CN108561844B - 一种太阳能会聚导光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种稳定太阳光输出光强的会聚导光系统，包括会聚透镜阵列和光纤。太阳光经会聚透镜阵列后会聚到与每个会聚透镜相对应的传输介质中进行传输，所述会聚透镜阵列由(2nx+1)×(2ny+1)个会聚透镜沿东西方向和南北方向排布组成，传输介质光纤的聚光端位于会聚透镜焦点位置，且光纤轴线与会聚透镜主轴重叠。会聚导光系统配有追踪定位装置同步运动。会聚透镜阵列的会聚透镜数量满足
Figure DDA0001590312570000011
本发明设计的会聚导光系统可有效降低由于太阳光入射角与设计输入角的角度之间产生偏差而引起的聚光效率的变化量，因而有输出稳定光强的功能。

Description

一种太阳能会聚导光系统
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，尤其涉及一种太阳能会聚导光系统。
背景技术
在太阳光收集器等系统中，一般都需要通过透镜系统将光进行会聚，从而输入到光纤等横截面积较小的传输介质中。由于透镜尺寸受制作工艺和光斑大小的限制，通常采用多个会聚透镜以实现增强聚光光强的目的。采用无追踪型透镜系统时，通常在同一时刻，仅有少部分透镜起到聚光作用，其它会聚透镜则处于闲置状态，透镜利用率和聚光总效率较低。在一些无追踪型系统中，不同的时间段由不同的会聚透镜收集到太阳光，造成透镜的使用率低，增加了系统的成本。为了提高透镜对太阳光的聚光效率，通常采用太阳追踪定位装置对太阳进行定位追踪，这种方式下，所有的会聚透镜获得同步定位，从而均能够收集太阳光且均具有高的聚光效率。由于聚光面积很小，现有的太阳追踪装置的定位精度虽然已经可以达到1°或更小值，但即便如此，产生的误差仍然会影响聚合到光纤中的光强大小。即便已经完全精确定位，由于太阳和地球的相对运动是连续的，入射的平行太阳光线与透镜平面的偏角随时间而逐渐增大，使得会聚透镜的聚焦光斑发生偏移，这就将导致有部分太阳光无法被耦合进入光纤中，从而降低太阳光的耦合效率，为此，追踪定位装置必须频繁地追踪太阳，并转动会聚系统。采用追踪定位装置的会聚系统，透镜阵列通常排布于同一平面，即其耦合效率变化相同，因而，太阳光移动或者透镜追踪装置存在偏差时，每个透镜聚合得到的太阳光强度都发生同样的变化。在很多场合，对会聚太阳光的光强稳定性有严格的要求，例如，在将会聚的太阳光应用于照明时，由于人眼对光强的变化较为灵敏，光强的频繁变化会给人造成不适感。为此，需要采用有效措施，降低会聚的太阳光强总量随时间的变化量，使从光纤输出的光照强度保持在比较稳定的水平。这就要求系统的追踪定位装置具有高的定位精度，且需要在很短的时间间隔内不断地校正位置，以保证太阳光强度维持在比较稳定的水平。这就导致对追踪定位装置的精度要求非常高，同时对系统中会聚透镜的制作、安装等工艺质量也提高了更高的要求，频繁的定位和转动系统还增加了系统的复杂度和控制难度。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种在入射太阳光角度发生较大变化时，会聚系统输出的太阳光光强总量仍能保持在较稳定水平的装置。通过改变会聚透镜排布方式和相互位置、角度关系，使得会聚系统存在一定的角度定位误差时，仍能保持耦合进入光纤的光强度总量变化较小，从而达到输出稳定光强的目的。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目标的。
一种太阳能会聚导光系统，包括会聚透镜阵列和光纤，太阳光经会聚透镜阵列后会聚到与每个会聚透镜相对应的光纤中进行传输，所述会聚透镜阵列由(2nx+1)×(2ny+1)个会聚透镜沿东西方向和南北方向排布组成，东西方向上的会聚透镜的行数为(2nx+1)，南北方向上的会聚透镜的列数为(2ny+1)，nx，ny均为大于等于2的正整数；同一行会聚透镜的中心处于一圆周上，且会聚透镜的主轴相交于圆心位置；同一列会聚透镜的中心处于一圆周上，且会聚透镜的主轴相交于圆心位置；
所述光纤的聚光端位于相对应的会聚透镜的焦点位置，所述光纤的轴线与相对应的会聚透镜的主轴重叠；
