求時，由電加熱器32進行加熱，水箱攪拌器31正常運行；在蓄電池組18電量不足下，直接由市政電進行加熱。在晚上時段，每周的其中一天，在蓄電池組18電量充足的情況下，單獨運行水箱攪拌器31和電加熱器32半小時左右，將水溫升高至80℃，進行消毒殺菌。

以上對本發明所提出的一種基于太陽能光纖的太陽能綜合利用裝置進行了詳細介紹，本文中應用了實施例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本申請的限制。