太阳能传输用空芯光纤研究及收集装置的设计

1、武汉理工大学 硕士学位论文太阳能传输用空芯光纤研究及收集装置的设计 姓名：刘明辉 申请学位级别：硕士 专业：光电子及信息材料 指导教师：韩建军赵修建 20080501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文对大孔径低损耗传输太阳能用泄漏型空芯光纤薄膜制备工艺进行了深入的研究，与用于传输激光的空芯光纤不同的是，该空芯光纤传输的是波长范围的光，故在膜层厚度设计和材料选择上就有所区别。此波段的太阳能能量占太阳辐射能量中的以上，通过低损耗空芯光纤将太阳光传输到室内提供照明，即在一定程度解决了能源危机问题，又利于环保。 通过分析比较，选择石英玻璃毛细管作为空芯光纤基材，内径为：通过理论计算与薄膜材料的选择

2、，确定在内壁先镀膜层厚度为的高反射率银膜，再镀厚度为的电介质层；通过在石英基板上镀制银膜和电介质膜来确定薄膜的制备参数，综合优化工艺参数。在立式光纤镀膜机上制备空芯光纤的最佳反应条件是反应温度控制在，蔽光，值控制在，还原液中加入少量的硝酸作催化剂，少量的聚乙二醇作稳定剂，另外，在还原液中加入少量乙醇可减小溶液的表面张力，利于反应的进行，银络合离子浓度为，流量为，反应时间定为”，；毛细管内制备电介质涂层和在基片上的制备工艺差别不大，主要在于流量的控制，通过实验比较，确定以质量比丙酮溶液，流量为 ，镀制时间为。 太阳能收集器是根据抛物面镜聚焦的原理设计的，把平行入射的太阳能汇聚成一个点光源，再导入

3、空芯光纤进行传输。对高精度太阳能抛物面境收集器进行了结构和光学设计，使它在浓缩度和光斑直径上与制备好的空芯光纤相匹配。依据旋转抛物面镜的收集参数，选择了口径为，边缘半角为矽的抛物面镜，该抛物面镜核心光斑直径为，太阳光浓缩度为；最大收集效率的光斑直径为，平均太阳光浓缩度。考虑到本设计以收集效率为主，选择空芯光纤直径为。通过理论计算确定了平面反射镜的直径为，光纤的输入端与平面镜的距离。 利用类似太阳光谱的氙灯光源对制备的泄漏型空芯光纤的传输性能进行测试和分析，通过测量输入和输出的能量，根据公式可以计算出光纤的直传和弯曲损耗。把光纤与收集器组装后，测试整个系统的传输效率和损耗，综合评价该研究设计。

4、与传统的太阳能利用装置相比较，本装置不需要进行能量转换，因此效率高，结构简单，可以实现聚焦后太阳能的远距离高效传输。关键词：空芯光纤，电介质，抛物面收集器，浓缩度 武汉理工大学硕士学位论文 （ ） ， ， ， ， ， ， ， ； ， ； ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ， ?穑铮? 武汉理工大学硕士学位论文 ， ， ” ， ； ， ， ， ， ， ， ， ， ，曲， ， ： ， ， 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉

5、理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：群碑牵期： 复：！勺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 签名：衅导师繇牲日期：鲻锣 武汉理工大学硕士学位论文 第章前言传输太阳能用光纤的研究背景 人类的生活越发离不开能源了。今天，能源成了我们衣、食、住、行都得依赖的东西，因为我们靠它们照明、煮饭、

6、取暖、降温、交通、娱乐；靠它带动工厂生产，带动机器耕作，带动实验室的各种科学仪器；靠它维持我们的电脑运行，等等。设想一下，如果能源的供应真的不足了，我们的生活会不会乱成一团？如果你在做实验时停电，写文章时停电等你就会对能源的重要性深有体会了。目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石能源，即：煤炭、石油和天然气。它们经历了上亿年的时间才得以形成，因此不可再生。 从探明的储量分析，现在地球上的石油、天然气和煤炭的总储量分别为【】： 石油 万亿桶 天然气 万亿立方米 煤炭 万亿吨 按照目前全世界对化石能源的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有： 石油 年 天然气 一年 煤炭 年 从以上的

