CN102313932A - 一种太阳能聚光光导纤维接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能聚光光导纤维接口装置，包括费涅尔透镜、设置在费涅尔透镜下方的聚光接口器、及设置在聚光接口器内的石英光导纤维，所述石英光导纤维包括变径段和等直径段，其中变径段为接收太阳光的前端，且变径段端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜的太阳聚光光斑区域的面积。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。

Description

一种太阳能聚光光导纤维接口装置

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光导纤维接口装置的结构。

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。例如通过目前经常采用的光伏发电后存储于蓄电池中再照明的方式，则太阳能的利用率仅为：12％(光伏电池转换效率)×75％(蓄电池效率)×50％(光源电光转换效率)＝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提升10倍，可达到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直接照明。其中聚光接口器的作用是调整并固定光导纤维输入端处于焦点处，以便顺利把汇聚的太阳光导入光导纤维中，其聚光面积比例达到(π*50²)/(π*1²)＝2500(倍)，所以有效降低接口器光纤接收处环境温度就成为关键技术，曾经有人采用循环水冷却的方法来降低接口器的环境温度，但是因为系统太复杂而无法投入实际应用。而本申请人申请的发明专利“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，为该系统的投入实际应用铺平了道路。

但是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，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，则以上所述三个技术问题就可以顺利解决：例如其工作环境温度上限由65℃提高到200℃；光传输送1公里的距离后才衰减0.2dB，也就是仅损耗4.5％，这对于能量传输来说已经是高效率；光谱范围覆盖了从紫外-可见光-红外范围，基本上代表了太阳光。但是考虑到系统本身的性价比，必须汇聚更大的太阳光能量给石英光纤进行全反射式传输并实现直接照明，这样的系统整体来说才具有实用价值。然而如果仍然采用玻璃材料制作聚光比例上万倍的平凸透镜的方法，在具体加工制作、成本以及安装时聚光体重量等方面造成的实际困难大到根本而无法实施。而采用PMMA型费涅尔透镜虽然能够比较容易实现大面积聚光，但是由于本身工艺造成的聚光区域被分散在一个比较大的区域(如直径4mm的园面积内)内，而不像机械加工制作的凸透镜能够把太阳光汇聚在更小的区域(如直径2mm的园面积内)内。而石英光纤为了具有可弯曲性能等，通常直径仅为0.85-1mm。所以如何顺利的把高倍汇聚在比较大区域的太阳光如何高效率导入直径仅为1mm的石英光导纤维中，就成为这种方法能否实施的关键技术。

因此必须解决由此带来的一个新技术问题，即设计新型聚光接口器，必须有效解决PMMA透射式费涅尔透镜实现上万倍聚光导致其焦斑扩散与小直径石英光纤端面之间的矛盾，从而顺利的把汇聚的太阳光线顺利导入光纤中并以全反射方式输送的目标。

因为对于石英材料的光导纤维来说，虽然其价格高一些，但是其太阳光传输损耗要小一个数量级，而且采用石英材料的光导纤维接收并传输几乎从紫外到红外的全部太阳光谱线，另外其工作环境温度可允许范围上限由塑料光纤的65℃提高到200℃，如果利用已经申请的专利技术所述方法，完全能够在自然冷却的条件下实现聚光接口处环境温度＜200℃的工作条件。所以关键问题就是在2万倍聚光条件下(300*300/π*1.02＝30000)如何高效率的把汇聚在一个比较大区域(如直径为4mm的园范围)的太阳光顺利导入直径只有1mm的光导纤维中去，而这个问题正是由于费涅尔透镜本身固有的非成像性聚光造成的。因为石英光导纤维考虑实际使用要求所必备的弯曲性等因素，通常以直径0.85-1mm结构尺寸性价比最好，所以解决这个问题的通常方法是再增加一个二次聚光透镜进一步缩小汇聚焦斑到直径为1毫米的石英光导纤维接收端面上。但是由于采用这种方法造成的损失是很大的(大约20％-30％)，即汇聚后的太阳光额外在二次聚光透镜上二个界面增加的二次反射和折射所影响的。所以设计新型聚光接口器，把高倍汇聚并形成较大区域太阳光斑高效率的顺利引入常用规格(如直径为1mm)的光导纤维中，就成为阳光输送机产品市场化推广的一个关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能聚光光导纤维接口装置，该装置有效解决了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光导纤维直径有限之间的矛盾。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括处于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用于安装光导纤维的聚光接口器，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)                        (1)；

Y_min＝arcsin(n₃/n₁)

