專利名稱：一種太陽能聚光器的制作方法
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器。
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。針對陽光輸送機具體應用場合的不同要求以及性能特點，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照明工程中受到用戶的肯定和好評；在此基礎上又通過變徑方式實現了費涅爾透鏡高倍聚光且光斑分散條件下太陽光順利導入光纖并以全反射方式傳輸；在此基礎上通過在費涅爾透鏡與光纖接收面之間增加雙凹透鏡結構的方法調整光路，實現了更高倍聚光和小焦距條件下完成了太陽光順利導入光纖并以全反射方式傳輸的目標，為聚光體的加工制作創造了條件。但是這種聚光器結構在實際應用中還存在著不足，即由于在太陽光匯聚后的光路上增加了雙凹透鏡，從而導致高密度太陽光一進一出二個光學界面的反射和折射損耗20%以上，所以設計光路簡化的聚光接口器來實現大面積、高倍匯聚情況下把太陽光高效率的引入常用規格 (如直徑為Imm)的光導纖維中，就成為陽光輸送機產品市場化推廣的一個關鍵技術問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠實現大面積、高倍匯聚情況下把太陽光高效率的引入常用規格的石英光導纖維中的太陽能聚光器。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用于安裝光導纖維的聚光接口器，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，且接收太陽能的變徑段的端面為凹面旋轉面；所述的費涅爾透鏡的焦距L其與費涅爾透鏡的最大半徑R滿足式(1)入射角度要求arctg (R/L) = α < ( α 0-y )(1)；其中α為太陽光從費涅爾透鏡透射進入光導纖維的入射角度，α。為等直徑光纖允許的最大光線接收角，Y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C^由下3式決定Ymin = arcsin Cn3Ai1)Xfflax= "2_Yminα 0 = arcsin (Ii1SinXmaxAi0)其中X為入射光線由空氣到光導纖維玻璃芯折射后的出射角，Y為該光線由光導纖維玻璃芯到光導纖維玻璃包層發生折射時的入射角，Z為該光線二次折射后的出射角， Yfflin為入射光線發生全反射時的臨界角，當Y > Yfflin時，均可發生全反射，Xfflax為對應Ymin和 α ^的一次折射出射角，η0為空氣折射率，H1為光導纖維折高折射率玻璃芯的折射率，η3為光導纖維低折射率玻璃包層折射率；漸縮結構的錐形變徑段端部凹面旋轉面的橫截面積等于入射太陽光透過費涅爾透鏡的太陽實際聚光光斑區域的面積。所述的光導纖維變徑段的變徑角度Y由公式(2)確定tgy = (A-r) /B (2)；其中A是光導纖維變徑段的最大半徑，r是光導纖維正常直徑段的半徑，B為光導纖維變徑段的長度。所述的費涅爾透鏡為透射式點聚光。所述的聚光接口器設有收容光導纖維變徑段的腔體，該腔體的形狀與光導纖維變徑段的形狀一致。所述光導纖維為石英光導纖維。本發明利用石英光導纖維接受太陽光特殊的變徑段結構作為接收端來有效解決費涅爾透鏡高倍點聚光后光斑分散在比較大區域與輸送的石英光纖直徑有限之間的這一矛盾的。而且將變徑段接收太陽光的端部設置成凹形曲面直接作為接收面，有效解決了雙凹透鏡引起太陽光傳輸效率下降問題。
圖1是本發明的太陽能聚光接口裝置的結構示意圖；圖2是圖1中所示的太陽能聚光接口裝置的光路圖；圖3是圖1中所示的光導纖維的太陽光路示意圖；圖4是光線入射等直徑光纖時發生兩次折射的光路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。參見圖1，本發明包括費涅爾透鏡1以及設置在該費涅爾透鏡1光路中的用于安石英光導纖維的聚光接口器2，光導纖維3包括接收太陽能的漸縮結構的倒錐形變徑段31和等直徑段32，其中變徑段31固定在聚光接口器2內，且接收太陽能的變徑段31的端面為凹面旋轉面；透射式點聚光的費涅爾透鏡1與光導纖維3的距離即費涅爾透鏡1的焦距L與費涅爾透鏡1最大半徑R滿足式(1)入射角度要求arctg (R/L) = α < ( α 0-y )(1)；其中α為太陽光從費涅爾透鏡透射進入光導纖維的入射角度，C^為等直徑光纖允許的最大光線接收角，Y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C^由下3式決定Ymin = arcsinOvVXfflax = π /2_Yminα 0 = arcsin (Ii1SinXmaxAi0)其中X為入射光線由空氣到光導纖維玻璃芯折射后的出射角，Y為該光線由光導纖維玻璃芯到光導纖維玻璃包層發生折射時的入射角，Z為該光線二次折射后的出射角， Yfflin為入射光線發生全反射時的臨界角，當Y > Yfflin時，均可發生全反射，Xfflax為對應Ymin和 α。