[发明专利]一种太阳能聚光接口装置

说明书

技术领域

本发明涉及阳光输送领域，尤其涉及一种太阳能聚光接口装置。

背景技术

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。

在阳光输送机中，太阳光经过聚光体上若干个直径100毫米玻璃平凸透镜汇聚到其直径为2毫米的聚光接口区域，直接进入直径为2毫米的PMMA型塑料光导纤维中并被以全反射的方式输送到需要照明的地方。聚光接口器的作用是调整并固定光导纤维入端处于焦点处，以便顺利接收汇聚的太阳光。其聚光面积比例达到(π*50²)/(π*1²)＝2500(倍)。从而导致聚光接口区域的温度大幅度上升，最高可达到95℃，所以一般情况下塑料光导纤维融溶问题必不可免。通常采用循环水冷却方式因为太复杂而没有实用价值。发明专利“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补充照明工程中受到用户的肯定和好评。

然而实际使用数据说明塑料光纤除了工作环境温度提出高的要求外，光纤损耗大以及光谱范围小(仅能够输送可见光部分)就是其推广应用的三大致命缺陷。而如果采用玻璃光纤传输太阳光，首先能够直接把工作环境温度上限由65℃提高到200℃，解决了聚光镜接口器散热问题；其次，从理论上讲，利用全反射原理输送太阳光的光导纤维本身的损耗是很小的，如以石英光导纤维为例，形成损耗的机理主要是瑞利散射、杂质吸收等，光传输1公里的距离后才衰减0.2dB，也就是仅损耗4.5％，而一般实用传输距离为200内；这对于能量传输来说已经是高效率；另外，石英光纤的光谱范围大幅度扩展并覆盖了从紫外-可见光-红外范围，基本上代表了太阳光。如果在条件允许情况下通过调节加长费涅尔透镜焦距和光纤入射端加工为变径的方法保证在增大聚光面积情况下太阳光仍然能够顺利进入光纤并以全反射方式传输，这种对于聚光体本身高度无要求的结构形式在某些特殊场合得到具体应用并取得了好的效果。

但是由于改进后的阳光输送机系统要求费涅尔透镜比较长的焦距导致制作的聚光体部件厚度增加，使其在实际安装应用受到一定限制，同时也给聚光体设计制作并进入实际应用带来很大困难。所以设计制作一种新结构的聚光接口器，在减小焦距以增加实用性情况下，在费涅尔透镜大面积、小焦距基础上仍然能够顺利的把汇聚的太阳光导入光纤并以全反射方式传输，就成为阳光输送机进一步推广应用的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能聚光接口装置，该装置在费涅尔透镜大面积、小焦距情况下仍然能够顺利的把汇聚的太阳光导入光纤并以全反射方式传输。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：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聚光接口器，在聚光接口器内自透过费涅尔透镜的光路中依次设置有双凹形旋转曲面透镜和光导纤维；

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，其中变径段固定在聚光接口器内；

所述的费涅尔透镜与光导纤维的距离即费涅尔透镜的焦距L与费涅尔透镜最大半径R满足式(1)入射角度要求：

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

其中α为太阳光射经费涅尔透镜进入双凹透镜的入射角度，α₀为等直径光导纤维的最大允许接收角，θ为双凹透镜调整的太阳光线改变的角度，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：

Y_min＝arcsin(n₃/n₁)

X_max＝π/2-Y_min