Система природного освітлення приміщення та спосіб настроювання системи

1. Система естественного освещения помещения, содержащая наружный приемник солнечного излучения, состоящий из ряда концентраторов, опорные элементы для монтажа концентраторов и устройство передачи солнечного излучения, отличающаяся тем, что наружный приемник солнечного излучения, соединенный посредством световодов с рассеивателями, установленными в освещаемом помещении, выполнен в виде блока несвязанных между собой секций, каждая из которых образована группой концентраторов, общее количество которых равно углу небесной сферы, поделенному на угол диаграммы направленности концентраторов, при этом секции установлены по направлению восток - запад, центральные секции расположены ниже соответствующих боковых и ориентированы наклонно к югу от вертикали на угол полуденной высоты Солнца, равный углу географической широты в месте применения системы , ± угол отклонения земной оси от эклиптики, в направлении север-юг, а боковые секции ориентированы наклонно от горизонтали соответственно на восток и на запад независимо от угла географической широты ± угол отклонения земной оси от эклиптики в направлении север-юг. 2. Способ настройки системы естественного освещения помещений, включающий ориентирование концентраторов в направлении источника излучения, отличающийся тем, что ориентирование концентраторов осуществляют в процессе установки системы, при этом небесную сферу C2 (54) СИСТЕМА ПРИРОДНОГО ОСВІТЛЕННЯ ПРИМІЩЕННЯ ТА СПОСІБ НАСТРОЮВАННЯ СИСТЕМИ 32444 ния лестничных площадок и других помещений многоэтажных зданий с планировкой закрытого типа, не имеющих окон, а также для освещения шахтных помещений. Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является "Система усиления и улавливания солнечной энергии" (Solar energy intensifier and collector system), описанная в пат. США № 5010873, М.Кл.5 F24J 2/08, НКИ 126.440,1991 г. Система содержит наружный приемник солнечного излучения (ряд выпуклых линз-концентраторов, размещенных в одной плоскости по дуге одной или более концентрических окружностей), опорные элементы для монтажа концентраторов (средства их монтажа) и устройство передачи солнечного излучения (ряд рефлекторов, числом, равным числу линз, каждый из которых предназначен для отражения сконцентрированных соответствующей линзой солнечных лучей к центру окружности, на которой расположена эта линза). В фокальной зоне линз размещено устройство передачи солнечной энергии далее по назначению. В данной системе не используются средства, обеспечивающие слежение за перемещением солнца в течение светового дня и соответствующее ориентирование линз-концентраторов, что упрощает конструкцию системы, а качество приема солнечной энергии определяется указанным выше расположением линз-концентраторов. Недостатком данной системы является невысокая эффективность ее работы, определяемая тем, что смонтированные вышеуказанным образом линзы-концентраторы в состоянии обеспечивать прием в основном рассеянного солнечного излучения, а не прямых солнечных лучей. При этом достичь яркости светового потока, необходимой для дальнейшей его передачи, а затем использования для освещения помещения со светонепроницаемыми стенками практически невозможно. В основу изобретения устройства поставлена задача создания системы естественного освещения помещения, в которой за счет предлагаемого размещения концентраторов в наружном приемнике солнечного излучения обеспечивается постоянный прием, помимо рассеянного солнечного излучения, прямых солнечных лучей на протяжении всего светового дня и в различное время года, что значительно повышает эффективность работы системы. Поставленная задача решается тем, что в системе естественного освещения помещения, содержащей наружный приемник солнечного излучения, состоящий из ряда концентраторов, опорные элементы для монтажа концентраторов и устройство передачи солнечного излучения посредством световодов от наружного приемника солнечного излучения к рассеивателям, установленным в освещаемом помещении, наружный приемник солнечного излучения выполнен в виде блока не связанных между собой секций, каждая из которых