[发明专利]一种光能收集与全反射光能传输系统

说明书

技术领域

本发明为光能收集与全反射光能传输系统，属于光技术应用领域，特别是太阳光能的收集和光能的传输系统。

背景技术

太阳能是一种永不枯竭的清洁能源，太阳辐射通过大气后，太阳辐射能量的99％以上分布在波长0.15μm～4.0μm之间，而90％以上又集中在波长0.4μm-2μm波长范围，在可见光谱区约40％，在红外光谱区约60％。目前已经广泛推广使用的太阳灶采用凹面镜或透镜聚焦方法聚焦太阳光，但由于必须在凹面镜的焦点处取用能量，凹面镜的聚光面积不能制造得很大，否则使用受到影响。这种技术的另一个缺点是只能单独使用不能串联，聚焦能量密度低，不能在太阳光照能量密度较小的地方推广。若能实现太阳能能量密度倍增和高效传输，必将极大拓展太阳能的应用领域。

实现光束的长距离传输是众所周知的成熟技术。在光通讯领域，以SiO₂材料为主要成分的光纤，工作在0.8μm-1.6μm的近红外波段，目前工艺技术所能达到的最低理论损耗在1550nm波长处为0.16dB/km(光损耗为0.2dB/km时，相当于50％光损耗)。在高能量密度光的光纤传输技术方面，已经实现了工业应用的范例是高能激光焊接技术，用光纤束输送激光能量用于金属构件的焊接，例如，德国生产的高能金属激光焊机。文献(光纤制造与应用论文集，光学精密机械编辑部编辑出版，1986年9月，p16，图10)介绍，用轴向沉淀法制备的SiO₂光纤，在0.6μm-1.0μm波段范围和1.8μm-2.0μm波段范围光损耗小于8dB/km，而在1.8μm-2.0μm波段范围光的损耗则小于1dB/km。因此，只要SiO₂材料中过渡金属杂质例如Fe²⁺和OH^-等红外光吸收杂质含量得到控制，高能量密度的全波太阳光能通过类似于光纤的光传输技术是可以实现的。

在光能量密度转换方面，通常采用菲涅耳螺纹透镜组、透镜或凹面镜组合方法。在光能量的传输方面，主要采用膜反射和介质全反射原理。

实用新型专利(ZL专利号02207211.X)采用菲涅耳螺纹透镜组合方法和凹面镜组合将太阳光聚焦到反射光管的入口，并通过反射光管送到使用点。公开号为CN101270921的专利，利用凹透镜、凸透镜、反光面和反光棱镜的折射、反射光的原理，将它们分别设置在太阳能收集装置的集光头、传导装置的止头集光三通、光缩节以及供能装置中的取光三通内，使收集的光能沿着设置的光道直至使用装置中。公开号为CN1847741的专利，公开了一种把大面积的太阳能分片汇聚起来，传输到厂房等各种房间内，再集中起来加以利用的方法和系统；系统中的每个阳光采集装置上有反光镜和阳光传感器；反光镜反射的阳光经过凹透镜折射之后，汇聚到光束导管中，在光束导管内经过反光膜的不断反射，传输到房间内的另外一端。实用新型专利(ZL专利号200710063059.5)采用抛物面聚光与圆柱镜反射面反射的原理，实现了平行光束能量密度的转换。上述专利都涉及到光的膜反射。膜反射这种方法的缺点是光必须通过多次反射才能送到使用点。资料(成都炬科光学元件厂产品说明书，P2)介绍，虽然反射效率很高的银膜在长波段光的反射率大于98％，但由于光经多次反射的损失的叠加，总的光能损失较大，不实用于长距离光能传输。

实用新型专利(ZL专利号200420017316.3)依据光纤通讯原理，直接将光纤放在太阳能聚光装置的焦点处直接将太阳光能送入储能器。申请号为CN1955613(太阳能光纤传导聚能矩阵)的专利，由聚光器、光纤束、受光器和基座等构成，也是使多个聚光器会聚的太阳光经光纤束一一投射到同一吸收器上。这种光纤传送技术虽然原理可行，但是只有入射在光纤光芯上，且入射角满足光的全反射条件的光才能通过光纤传播，而入射在纤维束间隙处和入射角不满足全反射条件的光线将不被传播，所以相当部分光最终将逃逸出光导纤维，光能的传输效率较低。