所述会聚导光系统配有追踪定位装置，所述追踪定位装置的定位对象为太阳光和会聚透镜阵列中的中心会聚透镜，所述会聚导光系统跟随追踪定位装置同步运动；
所述会聚透镜阵列的会聚透镜数量满足：
Figure BDA0001590312550000021
其中，δx为每行会聚透镜中的相邻两个会聚透镜的主轴之间的夹角，δy为每列会聚透镜中的相邻两个会聚透镜的主轴之间的夹角，R为光纤纤芯的半径，r为平行太阳光经会聚透镜会聚的弥散斑半径，f为会聚透镜的焦距。
R+r表示弥散斑横向位移的最大量，此时恰好无光耦合进入光纤中。入射光线和主轴夹角ω与弥散斑的横向位移量d之间的服从d＝f×tan(ω)，因此d＝R+r时即为光垂直入射到中心会聚透镜时，边角透镜正好完全接受不到光的情况，即本发明要求太阳光正入射到中心会聚透镜时，阵列中所有会聚透镜都能收集到光，并将之耦合进入到对应的光纤中。
优选地，所述会聚透镜阵列中的会聚透镜均为同一类型会聚透镜且具有相同的尺寸和焦距。
优选地，所述光纤均为同一类型光纤且具有相同的纤芯半径和数值孔径。
优选地，所述会聚透镜的焦距满足：
Figure BDA0001590312550000022
其中，NA为光纤的数值孔径，D为会聚透镜的直径。
优选地，所述会聚透镜的焦距满足：
Figure BDA0001590312550000031
其中，NA为光纤的数值孔径，D为会聚透镜的直径。
会聚透镜的焦距须满足以上要求的原因是：弥散斑随入射光偏角的移动量与透镜的焦距成正比，因此，如果透镜焦距过长，就会导致弥散斑移动量增大，为使弥散斑能有效耦合进光纤，就要求追踪定位系统有非常高的定位精度；同时，由会聚透镜阵列的透镜数目的公式可知，焦距f增大时，在会聚透镜尺寸和排布方式不变的情况下，会聚透镜的数量将减少。而本发明需要足够数量的会聚透镜才能达到稳定光强的效果，因而焦距不可过大。综合以上原因，并设计获得上述对焦距要求。
优选地，会聚透镜和光纤的选择，服从耦合匹配原则，即平行太阳光经会聚透镜会聚的弥散斑半径r应不大于光纤纤芯的半径R，即r≤R。耦合角度应该不大于光纤孔径角推倒可得
Figure BDA0001590312550000032
又由焦距不能太大限定
Figure BDA0001590312550000033
优选地，所述会聚透镜阵列中边角会聚透镜与中心会聚透镜的夹角范围为tan2(nxδx+β+tan2nyδy+β≤tan2ωe，β为由于追踪定位装置的定位误差而产生的太阳光与中心会聚透镜主轴之间的最大偏角，最大入射偏角ωe为单个会聚透镜达到系统允许的最低耦合效率η时，其对应的入射光线与会聚透镜的主轴之间的夹角；
其中，最大入射偏角ωe和单个会聚透镜最低耦合效率η二者服从公式：
Figure BDA0001590312550000034
其中
Figure BDA0001590312550000035
de＝f×tan(ωe)
其中de为入射光线与会聚透镜的主轴之间的夹角从0变为时，弥散斑在焦平面上的横向偏移量。
所述会聚导光系统中同一列或同一行的会聚透镜，其中心所在的圆周的半径应远大于会聚透镜的焦距。原因是为保证系统中的会聚透镜均能接收并会聚一定的入射光，相邻两个会聚透镜的主轴之间的夹角通常在较小值，因而由公式
Figure BDA0001590312550000036
可知，会聚透镜仅排布于圆周中较短的一段圆弧区域。即有圆周的半径远大于会聚透镜的直径。而由
Figure BDA0001590312550000037
以及光纤的数值孔径通常至少大于0.1可知，会聚透镜的焦距与会聚透镜直径相当，因而，会聚透镜的焦距f通常也远小于圆的半径。
本发明的有益效果：
1)本发明通过采用会聚透镜阵列的非平面排布、对相邻会聚透镜的角度关系和会聚透镜的数量进行严格限制、匹配光纤与透镜的参数关系的方法，获得了在保证总体聚光系统仍具有较高的聚光效率的前提下，有效降低由于追踪定位装置定位精度误差、系统安装工艺、太阳移动等原因而导致太阳光线与会聚透镜主轴之间偏差而引起的聚光效率的变化量，起到有效稳定输出光强的技术效果。