X_max＝π/2-Y_min

α₀＝arcsin(n₁sinX_max/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，Y_min为入射光线发生全反射时的临界角，当Y＞Y_min时，均可发生全反射，X_max为对应Y_min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的太阳聚光光斑区域的面积。

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光导纤维变径段的腔体，该腔体的形状与光导纤维变径段的形状一致。

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。

附图说明

图1是本发明的太阳能聚光光导纤维接口装置的结构示意图；

图2是图1中所示的光导纤维的太阳光路示意图；

图3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，本发明包括费涅尔透镜1以及设置在该费涅尔透镜1光路中的用于安石英光导纤维的聚光接口器2，光导纤维3包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段31和等直径段32，其中变径段31固定在聚光接口器2内；透射式点聚光的费涅尔透镜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)                    (1)；

其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入光导纤维的入射角度，α₀为等直径光纤的太阳能最大允许接收角，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：

Y_min＝arcsin  (n₃/n₁)

X_max＝π/2-Y_min

α₀＝arcsin(n₁sinX_max/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，Y_min为入射光线发生全反射时的临界角，当Y＞Y_min时，均可发生全反射，X_max为对应Y_min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3)

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是光导纤维等直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度。

且渐缩结构的锥形变径段31端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜1的太阳聚光光斑区域的面积。

在本实施例中，该太阳聚光光斑区域S的直径为4mm。

所述费涅尔透镜1为正方形，其面积为300×300mm²。

考虑到在聚光接口器中方便安装因素，可选择如下参数：当A＝2mm，r＝0.5mm，γ＝2°时，代入公式计算，得到变径部分长度B＝42.8mm，这个尺寸对于接口器安装没有多大困难，而且因此引起临界角减少的2°也相对来说容易抵消，当然也可以根据实际需要灵活调整其中的某些参数，以取得最好的效果。

加工制作这种在靠近接收太阳光端面一定距离范围内通过变径的石英光导纤维在实际中也是非常容易实现的。因为一般通过加热拉制的石英光导纤维在最后的端头本身就形成一个变径结构，只是现在需要操作人员专门按照变径要求有效控制工艺参数拉制，原则是在保证变径角度γ(其中tgγ＝(A-r)/B)角度前提下尽量减小变径长度B以便于聚光接口器的制作。

参照图2，3所示的光路图：当平行太阳光通过费涅尔点聚光透镜汇聚到最小区域S中时，若经过费涅尔透镜最外边折射环的太阳光束P入射角度α为最大，那么所有的平行太阳光通过费涅尔点聚光透镜后都将以≤α的角度经过S面被导入光纤；其中光束P沿着折射方向到达光导纤维玻璃芯-光导纤维玻璃包层界面N处时，因为从光密物质(玻璃芯)进入光疏物质(玻璃包层)时，β角度大于临界角而发生全反射现象，使得太阳光线在光纤中以全反射方式得以传输；而且从几何光学知识知道，这时候所有通过点聚光的费涅尔透镜的平行太阳光都满足全反射的条件而得以在光纤中顺利的传输，从而实现了通过变径方式把较大区域汇聚的太阳光有效导入光导纤维中去的目标。

Claims (5)

1.一种太阳能聚光光导纤维接口装置，包括处于同一光轴上的费涅尔透镜(1)以及设置在该费涅尔透镜(1)光路中的用于安装光导纤维(3)的聚光接口器(2)，其特征在于：所述的光导纤维(3)包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段(31)和等直径段(32)，其中变径段(31)固定在聚光接口器(2)内；

所述的费涅尔透镜(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)                (1)；

其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入光导纤维的入射角度，α₀为等直径光纤的太阳能最大允许接收角，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：

Y_min＝arcsin  (n₃/n₁)

X_max＝π/2-Y_min

α₀＝arcsin(n₁sinX_max/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，Y_min为入射光线发生全反射时的临界角，当Y＞Y_min时，均可发生全反射，X_max为对应Y_min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(31)端部的面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜(1)的太阳聚光光斑区域的面积。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚光光导纤维接口装置，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的太阳能聚光光导纤维接口装置，其特征在于：所述的费涅尔透镜为透射式点聚光。

4.根据权利要求1所述的太阳能聚光光导纤维接口装置，其特征在于：所述的聚光接口器设有收容光导纤维变径段的腔体，该腔体的形状与光导纤维变径段的形状一致。

5.如权利要求1所述的太阳能聚光光导纤维接口装置，其特征在于：所述光导纤维为石英光导纤维。

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