一种太阳能聚光器制造技术

一种太阳能聚光器，包括费涅尔透镜以及设置在该费涅尔透镜光路中的用于安装光导纤维的聚光接口器，所述的光导纤维包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段和等直径段，且接收太阳能的变径段的端面为凹面旋转面。本发明专利技术利用石英光导纤维接受太阳光特殊的变径段结构作为接收端来有效解决费涅尔透镜高倍点聚光后光斑分散在比较大区域与输送的石英光纤直径有限之间的这一矛盾的。而且将变径段接收太阳光的端部设置成凹形曲面直接作为接收面，有效解决了因为增加双凹透镜引起太阳光传输效率下降问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阳光输送领域，尤其涉及一种太阳能聚光器。
技术介绍
开发利用以太阳能为代表的新能源已经作为我国可持续发展战略的能源基本决策。尽管世界各国先后都在投入大量的人力物力对此进行研究，但是至今除了在太阳能热水器为代表的低温度区段的利用率比较高外，其它常用的光伏发电，光热发电等方面应用均因为利用率太低而受到限制。例如通过光伏发电后照明发方式则太阳能的利用率仅为 4%左右。但是如果通过把太阳光汇聚后利用光导纤维直接输送到白天也需要照明的地方 (隧道、地下室等)，那么其太阳能利用率一下子可提升10倍，达到40%以上，从而为太阳能的推广应用开辟了一条新路，这种方法的典型应用产品就是我们研制的具有自主知识产权的阳光输送机产品系列。针对阳光输送机具体应用场合的不同要求以及性能特点，专利技术专利“一种阳光输送机中聚受光接口器申请号201012071476.0”通过特殊设计实现了在自然环境中自行冷却到塑料光导纤维正常工作温度的条件，并且在实际应用到某高速公路隧道照明工程中受到用户的肯定和好评；在此基础上又通过变径方式实现了费涅尔透镜高倍聚光且光斑分散条件下太阳光顺利导入光纤并以全反射方式传输；在此基础上通过在费涅尔透镜与光纤接收面之间增加双凹透镜结构的方法调整光路，实现了更高倍聚光和小焦距条件下完成了太阳光顺利导入光纤并以全反射方式传输的目标，为聚光体的加工制作创造了条件。但是这种聚光器结构在实际应用中还存在着不足，即由于在太阳光汇聚后的光路上增加了双凹透镜，从而导致高密度太阳光一进一出二个光学界面的反射和折射损耗20%以上，所以设计光路简化的聚光接口器来实现大面积、高倍汇聚情况下把太阳光高效率的引入常用规格 (如直径为Imm)的光导纤维中，就成为阳光输送机产品市场化推广的一个关键技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现大面积、高倍汇聚情况下把太阳光高效率的引入常用规格的石英光导纤维中的太阳能聚光器。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是包括设置在同一光轴上的费涅尔透镜以及设置在该费涅尔透镜光路中的用于安装光导纤维的聚光接口器，述的光导纤维包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段和等直径段，其中变径段固定在聚光接口器内，且接收太阳能的变径段的端面为凹面旋转面；所述的费涅尔透镜的焦距L其与费涅尔透镜的最大半径R满足式(1)入射角度要求arctg (R/L) = α < ( α 0-y )(1)；其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入光导纤维的入射角度，α。为等直径光纤允许的最大光线接收角，Y为光导纤维变径段的变径角度；其中等直径光纤的太阳能最大允许接收角C^由下3式决定Ymin = arcsin Cn3Ai1)Xfflax= "2_Yminα 0 = arcsin (Ii1SinXmaxAi0)其中X为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Y为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Z为该光线二次折射后的出射角， Yfflin为入射光线发生全反射时的临界角，当Y > Yfflin时，均可发生全反射，Xfflax为对应Ymin和 α ^的一次折射出射角，η0为空气折射率，H1为光导纤维折高折射率玻璃芯的折射率，η3为光导纤维低折射率玻璃包层折射率；渐缩结构的锥形变径段端部凹面旋转面的横截面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜的太阳实际聚光光斑区域的面积。所述的光导纤维变径段的变径角度Y由公式(2)确定tgy = (A-r) /B (2)；其中A是光导纤维变径段的最大半径，r是光导纤维正常直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度。所述的费涅尔透镜为透射式点聚光。所述的聚光接口器设有收容光导纤维变径段的腔体，该腔体的形状与光导纤维变径段的形状一致。所述光导纤维为石英光导纤维。本专利技术利用石英光导纤维接受太阳光特殊的变径段结构作为接收端来有效解决费涅尔透镜高倍点聚光后光斑分散在比较大区域与输送的石英光纤直径有限之间的这一矛盾的。而且将变径段接收太阳光的端部设置成凹形曲面直接作为接收面，有效解决了双凹透镜引起太阳光传输效率下降问题。