的一次折射出射角，η0為空氣折射率，H1為光導纖維折高折射率玻璃芯的折射率，η3為光導纖維低折射率玻璃包層折射率。(參考圖4)參見圖3，光導纖維變徑段的變徑角度Y由公式(2)確定tgy = (A-r) /B (2)；其中A是光導纖維變徑段的最大半徑，r是光導纖維等直徑段的半徑，B為光導纖維變徑段的長度；漸縮結構的錐形變徑段31端部凹面旋轉面的橫截面積等于入射太陽光透過費涅爾透鏡1的太陽聚光光斑區域的面積。本實施例中費涅爾透鏡1面積較大，采用400X400mm2的正方形，而且是焦距比較小的透射式點聚光規格(如當R = 200mm時，焦距L = 15mm)。參照圖2，當平行的入射太陽光通過費涅爾透鏡1匯聚到最小區域S中時，考慮到由于變徑引起的全反射時對臨界角的影響，這時候只有在費涅爾透鏡1半徑< RO的圓面積內的匯聚太陽光線能夠直接進入石英光導纖維3的接收面后以全反射方式傳輸，而在半徑 > RO的環形面積內匯聚的太陽光線則以折射方式射出石英光導纖維3。本發明通過將石英光導纖維3的接收面加工成凹形曲面31，通過此凹形曲面31實現對于半徑> RO的環形面積內匯聚的太陽光線的光路調整，使之也能夠滿足全反射條件，在進入石英光導纖維3后以全反射方式傳輸。如對于處于半徑大于RO的太陽光線Rl，如果通過光纖接收平面S進入石英光導纖維3，則到達Pl處，并因為不滿足全反射條件而折射出去；但是如果通過凹形曲面S'，則光路方向經過調整后到達Pl1處，這時因為滿足全反射條件而在石英光導纖維3 中以全反射方式傳輸。還有一種情況，就是光纖接收面為一相反情況---凸形曲面S"(常常設計或者燒斷時玻璃表面張力自然形成等)，這時候太陽光線Rl將被調整方向相反，使得到達Pl"處，更是盡快的將以折射方式射出光纖。這種陽光輸送機中的聚光接口器新裝置對于高倍透射式點聚光方式來說，以結構簡單和高效率為特點，豐富了陽光輸送機結構和工作模式，將會為陽光輸送機推廣應用提供了一種新選擇。
權利要求
1.一種太陽能聚光器，包括設置在同一光軸上的費涅爾透鏡(1)以及設置在該費涅爾透鏡(1)光路中的用于安裝光導纖維(3)的聚光接口器O)，其特征在于所述的光導纖維 (3)包括接收太陽能的漸縮結構的倒錐形變徑段(31)和等直徑段(32)，其中變徑段(31) 固定在聚光接口器O)內，且接收太陽能的變徑段(31)的端面為凹面旋轉面；所述的費涅爾透鏡(1)的焦距L其與費涅爾透鏡(1)的最大半徑R滿足式(1)入射角度要求arctg(R/L) = α < ( α 0-y )(1)；其中α為太陽光從費涅爾透鏡透射進入光導纖維的入射角度，α。為等直徑光纖允許的最大光線接收角，Y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由下3式決定Ymin = arcsinOVrOXmax — π /2_Yminα 0 = arcsin (Ii1SinXmaxAi0)其中X為入射光線由空氣到光導纖維玻璃芯折射后的出射角，Y為該光線由光導纖維玻璃芯到光導纖維玻璃包層發生折射時的入射角，Z為該光線二次折射后的出射角，Ymin為入射光線發生全反射時的臨界角，當Y > Yfflin時，均可發生全反射，Xfflax為對應Ymin和α Q的一次折射出射角，％為空氣折射率，ηι為光導纖維折高折射率玻璃芯的折射率，n3為光導纖維低折射率玻璃包層折射率；漸縮結構的錐形變徑段(31)端部凹面旋轉面的橫截面積等于入射太陽光透過費涅爾透鏡(1)的太陽實際聚光光斑區域的面積。
2.根據權利要求1所述的太陽能聚光光導纖維接口裝置，其特征在于所述的光導纖維變徑段的變徑角度Y由公式( 確定tgy = (A-r)/B(2)；其中A是光導纖維變徑段的最大半徑，r是光導纖維正常直徑段的半徑，B為光導纖維變徑段的長度。
3.根據權利要求1所述的太陽能聚光器，其特征在于所述的費涅爾透鏡為透射式點聚光。
4.根據權利要求1所述的太陽能聚光器，其特征在于所述的聚光接口器設有收容光導纖維變徑段的腔體，該腔體的形狀與光導纖維變徑段的形狀一致。
5.如權利要求1所述的太陽能聚光器，其特征在于所述光導纖維為石英光導纖維。
全文摘要
一種太陽能聚光器，包括費涅爾透鏡以及設置在該費涅爾透鏡光路中的用于安裝光導纖維的聚光接口器，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，且接收太陽能的變徑段的端面為凹面旋轉面。本發明利用石英光導纖維接受太陽光特殊的變徑段結構作為接收端來有效解決費涅爾透鏡高倍點聚光后光斑分散在比較大區域與輸送的石英光纖直徑有限之間的這一矛盾的。而且將變徑段接收太陽光的端部設置成凹形曲面直接作為接收面，有效解決了因為增加雙凹透鏡引起太陽光傳輸效率下降問題。
文檔編號G02B6/02GK102313931SQ20111025870
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者寧鐸, 張永佳, 文婷, 李斌, 王進軍, 陳國慶 申請人:陜西科技大學