CN103454760B - 两级聚焦太阳光汇聚装置 - Google Patents

Abstract

本发明的两级聚焦太阳光汇聚装置主要包括第一级聚光单元、第二级聚光单元、支架和光纤；其中所述第一级聚光单元和第二级聚光单元固定于支架上，并在太阳入射光路上耦合，其中第一级聚光单元用于初步汇聚太阳光；第二级聚光单元用于再次汇聚经第一级聚光单元汇聚后的太阳光。有益效果在于降低了太阳光聚焦光斑的大小。同时石英光纤可以通过光纤准直器上的螺丝进行位置调节，因此可以调节不同光谱的太阳光进入光纤中，达到选择性传输太阳光谱的目的。可以通过小直径的石英光纤进行传输，降低了成本。同时光纤准直器较大的孔径光阑可以有效降低对跟踪精度的要求。可以通过调节光纤在光纤准直器中的位置有选择性的传输太阳光中的光谱。

Description

两级聚焦太阳光汇聚装置

技术领域

本发明涉及新能源领域中的太阳能利用技术，涉及一种太阳光照明系统，特别涉及一种两级聚焦的太阳汇聚装置。

背景技术

传统的太阳光汇聚技术通常采用的是单级透镜进行太阳光汇聚。由于这种汇聚技术对太阳光的聚焦效果不佳，聚焦后存在光斑面积大等缺点，通常为了保证传输效果需要多根大直径的石英光纤进行传输。而大直径的石英光纤价格非常昂贵，所以传统的太阳光汇聚设备造价不菲。传统的光纤太阳光导入系统一般需要6根1um直径的石英光纤才能导入足够的太阳光，而1微米直径的石英光纤1米价格在几百元，因此整个太阳光照明系统的成本非常高，很不利于这种很有前途的太阳能利用技术的推广。同时传统的光纤太阳光照明系统太阳光和光纤耦合面积小，因此对跟踪系统要求非常高，稍微的跟踪偏差都会导致耦合效率的迅速降低，导致出光的不稳定。

发明内容

本发明为了解决传统的太阳光汇聚装置造价昂贵、不利于推广以及出光不稳定的不足，提出了一种两级聚焦的太阳光汇聚装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，包括第一级聚光单元、第二级聚光单元、支架和光纤；

所述第一级聚光单元和第二级聚光单元固定于支架上，并在太阳入射光路上耦合，其中第一级聚光单元用于初步汇聚太阳光；第二级聚光单元用于再次汇聚经第一级聚光单元汇聚后的太阳光；

光纤与第二级聚光单元耦合连接，用于传输经第二级聚光单元汇聚后的太阳光。

为了确保第一级聚光单元与第二级聚光单元耦合的稳定性，避免因为累计误差或者环境变化等因素引起的二者耦合效果变差的情况，所述太阳光汇聚装置还包括第一调节组件，所述第二级聚光单元通过第一调节组件与支架相连接，第一调节组件用于调节第二级聚光单元到第一级聚光单元的距离。

进一步的，所述太阳光汇聚装置还包括第二调节组件，所述第二调节组件用于调节光纤端面在所述太阳光汇聚装置光轴上的位置。

优选的，所述第一级聚光单元为菲涅尔透镜；第二级聚光单元为光纤准直器。

为了避免汇聚后的太阳光损坏光纤，所述光纤采用耐高温的石英光纤。

具体的，所述第一调节组件包括调节螺母，所述调节螺母与支架固定连接，并与第二级聚光单元螺纹连接。

具体的，所述第二调节组件包括紧定螺钉，用于固定光纤的位置。

本发明的有益效果：通过采用两级聚光单元有效的降低了太阳光聚焦光斑的大小，提高太阳光和光纤的传输效率。同时石英光纤可以通过光纤准直器上的螺丝进行位置调节，因此可以调节不同光谱的太阳光进入光纤中，达到选择性传输太阳光谱的目的。可以通过小直径的石英光纤进行传输，降低了成本。同时光纤准直器较大的孔径光阑可以有效降低对跟踪精度的要求。可以通过调节光纤在光纤准直器中的位置有选择性的传输太阳光中的光谱。

附图说明

图1为本发明的优选实施例的太阳光汇聚装置的结构原理图；

图2为图1所示太阳光汇聚装置的第二级聚光单元光路示意图；

图3为图1所示太阳光汇聚装置的太阳光选择原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

为了便于理解，以下结合与本发明方案原理相同的两级聚焦太阳汇聚装置结构对本发明的原理作详细描述。

如图1所示，本发明的一种两级聚焦太阳光汇聚装置，包括第一级聚光单元1、第二级聚光单元3、支架2和光纤6。所述第一级聚光单元1和第二级聚光单元3固定于支架2上，并在太阳入射光路上耦合，具体的，第二级聚光单元3的受光面位于第一级聚光单元的焦点附近，以满足能全部接收第一级聚光单元汇聚的可见光为限。第一级聚光单元用于初步汇聚太阳光；第二级聚光单元用于再次汇聚经第一级聚光单元汇聚后的太阳光，二者形成两级级联汇聚的耦合关系。光纤与第二级聚光单元耦合连接，用于传输经第二级聚光单元汇聚后的太阳光。这里的耦合关系及原理与第一级聚光单元和第二级聚光单元的耦合关系及原理类似。在耦合条件下，第一级聚光单元、第二级聚光单元以及光纤各自的中轴共线。