附图说明图1是本专利技术的太阳能聚光接口装置的结构示意图；图2是图1中所示的太阳能聚光接口装置的光路图；图3是图1中所示的光导纤维的太阳光路示意图；图4是光线入射等直径光纤时发生两次折射的光路图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参见图1，本专利技术包括费涅尔透镜1以及设置在该费涅尔透镜1光路中的用于安石英光导纤维的聚光接口器2，光导纤维3包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段31和等直径段32，其中变径段31固定在聚光接口器2内，且接收太阳能的变径段31的端面为凹面旋转面；透射式点聚光的费涅尔透镜1与光导纤维3的距离即费涅尔透镜1的焦距L与费涅尔透镜1最大半径R满足式(1)入射角度要求arctg (R/L) = α < ( α 0-y )(1)；其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入光导纤维的入射角度，C^为等直径光纤允许的最大光线接收角，Y为光导纤维变径段的变径角度；其中等直径光纤的太阳能最大允许接收角C^由下3式决定Ymin = arcsinOvVXfflax = π /2_Yminα 0 = arcsin (Ii1SinXmaxAi0)其中X为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Y为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Z为该光线二次折射后的出射角， Yfflin为入射光线发生全反射时的临界角，当Y > Yfflin时，均可发生全反射，Xfflax为对应Ymin和 α。的一次折射出射角，η0为空气折射率，H1为光导纤维折高折射率玻璃芯的折射率，η3为光导纤维低折射率玻璃包层折射率。(参考图4)参见图3，光导纤维变径段的变径角度Y由公式(2)确定tgy = (A-r) /B (2)；其中A是光导纤维变径段的最大半径，r是光导纤维等直径段的半径，B为光导纤维变径段的长度；渐缩结构的锥形变径段31端部凹面旋转面的横截面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜1的太阳聚光光斑区域的面积。本实施例中费涅尔透镜1面积较大，采用400X400mm2的正方形，而且是焦距比较小的透射式点聚光规格(如当R = 200mm时，焦距L = 15mm)。参照图2，当平行的入射太阳光通过费涅尔透镜1汇聚到最小区域S中时，考虑到由于变径引起的全反射时对临界角的影响，这时候只有在费涅尔透镜1半径< RO的圆面积内的汇聚太阳光线能够直接进入石英光导纤维3的接收面后以全反射方式传输，而在半径 > RO的环形面积内汇聚的太阳光线则以折射方式射出石英光导纤维3。本专利技术通过将石英光导纤维3的接收面加工成凹形曲面31，通过此凹形曲面31实现对于半径> RO的环形面积内汇聚的太阳光线的光路调整，使之也能够满足全反射条件，在进入石英光导纤维3后以全反射方式传输。如对于处于半径大于RO的太阳光线Rl，如果通过光纤接收平面S进入石英光导纤维3，则到达Pl处，并因为不满足全反射条件而折射出去；但是如果通过凹形曲面S'，则光路方向经过调整后到达Pl1处，这时因为满足全反射条件而在石英光导纤维3 中以全反射方式传输。还有一种情况，就是光纤接本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种太阳能聚光器，包括设置在同一光轴上的费涅尔透镜（１）以及设置在该费涅尔透镜（１）光路中的用于安装光导纤维（３）的聚光接口器（２），其特征在于：所述的光导纤维（３）包括接收太阳能的渐缩结构的倒锥形变径段（３１）和等直径段（３２），其中变径段（３１）固定在聚光接口器（２）内，且接收太阳能的变径段（３１）的端面为凹面旋转面；所述的费涅尔透镜（１）的焦距Ｌ其与费涅尔透镜（１）的最大半径Ｒ满足式（１）入射角度要求：ａｒｃｔｇ（Ｒ／Ｌ）＝α＜（α０－γ）（１）；其中α为太阳光从费涅尔透镜透射进入光导纤维的入射角度，α。为等直径光纤允许的最大光线接收角，γ为光导纤维变径段的变径角度；其中等直径光纤的太阳能最大允许接收角α０由下３式决定：Ｙｍｉｎ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ３／ｎ１）Ｘｍａｘ＝π／２－Ｙｍｉｎα０＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１ｓｉｎＸｍａｘ／ｎ０）其中Ｘ为入射光线由空气到光导纤维玻璃芯折射后的出射角，Ｙ为该光线由光导纤维玻璃芯到光导纤维玻璃包层发生折射时的入射角，Ｚ为该光线二次折射后的出射角，Ｙｍｉｎ为入射光线发生全反射时的临界角，当Ｙ＞Ｙｍｉｎ时，均可发生全反射，Ｘｍａｘ为对应Ｙｍｉｎ和α０的一次折射出射角，ｎ０为空气折射率，ｎ１为光导纤维折高折射率玻璃芯的折射率，ｎ３为光导纤维低折射率玻璃包层折射率；渐缩结构的锥形变径段（３１）端部凹面旋转面的横截面积等于入射太阳光透过费涅尔透镜（１）的太阳实际聚光光斑区域的面积。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁铎，张永佳，王进军，李斌，文婷，陈国庆，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：87