CN102305961B - 一种太阳能聚光接口装置 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能聚光接口装置，包括费涅尔透镜以及设置在该费涅尔透镜光路中的聚光接口器，在聚光接口器内自透过费涅尔透镜的光路中依次设置有双凹形旋转曲面透镜和光导纤维。本发明利用石英光导纤维接受太阳光特殊的变径段结构作为接收端来有效解决费涅尔透镜高倍点聚光后光斑分散在比较大区域与输送的石英光纤直径有限之间的这一矛盾的。并在透射式点聚光费涅尔聚光透镜和石英光导纤维接受太阳光的前端的变径平面之间增加一个双凹形曲面透镜，其有效调整光路后保证汇聚太阳光线仍然能够以全反射方式在石英光导纤维中传输。
Description
技术领域
本发明涉及阳光输送领域，尤其涉及一种太阳能聚光接口装置。
背景技术
开发利用以太阳能为代表的新能源已经作为我国可持续发展战略的能源基本决策。尽管世界各国先后都在投入大量的人力物力对此进行研究，但是至今除了在太阳能热水器为代表的低温度区段的利用率比较高外，其它常用的光伏发电，光热发电等方面应用均因为利用率太低而受到限制。例如通过光伏发电后照明发方式则太阳能的利用率仅为4％左右。但是如果通过把太阳光汇聚后利用光导纤维直接输送到白天也需要照明的地方(隧道、地下室等)，那么其太阳能利用率一下子可提升10倍，达到40％以上，从而为太阳能的推广应用开辟了一条新路，这种方法的典型应用产品就是我们研制的具有自主知识产权的阳光输送机产品系列。
在阳光输送机中，太阳光经过聚光体上若干个直径100毫米玻璃平凸透镜汇聚到其直径为2毫米的聚光接口区域，直接进入直径为2毫米的PMMA型塑料光导纤维中并被以全反射的方式输送到需要照明的地方。聚光接口器的作用是调整并固定光导纤维入端处于焦点处，以便顺利接收汇聚的太阳光。其聚光面积比例达到(π*502)/(π*12)＝2500(倍)。从而导致聚光接口区域的温度大幅度上升，最高可达到95℃，所以一般情况下塑料光导纤维融溶问题必不可免。通常采用循环水冷却方式因为太复杂而没有实用价值。发明专利“一种阳光输送机中聚受光接口器：申请号″201012071476.0”通过特殊设计实现了在自然环境中自行冷却到塑料光导纤维正常工作温度的条件，并且在实际应用到某高速公路隧道补充照明工程中受到用户的肯定和好评。
然而实际使用数据说明塑料光纤除了工作环境温度提出高的要求外，光纤损耗大以及光谱范围小(仅能够输送可见光部分)就是其推广应用的三大致命缺陷。而如果采用玻璃光纤传输太阳光，首先能够直接把工作环境温度上限由65℃提高到200℃，解决了聚光镜接口器散热问题；其次，从理论上讲，利用全反射原理输送太阳光的光导纤维本身的损耗是很小的，如以石英光导纤维为例，形成损耗的机理主要是瑞利散射、杂质吸收等，光传输1公里的距离后才衰减0.2dB，也就是仅损耗4.5％，而一般实用传输距离为200内；这对于能量传输来说已经是高效率；另外，石英光纤的光谱范围大幅度扩展并覆盖了从紫外-可见光-红外范围，基本上代表了太阳光。如果在条件允许情况下通过调节加长费涅尔透镜焦距和光纤入射端加工为变径的方法保证在增大聚光面积情况下太阳光仍然能够顺利进入光纤并以全反射方式传输，这种对于聚光体本身高度无要求的结构形式在某些特殊场合得到具体应用并取得了好的效果。
但是由于改进后的阳光输送机系统要求费涅尔透镜比较长的焦距导致制作的聚光体部件厚度增加，使其在实际安装应用受到一定限制，同时也给聚光体设计制作并进入实际应用带来很大困难。所以设计制作一种新结构的聚光接口器，在减小焦距以增加实用性情况下，在费涅尔透镜大面积、小焦距基础上仍然能够顺利的把汇聚的太阳光导入光纤并以全反射方式传输，就成为阳光输送机进一步推广应用的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能聚光接口装置，该装置在费涅尔透镜大面积、小焦距情况下仍然能够顺利的把汇聚的太阳光导入光纤并以全反射方式传输。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括设置在同一光轴上的费涅尔透镜以及设置在该费涅尔透镜光路中的聚光接口器，在聚光接口器内自透过费涅尔透镜的光路中依次设置有双凹形旋转曲面透镜和光导纤维；
