CN1034813A - 阳光聚集装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳光线聚集装置，它包括菲涅耳透镜，由 去尖圆锥形光导构成的光耦合器和光缆。由透镜所 聚焦的太阳光线在光耦合器的大端予以接收，又于光 耦合器的小端予以射出，并进而被导入光缆。菲涅耳 透镜具有比光缆为小的数值孔径。光耦合器的光散 射端具有相等于光缆的数值孔径，从而消除反射损 耗。光耦合器光出射端利用光胶被牢固地粘接到光 缆的光接收端。

Description

本发明涉及一种太阳光线聚集装置，该装置利用菲涅耳透镜聚焦，可以有效地将太阳光引导到一条光缆上。

本申请人早先曾提出过一种太阳光线聚集装置，该装置包括若干透镜。由这些透镜聚焦的太阳光线被引导至光导光缆上。以这种方式引导的太阳光线经光缆传输到需要光线的地方。

就上述的太阳光线聚集装置而言，当透镜的数值孔径角（numericat    aperture    angle）较大时，由透镜所聚焦的太阳映象就小。因此仅可适于较小直径的光缆，这是其尺寸上的优点。然而，透镜周边部分的斜升角（rising    angle）会较大，因此这部分的光反射量增大，聚焦效果不好。此外，光缆的入射角较大，则光缆上光接收端处的反射量会变大，将太阳光线导引至光缆的效果就不好。再者，射入透镜的太阳光会反射到透镜的光散射端进而再折入透镜，于是被反射的太阳光线在透镜内传播。基于此因，入射光线不能有效地导入光缆。

另一方面，如透镜的数值孔径较小，则其周边部分的斜升角也很小，由此造成这部分的反射量变小。对光缆的入射角也变小，而光缆的光接收端处的反射量也小了，因此太阳光线的聚集将更为有效。与此相反，由透镜所聚焦的太阳映象将变大，所以要求较大的光缆直径，光缆的成本费就会变高。这些问题即是先有技术中的若干缺陷。

本发明的一个目的是可以使用一种具有较大数值孔径的光缆，且可在该光缆的光接收端处消除反射，从而可十分有效地维持将太阳光线导入光缆。

本发明的另一目的是减小光缆的直径，以期降低其成本。

图1的透视图展示了本申请人原先提出的太阳光线聚集装置的一个实施例;

图2至图4分别展示了上述光阳光线聚集装置上先有技术实施例的有关结构;

图5展示了根据本发明，阳光聚集装置的一个实施例的结构。

图1的详细透视图展示了太阳光线聚集装置的一个实施例。图1中标号1代表透明防护罩，2为菲涅耳透镜，3为透镜支架，4为感受太阳光线方向的方向检测器，5为光纤（或光导体缆）其光接收端置于菲涅耳透镜2的焦点位置，6为光纤保持架，7为支臂，8为脉动电机，9为由脉动电机8所驱动的水平旋转轴，10为承载防护罩1的底座，11为脉动电机，12为由脉动电机11所驱动的垂直旋转轴。

如本申请人早已指出的，上述的阳光聚集装置通过太阳光线方向检测器4来检测太阳的方向，此检测信号驱动脉动电机8和11。脉动电机8和11分别带动水平旋转轴9及垂直旋转轴12，使它们旋转，从而将阳光方向检测器4导至太阳的方向上。以此方式，即可将由若干透镜2所聚集的太阳光线分别导入光纤5，该光纤的光接收端置于相应透镜的焦点位置。每一透镜均配有光纤或光缆5，此种光缆从该阳光聚集装置中引出，以披覆线13予以捆扎后再被引至需要光线的地方。

图2和3分别展示了先前的阳光聚集装置的实施例的有关结构。此图2和3中，标号2代表用于将阳光聚焦的透镜，5为光缆，被聚焦的阳光将导入其中。图2所示的实施例为透镜2是大数值孔径（角）的情况，而图3所示的另一实施例为透镜2是小数值孔径（角）的情况。

在透镜2的数值孔径大时，如图2所示由透镜2所聚焦的太阳映象较小，因此可使用直径较小的光缆，这是其尺寸上的优点。相反，透镜2周边部分斜升角θ较大，这部分的光反射量也大，而聚焦效果不好。光缆5的入射角θ₂也大，在光缆5的光接收端处的反射量就大，将太阳光线导入光缆5的效果则不好。再说，射入透镜2的太阳光线反射到光散射端2a且又折回透镜2。于是所反射的太阳光在透镜2内传播的。有鉴于此，入射光线不能有效地导入光缆。

另外，如透镜2的孔径角小，则透镜2周边处的斜升角θ₃也小。因此这部分的反射量小。而对光缆5的入射角θ₄也很小，这样光缆5的光接收端处的反射量必然是小的，从而使光线的聚焦变得更有效。但是如图3所示，由透镜2所聚焦的太阳映象就会较大，因此要求光缆的直径也较大，这样势必加大光缆的费用。这些问题即是先有技术中的若干缺陷。