образована группой концентраторов, общее количество которых равно углу небесной сферы, поделенному на угол диаграммы направленности концентраторов, при этом секции установлены по направлению восток-запад, централь ные секции расположены ниже соответствующих боковых и ориентированы наклонно к югу от вертикали на угол полуденной высоты солнца, равный углу географической широты в месте применения системы, ± угол отклонения земной оси от эклиптики в направлении север-юг, а боковые секции ориентированы наклонно к горизонтали соответственно на восток и запад независимо от угла географической широты ± угол отклонения земной оси от эклиптики в направлении север-юг. Благодаря тому, что в системе естественного освещения помещения наружный приемник солнечного излучения представляет собой блок секций, каждая из которых образована группой концентраторов, и предлагаемому взаиморасположению секций и соответствующей их ориентации обеспечивается такая работа системы, когда основной поток прямых солнечных лучей воспринимается последовательно и поочередно каждой из секций по мере перемещения солнца по небесной сфере в течение светового дня по траектории его движения с востока через зенит на запад, причем в любое время года. При этом обеспечивается постоянный прием рассеянного света. Благодаря тому, что общее количество концентраторов в секциях равно углу небесной сферы, поделенному на угол диаграммы направленности концентраторов, обеспечивается полный охват траекторий перемещения солнца по небесной сфере в течение всего светового дня. Благодаря тому, что каждая секция образована группой концентраторов, достигается наиболее полный охват участка небесной сферы, на который ориентирована данная секция концентраторов. Кроме того, выполнением наружного приемника солнечного излучения в виде блока секций, не связанных между собой, достигается упрощение монтажа системы на месте ее использования. Известны различные способы обеспечения наиболее полного приема солнечных лучей для достижения высокой эффективности работы системы, использующей солнечную энергию. Большинство известных способов для решения этой задачи используют слежение за перемещением солнца по небосклону. Так, например, в техническом решении "Солнечный коллектор", описанном в А.С. СССР №1560944, М.Кл.5 F24J2/23. 1990 г., конический концентратор имеет фиксированное положение, а по его внутренней поверхности движется приемник измерения с контроотражателями, которые осуществляют слежение за видимым движением солнца. При этом во время работы коллектора в течение дня автоматически осуществляют коррекцию скорости вращения приемника излучения в ответ на сигналы датчика, реагирующего на меридиональное перемещение солнца по небосводу. Недостатком данного способа является его сложность и высокая энергозатратность. Известно также техническое решение, описанное в патенте ФРГ №3934516, М.Кл.5 F24J2/18, 1991 г., в котором для обеспечения эффективного приема солнечного излучения используют концентратор фасеточного типа. Фасеты располагают в горизонтальной плоскости, параллельной ряду линз Френеля. Фасеты представляют собой призмы, имеющие зеркальную поверхность и такой 2 32444 угол преломления, что почти горизонтальные лучи, дважды пройдя через призму, преобразуются таким образом, что падают на приемную поверхность примерно под тем же углом, что и вертикальные. Это делает ненужным операцию слежения за перемещением солнца по небесной сфере. Данное техническое решение имеет тот недостаток, что требуется очень высокая точность изготовления и сборки оптических элементов концентратора. Кроме того, юстировка такой системы представляет собой сложный технологический процесс. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ работы концентратора, приведенной в заявке Японии №3-53531, М.