2)本发明会聚透镜阵列在追踪定位装置配合下，使会聚导光系统跟随追踪定位装置同步运动，会聚透镜阵列中所有的会聚透镜都能够将太阳光会聚到各自对应的光纤中，只是处于不同位置的会聚透镜由于入射太阳光的偏角不同，在会聚光强强度方面存在一些差别，而这种有意设置的差别，可以起到稳定输出光强总量的作用。本发明系统中所有的会聚透镜均具有较高的聚光效率，在追踪定位装置正常工作情况下，会聚透镜均能将太阳光会聚到光纤中，不存在无法将光导入光纤的会聚透镜，相比于无追踪定位的导光系统，有效节省了会聚透镜的数量。
3)本发明允许追踪定位装置存在较大的角度定位误差，且输出光强对入射太阳光角度的微小变化不敏感，因而，允许间隔较长的一段时间，再对太阳光进行追踪定位，避免了频繁追踪与转动聚光系统带来的系统复杂性和能量消耗。
附图说明
图1为本发明所述会聚导光排布系统的某一行(列)会聚透镜及光纤排布的示意图。
图2为完全耦合匹配原则的示意图；
图3为弥散斑的横向误差的示意图；
图4为不同时刻太阳光入射示意图，其中(a)为太阳光垂直中心透镜入射，(b)为太阳光与中心透镜存在入射偏角；
图5为光耦合效率与入射夹角关系曲线的示意图。
图中：1-会聚透镜，2-光纤，3-包层，4-纤芯。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
位于同平面上的透镜群对角度偏差较为敏感，即有入射偏角时相对于当太阳光垂直入射时，耦合进入光纤中的光量变化较大。因而针对此本发明设计一种稳定太阳光输出光强的会聚导光系统，包括会聚透镜阵列和光纤2。会聚透镜阵列由(2nx+1)×(2ny+1)个会聚透镜1沿东西方向和南北方向排布组成，东西方向上的会聚透镜1的行数为(2nx+1)，南北方向上的会聚透镜1的列数为(2ny+1)，nx，ny均为大于等于2的正整数。同一行会聚透镜1的中心处于一圆周上，且会聚透镜1的主轴相交于圆心位置；同一列会聚透镜1的中心处于一圆周上，且会聚透镜1的主轴相交于圆心位置。所述光纤2的聚光端位于相对应的会聚透镜1的焦点位置，所述光纤2的轴线与相对应的会聚透镜1的主轴重叠。会聚导光系统配有追踪定位装置，追踪定位装置的定位对象为太阳光和会聚透镜阵列中的中心会聚透镜1，所述会聚导光系统跟随追踪定位装置同步运动。如图1所示，太阳光经会聚透镜阵列后会聚到相对应的光纤2中进行传输，且当太阳光垂直平面镜入射时，光恰好完全耦合进入光纤2中。阵列的会聚透镜数量满足
Figure BDA0001590312550000051
其中，δx为每行会聚透镜1中的相邻两个会聚透镜1的主轴之间的夹角，δy为每列会聚透镜1中的相邻两个会聚透镜1的主轴之间的夹角，R为纤芯4的半径，d为平行太阳光经会聚透镜1会聚的弥散斑半径，f为会聚透镜1的焦距。
实施例中，会聚透镜阵列中的所有会聚透镜1均为同一类型会聚透镜1且具有相同的尺寸和焦距，传输介质光纤2为同一类型，且具有相同的纤芯半径和数值孔径。如图2中的完全耦合匹配原则可见，平行太阳光经会聚透镜1会聚的弥散斑半径r应不大于纤芯4的半径R，即r≤R，同时光纤2和会聚透镜1的焦距选择满足：
Figure BDA0001590312550000052
同时
Figure BDA0001590312550000053
且耦合进入光纤2的光功率则与弥散斑和纤芯4重叠面积成正比。经过聚光装置汇聚后的太阳光束虽然在一定程度上满足光与光纤耦合条件的要求，但是当太阳光会聚光斑的中心未能对准纤芯4的中心轴的时候，可见附图3，部分光线就会在耦合进光纤2的过程中泄露到周围的环境中去，进而造成光量的损耗，此损耗主要是由横向误差引起的效果，且最大入射偏角ωe和单个会聚透镜耦合效率η二者服从公式：
Figure BDA0001590312550000054
其中
Figure BDA0001590312550000055
de＝f×tan(ωe)。
其中R为光纤纤芯4的半径，r为太阳光经会聚透镜会聚的弥散斑半径，de为为入射光线与会聚透镜1的主轴之间的夹角从0变为最大偏角时，弥散斑在焦平面上的横向偏移量。β为由于追踪定位装置的定位误差而产生的太阳光与中心会聚透镜主轴之间的最大偏角，最大入射偏角ωe为单个会聚透镜达到系统允许的最低耦合效率η时，其对应的入射光线与光轴之间的夹角；采用以上限定以后，可以保证太阳追踪在此精度范围内时，太阳光正入射到中心透镜时，阵列中所有透镜都能收集到光，并耦合进入到对应的光纤2中。
