[發明專利]一種太陽能聚光接口裝置

有效

• 申請號: 201110258873.9
• 申請日: 2011-09-02
• 公開（公告）號: CN102305961A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 寧鐸;張劍莉;辛登科;黃建兵;石秉恒
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: G02B6/32
• 分類號: G02B6/32;G02B6/24;G02B6/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明涉及陽光輸送領域，尤其涉及一種太陽能聚光接口裝置。

背景技術

開發利用以太陽能為代表的新能源已經作為我國可持續發展戰略的能源基本決策。盡管世界各國先后都在投入大量的人力物力對此進行研究，但是至今除了在太陽能熱水器為代表的低溫度區段的利用率比較高外，其它常用的光伏發電，光熱發電等方面應用均因為利用率太低而受到限制。例如通過光伏發電后照明發方式則太陽能的利用率僅為4％左右。但是如果通過把太陽光匯聚后利用光導纖維直接輸送到白天也需要照明的地方(隧道、地下室等)，那么其太陽能利用率一下子可提升10倍，達到40％以上，從而為太陽能的推廣應用開辟了一條新路，這種方法的典型應用產品就是我們研制的具有自主知識產權的陽光輸送機產品系列。

在陽光輸送機中，太陽光經過聚光體上若干個直徑100毫米玻璃平凸透鏡匯聚到其直徑為2毫米的聚光接口區域，直接進入直徑為2毫米的PMMA型塑料光導纖維中并被以全反射的方式輸送到需要照明的地方。聚光接口器的作用是調整并固定光導纖維入端處于焦點處，以便順利接收匯聚的太陽光。其聚光面積比例達到(π*50²)/(π*1²)＝2500(倍)。從而導致聚光接口區域的溫度大幅度上升，最高可達到95℃，所以一般情況下塑料光導纖維融溶問題必不可免。通常采用循環水冷卻方式因為太復雜而沒有實用價值。發明專利“一種陽光輸送機中聚受光接口器：申請號″201012071476.0”通過特殊設計實現了在自然環境中自行冷卻到塑料光導纖維正常工作溫度的條件，并且在實際應用到某高速公路隧道補充照明工程中受到用戶的肯定和好評。

然而實際使用數據說明塑料光纖除了工作環境溫度提出高的要求外，光纖損耗大以及光譜范圍小(僅能夠輸送可見光部分)就是其推廣應用的三大致命缺陷。而如果采用玻璃光纖傳輸太陽光，首先能夠直接把工作環境溫度上限由65℃提高到200℃，解決了聚光鏡接口器散熱問題；其次，從理論上講，利用全反射原理輸送太陽光的光導纖維本身的損耗是很小的，如以石英光導纖維為例，形成損耗的機理主要是瑞利散射、雜質吸收等，光傳輸1公里的距離后才衰減0.2dB，也就是僅損耗4.5％，而一般實用傳輸距離為200內；這對于能量傳輸來說已經是高效率；另外，石英光纖的光譜范圍大幅度擴展并覆蓋了從紫外-可見光-紅外范圍，基本上代表了太陽光。如果在條件允許情況下通過調節加長費涅爾透鏡焦距和光纖入射端加工為變徑的方法保證在增大聚光面積情況下太陽光仍然能夠順利進入光纖并以全反射方式傳輸，這種對于聚光體本身高度無要求的結構形式在某些特殊場合得到具體應用并取得了好的效果。

但是由于改進后的陽光輸送機系統要求費涅爾透鏡比較長的焦距導致制作的聚光體部件厚度增加，使其在實際安裝應用受到一定限制，同時也給聚光體設計制作并進入實際應用帶來很大困難。所以設計制作一種新結構的聚光接口器，在減小焦距以增加實用性情況下，在費涅爾透鏡大面積、小焦距基礎上仍然能夠順利的把匯聚的太陽光導入光纖并以全反射方式傳輸，就成為陽光輸送機進一步推廣應用的關鍵技術。

發明內容

本發明的目的在于提供一種太陽能聚光接口裝置，該裝置在費涅爾透鏡大面積、小焦距情況下仍然能夠順利的把匯聚的太陽光導入光纖并以全反射方式傳輸。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：包括設置在同一光軸上的費涅爾透鏡以及設置在該費涅爾透鏡光路中的聚光接口器，在聚光接口器內自透過費涅爾透鏡的光路中依次設置有雙凹形旋轉曲面透鏡和光導纖維；

所述的光導纖維包括接收太陽能的漸縮結構的倒錐形變徑段和等直徑段，其中變徑段固定在聚光接口器內；

所述的費涅爾透鏡與光導纖維的距離即費涅爾透鏡的焦距L與費涅爾透鏡最大半徑R滿足式(1)入射角度要求：

arctg(R/L)＝α＜(α₀-γ+θ)????????????????????(1)；

其中α為太陽光射經費涅爾透鏡進入雙凹透鏡的入射角度，α₀為等直徑光導纖維的最大允許接收角，θ為雙凹透鏡調整的太陽光線改變的角度，γ為光導纖維變徑段的變徑角度；

其中等直徑光纖的太陽能最大允許接收角α₀由下3式決定：

Y_min＝arcsin(n₃/n₁)

X_max＝π/2-Y_min