所述的光导纤维包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段和等直径段，其中变径段固定在聚光接口器内；
所述的费涅尔透镜与光导纤维的距离即费涅尔透镜的焦距L与费涅尔透镜最大半径R满足式(1)入射角度要求：
arctg(R/L)＝α＜(α0-γ+θ) (1)；
其中α为太阳光射经费涅尔透镜进入双凹透镜的入射角度，α0为等直径光导纤维的最大允许接收角，θ为双凹透镜调整的太阳光线改变的角度，γ为光导纤维变径段的变径角度；
其中等直径光纤的太阳能最大允许接收角α0由下3式决定：
Ymin＝arcsin(n3/n1)
Xmax＝π/2-Ymin
α0＝arcsin(n1sinXmax/n0)
其中X为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Y为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Z为该光线二次折射后的出射角，Ymin为入射光线发生全反射时的临界角，当Y＞Ymin时，均可发生全反射，Xmax为对应Ymin和α0的一次折射出射角，n0为空气折射率，n1为光导纤维折高折射率玻璃芯的折射率，n3为光导纤维低折射率玻璃包层折射率；
渐缩结构的锥形变径段端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜经双凹形旋转曲面透镜后的聚焦区域的面积。
所述的光导纤维变径段的变径角度γ由公式(2)确定：
tgγ＝(A-r)/B (2)；
其中A是光导纤维变径段的最大半径，r是光导纤维正常直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度。
所述的费涅尔透镜为透射式点聚光。
所述的聚光接口器设有收容双凹形旋转曲面透镜和光导纤维的腔体。
所述光导纤维为石英光导纤维。
本发明利用石英光导纤维接受太阳光特殊的变径段结构作为接收端来有效解决费涅尔透镜高倍点聚光后光斑分散在比较大区域与输送的石英光纤直径有限之间的这一矛盾的。并在透射式点聚光费涅尔聚光透镜和石英光导纤维接受太阳光的前端的变径平面之间增加一个双凹形曲面透镜，其有效调整光路后保证汇聚太阳光线仍然能够以全反射方式在石英光导纤维中传输。
附图说明
图1是本发明太阳能聚光接口装置的结构示意图；
图2是图1中所示的双凹形曲面透镜和光导纤维的太阳光路示意图；
图3是图1中所示的光导纤维的太阳光路示意图；
图4是光线入射等直径光纤时发生两次折射的光路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括透射式点聚光费涅尔透镜1以及设置在该费涅尔透镜1光路中的聚光接口器2，聚光接口器设有收容双凹形旋转曲面透镜3和光导纤维4的腔体，双凹形旋转曲面透镜3和石英光导纤维4沿透过费涅尔透镜1的光路中依次设置并都处于同一光轴上；所述的光导纤维4包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段41和等直径段42，其中变径段41固定在聚光接口器2内；参见图2，3，所述的费涅尔透镜1与光导纤维4的距离即费涅尔透镜1的焦距L与费涅尔透镜1最大半径R满足式(1)入射角度要求：
arctg(R/L)＝α＜(α0-γ+θ) (1)；
其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入双凹透镜的入射角度，α0为等直径光导纤维的最大允许接收角，θ为双凹透镜调整的太阳光线改变的角度，γ为光导纤维变径段的变径角度，即α0-γ为太阳光射入光导纤维的最大的入射角度；
其中等直径光纤的太阳能最大允许接收角α0由下3式决定：
Ymin＝arcsin(n3/n1)
Xmax＝π/2-Ymin
α0＝arcsin(n1sinXmax/n0)
其中X为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Y为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Z为该光线二次折射后的出射角，Ymin为入射光线发生全反射时的临界角，当Y＞Ymin时，均可发生全反射，Xmax为对应Ymin和α0的一次折射出射角，n0为空气折射率，n1为光导纤维折高折射率玻璃芯的折射率，n3为光导纤维低折射率玻璃包层折射率。(参见图4)