7、数据可以看出地球上不可再生的能源已经不多了，可见随着剩余化石能源的逐渐消耗，能源危机日益严重，人类必须寻找新的能源才能维持人类社会的正常发展。 大家知道，太阳能是取之不尽、用之不竭的巨大能源。利用太阳光给人类提供能源，将能解决地球上日益紧张的能源危机。生物能、风能，水能、温差能和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使是矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。因而在太阳系继续存在的漫长时期内，唯一始终取之不尽、用之不竭，而又最廉价的能源是太阳能。 如图所示，对照太阳辐照度表可以看出，由于氮、氧、臭氧、水蒸气、及其它大气分子强烈吸收与大气散射，从而使得紫外和红外波段的能量

8、消失比较多，在海平面上太阳辐照度能量范围主要集中在，因此，在地球上利用太阳能，只考虑波长为 的辐射就行了【。 武汉理工大学硕士学位论文 ： 一 隹；，誊）巡繇媳皿 泸 司见先 图太阳辐照示意图 波长） 近十几年来，太阳能利用技术已获得长足的进步。但是，由于太阳能资源固有的低密度性和间歇性，使得太阳能的广泛应用一直受到很大制约，迄今还无法在社会能源消费结构中占据主要位置。目前，实现太阳能能量浓缩的一种途径：在维持太阳能低密度的情况下，直接将辐射光能量转化成热能、电能、化学能，达到提高能量密度和克服间歇性的双重目的。如现阶段发展的太阳能电池技术，但太阳能电池的转换效率制约了太阳能利用率的进一步提高

9、，能量回收周期长，而且制造成本高昂。另一条途径是：首先将太阳能汇聚起来，提高其能流密度，然后转化为其它形式的能源加以储存和利用，或者将浓缩后的太阳能直接传输到需要利用光能的工农业生产和家庭生活，这就需要有效的传输介质，因此，研究和开发传输太阳能用光纤具有重要的经济和社会效益。传能光纤的发展历史与空芯光纤研究现状传能光纤的发展历史 纤维光学技术是上世纪年代才开始应用的高新技术，将太阳能利用技术和纤维光学技术结合起来对建筑物进行照明或进行能量传输（如图），不需要中间转换过程，不但可以扩大太阳能的利用范围，而且可以节省大量的能源。特别是在阴暗房间、地下商场、人防工事、矿井和隧道等地下建筑中应用，该系

10、统不仅仅可以节省大量的常规电能，而且安全可靠，显著地改善了阴暗潮湿处的生活和工作环境，可以起到照明和日光浴的作用。由于光学纤维可以传输自然光，有益于地下建筑中工作人员的身体健康【吲，因此太阳能光导采光具有显著的经济效益和社会效益。在美国的空间研究计划中，已经把光纤传输太阳能的研究课题列为美国未来的空间研究课题【。 武汉理工大学硕士学位论文 由于光纤材料和光纤结构对光纤的传输特性起决定性的作用，人们正在从这两方面入手来制备理想的传能光纤。在材料方面，由于各种材料都有其不同的优缺点，如何选取合适的材料，制备低损耗、高功率传输光纤是研究中的一个重要方面。在结构方面，人们的研究经历了一个很长的过程，从

11、最初的阶段开始，传能光纤就用了两种结构【】：一是借鉴了通信光纤的研究结果，即实芯光纤【以，芯层的折射率稍大于包层；另一种是借鉴了微波波导的结构形式，即空芯光纤【 。 图利用光学纤维传输浓缩太阳能示?馔?后来的研究证明，传统的实芯光纤结构存在着很大的缺陷：一是芯层材料的折射率比较大，耦合时光纤端面的反射损失比较大：二是实芯结构所存在的结构缺陷大大降低了光纤的能量传输阈值【】。 与其它类型的光纤相比，空芯光纤具有明显的优点： （）由于采用氧化物玻璃或晶体作为光纤材料，空芯光纤的化学和光学性能都比较稳定。 （）由于采用空气作为传输介质，传输介质具有高度的均匀性，大大减少了光传输时因介质不均匀而发生的