显然，当入射光线与会聚透镜1主轴存在偏差时，会聚透镜1的耦合效率会降低。如附图4a所示，本发明的会聚透镜阵列，在太阳光垂直入射到中心会聚透镜1时，其他会聚透镜1由于入射偏角的存在，耦合效率会有所降低，但当其相邻两个会聚透镜1的主轴之间的夹角δ较小时，其对耦合效率的影响并不大。但若太阳光与中心会聚透镜1存在一个较小的偏角时，如附图4b所示，会有部分会聚透镜1的耦合效率反而有所提高，因而，最终使得所有的会聚透镜1的总体聚光效率变化较小。由此可知，会聚透镜1的数量越多，其耦合效率的稳定性也就越高。
本发明会聚透镜阵列采用特殊排列的方式，是为了实现稳定会聚光强的目的。所有的会聚透镜1在追踪定位状态下，即便追踪定位系统存在一定的追踪误差，仍可保证会聚的光强总量保持在较平稳的水平。因此，本发明的会聚透镜阵列在追踪定位装置配合下，会聚透镜阵列中所有的会聚透镜1都能够将太阳光会聚到各自的光纤中，只是处于不同位置的会聚透镜1由于入射太阳光的偏角不同，在会聚光强强度方面存在一些差别，这种有意设置的差别，可以起到稳定输出光强总量的作用。
以下结合附图5说明本发明的优选实施例，优选半径为3mm的光纤2做为传输介质，弥散斑半径为3mm、焦距为100mm的会聚透镜1会聚太阳光，耦合效率η随着入射光线与光轴之间的夹角ω的变化曲线图如附图5所示。由图5可见η与ω呈负相关。以n块透镜1作一行或一列为参考，设入射太阳光线经单位数目会聚透镜1耦合进入光纤，若入射太阳光线与该会聚透镜1的主轴平行则耦合效率最高即100％。n块会聚透镜1处于同平面时，耦合效率最高为n*100％，设其为基础耦合效率。
实施例1：以7块会聚透镜1作一行或一列，若会聚透镜1处于同平面时，耦合效率最高为7*100％，即基础耦合效率为700％。以行为例，若本发明的会聚透镜1系统设置相邻会聚透镜1中心平面夹角大小为δx＝0.5°，初始状态下即入射太阳光线与中心会聚透镜1主轴平行时，最高耦合效率有所降低但也可达到688.8848％。而当入射偏角为0.5°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至687.9568％，由于偏角引起的变化量仅为0.9280％。作为对比，给出透镜的参数和数量均与本实施例相同，但排布于同一平面的会聚系统的聚光效率，在0.5°入射偏角影响下，其效率降至693.5181％，前后变化量达到6.4819％。而当入射偏角为3°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至660.9971％，由于偏角引起的变化量为27.8877％。而同一平面的会聚系统在3°入射偏角影响下，效率降至661.0259％，前后变化量达到38.9741％。
实施例2：以7块会聚透镜1作一行或一列，若会聚透镜1处于同平面时，耦合效率最高为7*100％，即基础耦合效率为700％。以行为例，若本发明的会聚透镜1系统设置相邻透镜1中心平面夹角大小为δx＝1°，初始状态下即入射太阳光线与中心透镜1主轴平行时，最高耦合效率有所降低但也可达到688.8848％。而当入射偏角为0.5°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至676.8153％，由于偏角引起的变化量仅为0.9301％。作为对比，给出透镜参数和数量均与本实施例相同，但排布于同一平面的会聚系统的聚光效率，在0.5°入射偏角影响下，其效率降至693.5181％，前后变化量达到6.4819％。而当入射偏角为1.5°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至673.0773％，由于偏角引起的变化量为4.6680％。而同一平面的会聚系统在1.5°入射偏角影响下，效率降至680.5449％，前后变化量达到19.4551％。
由上述分析可知，由于太阳光线与会聚透镜1主轴之间的偏角对常规会聚系统影响较大，因而，需要频繁追踪与转动聚光系统。由于太阳光偏转约15°每小时，即每4分钟偏转1°。由上分析，本实施例即使入射偏角为1.5°时，输出光强变化量仍然比同一平面的会聚系统在0.5°入射偏角下的变比量要小。因此，本实施例可允许追踪定位装置的角度误差达到0.5°，且可以间隔长达4分钟再重新定位一次，输出光强的变化量不超过4.6680％，从而避免了频繁追踪与转动聚光系统带来的系统复杂性和能量消耗，实现了稳定了输出光强的目的。