为了确保第一级聚光单元与第二级聚光单元耦合的稳定性，避免因为累计误差或者环境变化等因素引起的二者耦合效果变差的情况，所述太阳光汇聚装置还包括第一调节组件4，所述第二级聚光单元3通过第一调节组件4与支架相连接，第一调节组件用于调节第二级聚光单元到第一级聚光单元的距离。具体的，第一调节组件包括调节螺母，所述调节螺母与支架固定连接，并与第二级聚光单元螺纹连接。

作为优选方案，太阳光汇聚装置还可以包括第二调节组件5，所述第二调节组件5用于调节光纤端面在所述太阳光汇聚装置光轴上的位置。所述第一级聚光单元为菲涅尔透镜；第二级聚光单元为光纤准直器。为了避免汇聚后的太阳光损坏光纤，所述光纤采用耐高温的石英光纤。具体的，所述第二调节组件包括紧定螺钉，用于固定光纤的位置。当紧定螺钉松开时，光纤可以在光轴方向上自由移动，当移动到合适的位置时，可以通过紧定螺钉固定。

以下为另一优选实施例及其原理，如图2及图3所示，菲涅尔透镜作为第一级聚光单元提供第一级聚焦，聚焦的位置处于光纤准直器3的入光面，并且两者光轴位于同一直线上。平行的太阳光经过菲涅尔透镜汇聚于光纤准直器3的入光面。光纤准直器3内部主要是一个凸透镜31，具有汇聚光的能力，可以进一步缩小第一级聚焦后的光斑大小。光纤准直器3的位置可以通过支架2上的螺丝进行调节，通过调节光纤准直器3的位置可以调节光斑的大小，调节的时候满足光斑的尺寸小于石英光纤6的直径即可。在已经初步聚焦的太阳光线通过光纤准直器3的进一步的聚焦后导入到石英光纤6中。通过两级聚焦后可以有效的降低太阳光斑大小，因此只需要一根1微米直径的石英光纤传导即可。光纤准直器3上的紧定螺钉可以调节光纤在准直器中的位置。由于不同频率的光的折射率不同，因此可见光、紫外线和红外线在石英光纤3聚焦的位置不同，因此可以通过调节螺丝5调节光纤的前后位置达到有选择性传导太阳光光谱的目的。

在图2中，表明了光线在光纤准直器中的传导过程，初步汇聚的太阳光S，经过光纤准直器的凸透镜31后得到进一步聚焦的太阳光。凸透镜聚焦太阳光时，聚焦折射作用使太阳光中不同波长的各类光线在光轴线上形成不同距离的聚焦焦点，各光线的聚焦焦点前后位置出现较大差异，波长较短的紫外线焦点靠近透镜，波长较长的红外线焦点远离透镜，波长居中的可见光焦点位于两者之间。因此若想滤除掉太阳中的紫外线和红外线，可以通过第一调节组件调节光纤的前后位置，使得石英光纤入光面刚好位于可见光焦点处，这样大部分紫外线和红外线进入不了石英光纤，达到了选择性传递太阳光谱的目的。具体过程参考图3，图中位置D1为紫外线的焦点，位置D2为可见光的焦点，位置D3为红外线的焦点，让石英光纤6的入光面位于可见光焦点处，使大部分可见光进入光纤即可。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。

Claims (6)

1.两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，包括第一级聚光单元、第二级聚光单元、第一调节组件、第二调节组件、支架和光纤；

所述第一级聚光单元和第二级聚光单元固定于支架上，并在太阳入射光路上耦合，其中第一级聚光单元用于初步汇聚太阳光；第二级聚光单元用于再次汇聚经第一级聚光单元汇聚后的太阳光；

所述第二级聚光单元通过第一调节组件与支架相连接，第一调节组件用于调节第二级聚光单元到第一级聚光单元的距离；所述第二调节组件用于调节光纤端面在所述太阳光汇聚装置光轴上的位置；

光纤与第二级聚光单元耦合连接，用于传输经第二级聚光单元汇聚后的太阳光。

2.根据权利要求1所述的两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，所述第一级聚光单元为菲涅尔透镜。

3.根据权利要求2所述的两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，所述第二级聚光单元为光纤准直器。

4.根据权利要求3所述的两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，所述光纤为石英光纤。

5.根据权利要求1所述的两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，所述第一调节组件包括调节螺母，所述调节螺母与支架固定连接，并与第二级聚光单元螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的两级聚焦太阳光汇聚装置，其特征在于，所述第二调节组件包括紧定螺钉，用于固定光纤的位置。