Кл.5 F24J 2/36, 1991 г., заключающийся в том, что сначала фиксируют отклонение концентратора от направления на солнце датчиком-детектором, затем блок управления выдает управляющий сигнал и осуществляют при помощи исполнительных механизмов последующий поворот концентратора на угол, равный углу отклонения. Недостатком данного способа также является высокая энергоемкость. Потребление энергии на осуществление слежения превышает экономию электроэнергии от замены искусственного освещения естественным, особенно для случая использования только световой части лучистой энергии, тем более с учетом необходимости ее дальнейшей передачи. Такое техническое решение неприемлемо для освещения закрытых помещений. Кроме того, эксплуатационная надежность его недостаточно высока из-за большого количества операций, выполняемых исполнительными механизмами. В основу изобретения-способа поставлена задача создания такого способа настройки системы естественного освещения помещения, который за счет предлагаемой совокупности операций по ориентированию концентраторов наружного приемника солнечного излучения на источник излучения, обеспечивает прием солнечного излучения, прежде всего, непосредственно направленного от Солнца, и кроме того, косвенного (рассеянного и отраженного от внешних объектов) светового потока. При этом, сравнительно с прототипом по заявке Японии №3-53531 предлагаемый способ должен обеспечить возможность упрощения конструкции, снижения энергозатратности в процессе эксплуатации и упрощения эксплуатации системы естественного освещения, при обеспечении высокой эффективности приема солнечного излучения в течение светового дня. Эта задача решается тем, что в способе настройки системы естественного освещения помещения, включающем ориентирование концентраторов в направлении источника измерения, указанную операцию осуществляют в процессе установки системы, при этом первоначально небесную сферу разбивают по траектории суточного движения источника излучения на секторы, а концентраторы наружного приемника солнечного излучения устанавливают в последовательном порядке и ориентируют по азимутам направления на источник излучения в том же порядке на отдельно взятый сектор небесной сферы, при этом величину наибольшего отклонения траектории по направлению к полюсу: в северном полушарии - к северу, в южном полушарии - к югу, устанавливают по расположению солнца в полдень летнего солнцестояния, а по направлению к экватору - по расположению солнца в полдень зимнего солнцестояния дифференцированно для каждой географической широты места размещения системы освещения, после чего положение концентраторов фиксируют и сохраняют на весь срок работы системы. Кроме того, азимуты направления на источник излучения определяют по зависимостям : Sх = S ( sin j cos Y cos m - cos j sin Y) (направление север - юг); Sy = S cos Y sin m (направление восток - запад); Sz = S (cos j cos Y cos m + sin j sin Y) (направление по нормали), где: Sx ,Sy,Sz — проекции вектора направления на солнце ( S ) по осям север - юг, восток - запад и по нормали; Y =d cos r; d - склонение Солнца или угол наклонения эклиптики или угол наклона плоскости эклиптики к плоскости экватора,равный 23° 27' ; r - угол отклонения Земли от начальной точки, отсчитываемый от точки прохождения летнего солнцестояния ; j - широта места ; m - угол суточного смещения точки на поверхности Земли относительно точки полудня. Благодаря тому, что ориентирование концентраторов наружного приемника солнечного излучения осуществляют в процессе установки системы естественного освещения посредством первоначального разбиения небесной сферы на секторы по траектории суточного движения солнца, затем последующей установки концентраторов в последовательном порядке и их ориентирования по азимутам направления на источник излучения солнце в том же порядке на отдельно взятый сектор небесной сферы, учитывающего наибольшие отклонения траектории солнца, а затем фиксации данного положения концентраторов, достигается наиболее полный охват траектории перемещения солнца в течение светового дня в любое время года. По сравнению с прототипом способа, такое ориентирование, с одной стороны, делает ненужным постоянное отслеживание движения источника излучения в процессе работы системы, и, с другой стороны, повышает эффективность использования светового потока Солнечного излучения, так как прежде всего принимаются лучи, непосредственно идущие от Солнца, и, кроме того, принимаются отраженные лучи от всего небосвода, включая рассеянное отражение света от облаков и других объектов. В результате увеличивается эффективность использования заявленного технического решения и повышается удобство эксплуатации системы наряду с улучшением его экономических показателей (повышается надежность, снижаются затраты на переориентацию в процессе эксплуатации, создаются условия получения увеличенной освещенности в местах потребления светового потока в освещаемых помещениях). Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где изображены: 3 32444 11) больше количества концентраторов по "зимней" траектории (ряд 12). Центральная секция 13 ориентирована наклонно от вертикали к югу на угол j + d, а центральная секция 14 ориентирована наклонно от вертикали к югу на угол j - d. На диаграммах, изображенных на фиг. 6, 7 и 8, показана схема освещения Земли Солнцем в наиболее характерных положениях в день летнего и зимнего солнцестояния и в день весеннего (осеннего) равноденствия соответственно, поясняющая принятые условия способа ориентации системы на земной поверхности. Здесь условно обозначены: О-О - ось Земли; Э-Э - экватор; N - нормаль к земной поверхности в точке применения предлагаемой системы; S - направление солнечных лучей в полдень; Т - направление ориентации оси концентратора центральной секции ; М - место расположения системы на земной поверхности. Система естественного освещения помещения работает следующим образом. В течение дневного времени световой поток попадает в концентраторы 10 соответствующей секции 7, 8 или 9 по фиг.2 (либо секции 13, 14, 15, 16, 17 или 18 по фиг.5), настроенной на соответствующий сектор небесной сферы обращенной к солнцу, затем через систему световодов 4 попадает в рассеиватели 5, например щелевые, откуда поток света попадает в освещаемое закрытое помещение 6. Взаиморасположение указанных секций обеспечивает следующую схему работы системы. С утра, когда солнце еще низко над горизонтом и находится на востоке, основной световой поток принимается секцией 7, ориентированной на восток, а ее расположение выше секции 8 и ориентация в вертикальной плоскости наклонно ближе к горизонту способствует наилучшему приему светового потока в утреннюю и дообеденную часть суток. По мере подъема солнца и приближения его к зениту, световой поток воспринимается в большей степени центральной секцией 8, ориентированной на юг и наклонно ближе к вертикали. По мере приближения солнца к закату все большая часть светового потока воспринимается секцией 9, расположенной выше центральной 8 и ориентированной на запад с наклоном ближе к горизонтали. В промежуточные часы времени суток световой поток воспринимается несколькими смежными секциями одновременно. Также одновременно все секции воспринимают поток рассеянного и отраженного света от всей небесной сферы. При двухрядном расположении концентраторов в летний период, с наиболее ярким проявлением в день летнего солнцестояния (см. диаграмму на фиг. 6) в основном световой поток воспринимают концентраторы 10 секций ряда 11, а в зимний период времени с наиболее ярким проявлением в день зимнего солнцестояния (см. диаграмму на фиг. 7) концентраторы 10 секций ряда 12. Способ настройки системы естественного освещения помещения осуществляют следующим образом. фиг. 1 - общий схематический вид системы естественного освещения помещения; фиг.2 - трехсекционный вариант наружного приемника солнечного излучения; фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; фиг.5 - двухрядный вариант установки концентраторов наружного приемника солнечного излучения; фиг.6 - диаграмма ориентации концентраторов в день летнего солнцестояния; фиг.7 - то же, в день зимнего солнцестояния; фиг.8 - то же, в день весеннего (осеннего) равноденствия; фиг.9 - схема осуществления ориентирования концентраторов. Предлагаемая система естественного освещения помещения содержит наружный приемник 1 солнечного излучения, установленный с помощью опорных элементов 2 на крыше здания 3 и соединенный посредством световодов 4 со щелевыми рассеивателями 5 светового потока, установленными в освещаемых помещениях 6 в здании 3 (фиг.1). Наружный приемник 1 солнечного излучения выполнен в виде блока не связанных между собой секций: центральной 