实施例3：以9块会聚透镜1作一行或一列，若会聚透镜1处于同平面时，耦合效率最高为9*100％，即基础耦合效率为900％。以行为例，若本发明的会聚透镜1系统设置相邻会聚透镜1中心平面夹角大小为δx＝0.5°，初始状态下即入射太阳光线与中心透镜1主轴平行时，最高耦合效率有所降低但也可达到881.4702％。而当入射偏角为0.5°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至880.5409％，由于偏角引起的变化量仅为0.9294％。作为对比，我们给出透镜参数和数量均与本实施相同，但排布于同一平面的会聚系统的聚光效率，在0.5°入射偏角影响下，其效率降至891.6662％，前后变化量达到8.3338％。而当入射偏角为1°时，本实施例聚光系统的耦合效率降至877.7524％，由于偏角引起的变化量为3.7178％。而同一平面的会聚系统在1°入射偏角影响下，效率降至883.3293％，前后变化量达到16.6707％。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种太阳能会聚导光系统，其特征在于，包括会聚透镜阵列和光纤(2)，太阳光经会聚透镜阵列后会聚到与每个会聚透镜(1)相对应的光纤(2)中进行传输，所述会聚透镜阵列由(2nx+1)×(2ny+1)个会聚透镜(1)沿东西方向和南北方向排布组成，东西方向上的会聚透镜(1)的行数为(2nx+1)，南北方向上的会聚透镜(1)的列数为(2ny+1)，nx，ny均为大于等于2的正整数；同一行会聚透镜(1)的中心处于一圆周上，且会聚透镜(1)的主轴相交于圆心位置；同一列会聚透镜(1)的中心处于一圆周上，且会聚透镜(1)的主轴相交于圆心位置；
所述光纤(2)的聚光端位于相对应的会聚透镜(1)的焦点位置，所述光纤(2)的轴线与相对应的会聚透镜(1)的主轴重叠；
所述会聚导光系统配有追踪定位装置，所述追踪定位装置的定位对象为太阳光和会聚透镜阵列中的中心会聚透镜(1)，所述会聚导光系统跟随追踪定位装置同步运动；
所述会聚透镜阵列的会聚透镜(1)的数量满足：
Figure FDA0002417711390000011
其中，δx为每行会聚透镜(1)中的相邻两个会聚透镜(1)的主轴之间的夹角，δy为每列会聚透镜(1)中的相邻两个会聚透镜(1)的主轴之间的夹角，R为纤芯(4)的半径，r为平行太阳光经会聚透镜(1)会聚的弥散斑半径，f为会聚透镜(1)的焦距；
所述会聚透镜阵列中边角会聚透镜(1)与中心会聚透镜(1)的夹角范围为：
tan2(nxδx+β)+tan2(nxδy+β)≤tan2(ωe)，β为由于追踪定位装置的定位误差而产生的太阳光与中心会聚透镜(1)主轴之间的最大偏角，最大入射偏角ωe为单个会聚透镜(1)达到系统允许的最低耦合效率η时，其对应的入射光线与会聚透镜(1)的主轴之间的夹角；
其中，最大入射偏角ωe和单个会聚透镜(1)最低耦合效率η二者服从公式：
Figure FDA0002417711390000012
其中
Figure FDA0002417711390000013
de＝f×tan(ωe)
其中de为入射光线与会聚透镜(1)的主轴之间的夹角从0变为最大偏角时，弥散斑在焦平面上的横向偏移量。
2.根据权利要求1所述的太阳能会聚导光系统，其特征在于，所述会聚透镜(1)的焦距满足：
Figure FDA0002417711390000021
其中，NA为光纤(2)的数值孔径，D为会聚透镜(1)的直径。
3.根据权利要求2所述的太阳能会聚导光系统，其特征在于，所述会聚透镜(1)的焦距满足：
Figure FDA0002417711390000022
其中，NA为光纤(2)的数值孔径，D为会聚透镜(1)的直径。
4.根据权利要求1所述的太阳能会聚导光系统，其特征在于，会聚透镜(1)和光纤(2)的选择，服从耦合匹配原则，即平行太阳光经会聚透镜(1)会聚的弥散斑半径r应不大于纤芯(4)的半径R，即r≤R。
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