光导纤维变径段的变径角度γ由公式(2)确定：
tgγ＝(A-r)/B (2)；
其中A是光导纤维变径段的最大半径，r是光导纤维正常直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度；渐缩结构的锥形变径段41端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜1经双凹形旋转曲面透镜3后的聚焦区域的面积。
本实施例中费涅尔透镜1面积较大，采用400×400mm2的正方形，而且是焦距比较小的透射式点聚光规格，(如当R＝200mm时，焦距L＝25mm)。
本发明通过安装在费涅尔透镜1和石英光导光纤4之间的双凹形旋转曲面透镜3把太阳光线进入光导光纤4的方向进行调整，保证汇聚太阳光线中最外圆环折射光线经过双凹曲透镜3调整方向后仍然能够以大于临界角的方向到达B处，进而以全反射方式在光导纤维4进行传输。从而实现全部汇聚太阳光都能够顺利的导入光导纤维4并且顺利以全反射方式传输到需要照明的地方。
参照图2，3所示的光路图：如果没有双凹形旋转曲面透镜3，则比较大入射角的太阳光线R1沿着虚线到达A点(N0法线)后，由于入射角β大于临界角而使得部分光线以折射方式射出光导纤维4，即没有全反射现象发生。但是经过双凹形旋转曲面(N1和N3分别为上下曲面的法线)透镜3二次调整光路后，实际太阳光线通过光导纤维端面(N3法线)以实线路线到达B点(N4法线)，这时候的入射角α已经经过双凹形旋转曲面透镜3调整成大于临界角，所以太阳光线以全反射的方式将继续在光导纤维4中传输。
Claims (4)
1.一种太阳能聚光接口装置，其特征在于：包括设置在同一光轴上的费涅尔透镜（1）以及设置在该费涅尔透镜（1）光路中的聚光接口器（2），在聚光接口器（2）内自透过费涅尔透镜（1）的光路中依次设置有双凹形旋转曲面透镜（3）和光导纤维（4）；
所述的光导纤维（4）包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段（41）和等直径段（42），其中变径段（41）固定在聚光接口器（2）内；
所述的费涅尔透镜（1）与光导纤维（4）的距离即费涅尔透镜（1）的焦距L与费涅尔透镜（1）最大半径R满足式（1）入射角度要求：
arctg（R/L）=α＜（α0－γ+θ） （1）；
其中α为太阳光射经费涅尔透镜进入双凹形旋转曲面透镜的入射角度，α0为光导纤维等直径段的最大允许接收角，θ为双凹形旋转曲面透镜调整的太阳光线改变的角度，γ为光导纤维变径段的变径角度；
其中光导纤维等直径段的太阳能最大允许接收角α0由以下3式决定：
Ymin=arcsin（n3/n1）
Xmax=π/2-Ymin
α0=arcsin（n1sinXmax/n0）
其中X为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Y为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Z为该光线二次折射后的出射角，Ymin为入射光线发生全反射时 的临界角，当Y＞Ymin时，均可发生全反射，Xmax为对应Ymin和α0的一次折射出射角，n0为空气折射率，n1为光导纤维高折射率玻璃芯的折射率，n3为光导纤维低折射率玻璃包层折射率；
所述的光导纤维变径段的变径角度γ由公式（2）确定：
tg γ=（A-r）/B （2）；
其中A是光导纤维变径段的最大半径，r是光导纤维等直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度；
渐缩结构的锥形变径段（41）端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜（1）经双凹形旋转曲面透镜（3）后的聚焦区域的面积。
2.根据权利要求1所述的太阳能聚光接口装置，其特征在于：所述的费涅尔透镜为透射式点聚光。
3.根据权利要求1所述的太阳能聚光接口装置，其特征在于：所述的聚光接口器设有收容双凹形旋转曲面透镜（3）和光导纤维（4）的腔体。
4.如权利要求1所述的太阳能聚光接口装置，其特征在于：所述光导纤维为石英光导纤维。
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