图4为图2示出具有大孔径角的透镜，其中所用菲涅耳透镜的主要部分的放大图。众所周知，菲涅耳透镜即为这样一种透镜，如图4所示，它是通过有效地利用常规透镜的曲面C而使其厚度递减，因而其总重量也可减小，当采用这种菲涅耳透镜而代之以如图2和3中所示的相应透镜时，则装置尺寸和重量均可减小。特别是在透镜跟随太阳运动的情况下，减少运动部分的重量可以加速其反应动作，这是此类装置所希望的性能。

另外，如使用图4所示的菲涅耳透镜，从理论上讲，较大孔径角的透镜如A₁，A₂，A₃……所示予以切割。该透镜的切割部分在水平面台上的排列如A₁，A^′ ₂，A^′ ₃……所示，而透镜的表面S₁，S₂，S₃，……则用作菲涅耳透镜的表面。在此情况下，当透镜如A₁，A₂，A₃，……所示予以切割时，则表面B₁，B₂，B₃就必须如图4所示倾斜地予以切割。这种结构中，对应于W₁，W₂……的光线则无法利用，所以可证明其效率不高。

所作出的本发明即是要解决上述先有技术的若干缺陷。具体地说，本发明的一个目的是能够使用一种具有较大孔径值的光缆，而且更进一步消除了光缆在光接收端上的反射，以保持将太阳光线导入光缆的高效率。本发明的另一目的，是使减小光缆的直径进而降低其成本成为可能。

图5的结构图即展示了根据本发明的太阳光线聚焦装置的一个实施例。图5中，标号2代表聚集阳光的菲涅耳透镜，5代表光缆，20则为光耦合器，它包括一个去尖圆锥形光导，具有用作光接收端的宽端20a及用于光散射的小端20b。

在本发明中，作为光聚焦透镜，使用了小数值孔径的菲涅耳透镜，换言之，在其周边部分的上升角不大。小数值孔径的菲涅耳透镜2在其周边部分呈小上升角，因此其反射量小。加之，如图5所示的倾斜切割可以做得很小，这样利用菲涅耳透镜2可有效地对太阳光线进行聚焦。可是因为用小数值孔径的菲涅耳透镜2所聚焦的太阳映象大，在将由菲涅耳透镜聚焦的太阳光线直接导入光缆5时，就必须使用较大直径的光缆，从而造成装置成本的增加。

还有，如减小光缆5的直径，就必须加大透镜2的孔径角，以使由透镜2聚焦后的太阳映象较小。但当增大透镜2的孔径角时，在光缆5的入射端面处的太阳光线入射角就会如上所述加大，以致反射损耗也会增加，这是需要解决的问题。因此，在本发明中所使用的光耦合器20具有大表面的光接收端20a和小表面的光散射端20b，在光耦合器20的大端20a处，接收由具有相对较小数值孔径的菲涅耳透镜2，所聚焦的相对较大太阳映象，并将其导入光耦合器20。

导入光耦合器20的阳光经周边表面20c所反射，并传播至光散射端20b。只要这种反射重复，则孔径角这会越来越大，最后，光散射端20b处的孔径角变为约等于光缆5的数值孔径。据此如果由光耦合器20所射出的太阳光线可导入光缆5的话，则此光线就可在光缆5内部传播。这样，光线就可被更有效地传输。

但是，如前所述，在光导体缆5的数值孔径较大的情况下，对应较大入射角（孔径角）的太阳光线被引入具有较大开口值的光缆5中。然而，在光缆5的光接收端的反射损耗会很大，致便太阳光线不能有效地导入光缆5。与此相反，在本发明中利用光胶之类物质将光耦合器20的光散射端20b单一而且牢固地粘接到光缆5的光接收端面，于是，可完全消除光缆5的光接收端处的反射损耗。

由上述说明中可以看出，根据本发明，使用较小数值孔径的菲涅耳透镜时，与具有较大数值孔径的菲涅耳透镜的情况相比，可使透镜周边部分的反射损耗很小。除此之外，在制作这种菲涅耳透镜时所要求的倾斜切割面也减少了，从而可有效地将太阳光线予以聚焦。还有，通过使用具有较大光接收面的光耦合器，即可使用较小数值孔径的菲涅耳透镜，进而可减少在光耦合器的光接收表面上的反射损耗。当太阳光线经过光耦合器时，太阳光线的孔径角即增大。该孔径角可增大到可由光缆所取的最大孔径角。由此可使用较大数值孔径的光缆及较小直径的光缆。其结果，可降低光缆的成本，且利用光胶之类物质将光耦合器的光散射端单一又牢固地粘接到光缆的光接收端，可完全消除光缆的光接收端处的反射损耗。

Claims (1)

1、太阳光线聚集装置，它包括将太阳光聚焦的透镜，具有去尖圆锥形光导的光耦合器和光缆，其中由所述透镜聚焦的太阳光线在所述光耦合器的大端予以接收，而从所述光耦合器的小端射出，而且所述光线进而被导入所述光缆，其特征在于：当所述光导的光接收面处的太阳光线入射角等于或大于所述光缆的数值孔径时，所述光缆则有较大的反射损耗，所述透镜的结构为菲涅耳透镜，即其小的数值孔径小于所述光缆的数值孔径，所述光耦合器的光出射端具有与所述光缆数值孔径相等的数值孔径，从而消除所述反射损耗，所述光耦合器的所述光出射端，利用光胶将其牢固地与光缆的光接收端粘接在一起。

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