8 и боковых 7 и 9. Каждая секция образована группой концентраторов 10 (фиг.2). Количество концентраторов в секции определяется охватом небесной сферы в пределах секции в направлении север - юг, а количество секций определяется охватом небесной сферы в направлении восток-запад в пределах перемещения солнца в течение светового дня. В общем случае в центральных и боковых секциях может быть по 1-3 концентраторов 10 в каждой группе. В описываемом варианте (фиг.2) конкретного выполнения системы показаны группы из одного концентратора 10. Центральная секция 8 расположена ниже соответствующих боковых секций 7 и 9 и ориентирована наклонно к югу от вертикали на угол полуденной высоты Солнца, равный углу географической широты j в месте применения системы ± угол отклонения земной оси от эклиптики d, в направлении север-юг (фиг.3). Боковые секции 7 и 9 ориентированы наклонно от горизонтали соответственно на восток и на запад независимо от угла географической широты (j ± угол отклонения земной оси от эклиптики d в том же направлении север-юг (фиг.4). Другим вариантом выполнения приемника солнечного излучения является двухрядный (ряды 11 и 12) вариант установки концентраторов в виде центральных секций 13 и 14, а также боковых - 15, 16, 17 и 18 (фиг.5). Крайние точки в направлении север - юг определяются отклонением траектории движения солнца по временам года, а крайние точки в направлении восток-запад определяются углом поворота Земли от восхода Солнца до его захода. Поскольку в различное время года этот угол различен, то протяженность небесной сферы в зимний период короче, чем в летний, и поэтому количество концентраторов по "летней" траектории (ряд 4 32444 Посредством известных приемов, например геометрических, небесную сферу разбивают по траектории перемещения солнца по небесной сфере в течение светового дня (от точки восхода Солнца через точку зенита до захода Солнца) по числу желаемого количества секторов. Затем, согласно данному предложению, в каждом из секторов устанавливают в последовательном порядке концентраторы наружного приемника солнечного излучения. Потом каждый из концентраторов ориентируют по заранее определенным (по указанным в п.З формулы зависимостям) азимутам направления на источник излучения. Ориентация каждого из концентраторов 10 принята исходя из обеспечения наилучшего восприятия дневного солнечного света в различных условиях возможного взаиморасположения планеты Земля и Солнца. Это достигается тем, что концентраторы 10 приемника 1 солнечного излучения монтируют над зданием 3 или на его крыше следующим образом: устанавливают в последовательном порядке по направлению с востока на запад и ориентируют концентраторы 10 соответствующей секции 7, 8 или 9 по фиг.2 (либо секции 13, 14, 15, 16, 17 или 18 по фиг. 5) в том же порядке на соответствующий сектор небесной сферы по азимутам направления на источник излучения. При этом величину наибольшего отклонения траектории по направлению к северному полюсу, если систему применяют в северном полушарии или по направлении к южному полюсу, если систему применяют в южном полушарии, устанавливают по направлению на Солнце в полдень летнего солнцестояния. (См. пояснения на фиг.6). Величину наибольшего отклонения траектории солнца к экватору устанавливают по направлению расположения солнца в полдень зимнего солнцестояния (см. пояснения на фиг.7) в зависимости от географической широты места применения системы. Ориентирование осуществляют по значениям проекций SX, SY и SZ вектора S направления данного концентратора на солнце, откладывая их по направлению на юг (Sx), восток или запад (Sy) и по нормали (Sz). Также это ориентирование возможно осуществить по углу отклонения от полуденной линии в горизонтальной плоскости (азимут А) и углу склонения С (фиг.9). При этом, параметры А и С могут быть определены на основании данных о проекциях Sx, Sy и S вектора S по известным тригонометрическим зависимостям. Например, азимут может быть определен (см. также фиг.9) по формуле А = =arc tg (Sy /Sx, а угол склонения С = arc tg (Sz / V( Sx2 + Sy2)). Для примера, рассмотрен случай использования данного изобретения в центральной полосе Украины (географическая широта Украины, как известно, составляет от 44°20' до 52°20' , в среднем 48°21', долгота, как не влияющая на параметры установки, здесь не приведена). Для данной местности, можно принять угол по траектории суточного движения Солнца летом - около 240°, а зимой 120° (соответствует относительной длительности от восхода до захода Солнца округленно 16 и 8 часов соответственно). Отклонение траектории к полюсу (в данном примере - северному) и к эква тору принимают либо по данным инструментальных наблюдений ближайших астрономических лабораторий либо метеоцентров, однако они могут быть с достаточной для реализации установки точностью определены по предлагаемым в п.З формулы зависимостям. Для точки летнего солнцестояния r = 0°; y = d cos r= d =23°27'; а для точки зимнего солнцестояния r =180°; y= d cos r =-d=-23°27'. Соответственно, полуденный угол склонения Солнца для заданных условий составит: для лета Sx = 0,420 S (в направлении север - юг); SY = 0 (в направлении восток - запад); Sz = 0,907 S (в направлении по нормали); или по углу (от горизонта) Слетн = arc tg (0,907 / 0,420) = 65,15° при А = 0. и для зимы Sх = 0,950 S (в направлении север юг); SY = 0 (в направлении восток - запад); Sz = 0,313 S (в направлении по нормали), или по углу (от горизонта) Сзимн = arc tg (0,313 / 0,950) = 18,14° при А = 0. Таким образом, например, для двухрядного исполнения узла наружного приемника в условиях центральной полосы Украины, определим, что "летний" ряд охватит четыре сектора по 240° / 4 = 60° на каждый концентратор, а "зимний" ряд охватит три сектора по 120° / 3 = 40° на каждый концентратор - в направлении восток - запад, вдоль траектории суточного относительного перемещения Солнца. В направлении север-юг охват будет осуществляться двумя концентраторами - соответственно числу рядов, то есть в этом направлении небесная сфера будет разбита на два сектора с охватом 180° / 2 = 90° на каждый концентратор. Далее идет операция установки концентраторов в последовательном порядке по направлению восток-запад. Следующая операция - ориентирование концентраторов (установка направления их главной оси) по соответствующим азимутам направления на источник излучения. При этом концентратор центрального сектора следует ориентировать по координатам: для "летнего" ряда - 0,420 S (к югу) и 0,907 S (вверх по нормали) без смещения по направлению восток - запад или выставить любым измерительным прибором или инструментом (например теодолитом) угол отклонения от горизонта, равный Слетн = 65,15° по направлению к югу при А = 0; для "зимнего" ряда - 0,950 S (к югу) и 0,313 S (вверх по нормали) без смещения по направлению восток - запад или выставить угол отклонения от горизонта, равный Cзимн = 18,14° по направлению к югу при А = 0. (В этих данных S служит масштабом для приведенных цифр, по которому все числа могут быть переведены в наиболее удобные для использования). Ориентация крайних концентраторов производится также по координатам, или по углам азимута и склонения, в данном случае на восток (запад) с отклонением для "летнего" ряда А = 23°27' в сторону юга, а "зимнего" - А = 23°27' в сторону севера. 5 32444 После того, как концентраторы 10 соответствующим образом ориентированы на источник излучения - солнце, эти положения фиксируют и сохраняют на весь срок работы системы. Предлагаемая система естественного освещения помещения и способ ее настройки позволяет обеспечить эффективное восприятие светового потока как прямых солнечных лучей, так и рассеянных, в течение всего светового дня в любое время года, а также достичь высокой степени удобства эксплуатации. Заявляемая система естественного освещения помещения и способ ее настройки относятся к энергосберегающим и электровзрывобезопасным технологиям освещения. Их применение позволяет сократить время действия искусственных осветителей типа электрических ламп, соответственно снизить расход электроэнергии для освещения закрытых помещений, обеспечить пожаробезопасность, а в отдельных случаях и взрывобезопасность помещения. Фиг. 1 Фиг. 2 6 32444 Фиг. 4 Фиг. 3 Фиг. 5 Фиг. 6 Фиг. 7 7 Фиг. 8 32444 Фиг. 9 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 8