12、散射几率，散射损耗小。 （）由于采用空气作为传输介质，传输介质高度的均匀性使光束分散性小，保证了优异的光斑输出质量。 （）由于采用空气作为传输介质，避开了实芯光纤中引入过渡金属离子和离子以及其它杂质，大大减少了吸收损耗。 武汉理工大学硕士学位论文 （）由于采用空气作为传输介质，折射率约为，无终端反射，在空芯光纤端面不需防反射涂层，光具有较低的耦合损耗。 （）空气传输介质对光的吸收小，由吸收的光而转化成的热量少，而空芯光纤芯径较大，空气介质散热效率较高。由于这两方面的原因，使得空芯光纤具有较大的能量损伤阈值，即可传输较大功率的能量而不致于因传输介质吸收较多的光引起较大的热效应而损坏光纤。 （）通

13、过适当的基材设计，可以使空芯光纤保留良好的韧性的同时具有较好的力学性能，十分容易地实现变向弯曲传输。 （）空芯光纤没有引入毒性元素，它的无毒性使其特别适用于工农业生产和家庭应用。 （）空芯光纤性能稳定，能够经受高温、紫外线的照射。空芯光纤研究现状 空芯光纤的发展同样经历了漫长的过程，开发出了两大类型空芯光纤【】最开始人们直接采用传输微波的金属空芯波导，但是近紫外光、可见光和近红外光的频率要比微波的频率高的多，因此，在此波段金属的电导率将不再被看作是近似无限大，而电导率的下降导致了金属表面对电磁波的反射率的下降。后来又经过研究发展成为电介质涂覆金属型的波导结构，并取得了一定的成功，此即为泄漏型空

14、芯光纤【，其特点是光线照射到电介质金属高反射膜上发生高反射而进行传输（）（如图（）。第二类空芯光纤为衰减全反射型空芯光纤【引，一般由在设计波长处具有反常色散特性的氧化物玻璃或晶体材料作全反射膜，空气作为传输介质构成光波导结构，其特点是光线照射到折射率，于空气折射率（）的材料上发生全发射而进行传输（如图（）。空芯光纤传输的太阳光波长范围主要在”之间，在此波长范围内，理论上不可能有哪种物质对于此波段的传播比在真空中传播速度还大，故不存在折射率小于的材料，所以传输太阳能只能选择泄漏型波导。 泄漏型空芯光纤的研制相对成熟，相应的制备方法以及光纤的种类较多，光纤损耗也较低。但泄漏型空芯光纤还存在一些实际

15、问题，如金属高反射层及其表面的卤化物或聚合物电介质层具有老化现象。由于泄漏型空芯光纤是通过光线在金属表面的镜面高反射效应来实现光线的传输的，光线在电介质层和金属层的同一部位可能发生多次高反射，容易产生局部过热效应。一旦出现过热效应，卤化物或高分子电介质层将出现老化现象，材料原有的介电性能、光学 武汉理大学硕士学位论文 泄漏型空芯光纤 （）衰减全反射型空芯光纤 图空芯光纤结构性能都将在过热的环境中出现下降，结果使光导性能变差，将会产生光线被该部位的材料集中吸收的恶性循环，使光纤因局部损坏而导致整体传输功能丧失。在泄漏型空芯光纤中，光线在金属和电介质层之间的无限次泄漏和反射将使光线的传输模式变得十

16、分混乱，这对输出激光的聚焦不利。太阳能收集器的研究现状 太阳能的聚焦形式很多，目前技术比较成熟的主要有槽式聚焦系统、塔式系统和碟式系统。但是槽式聚焦系统和塔式聚焦系统不能将聚焦的光线浓缩成直径很小的光斑，故聚焦的太阳能不适合用光纤来传输。 碟式聚焦系统主要用于太阳能热发电技术，在世纪年代术到年代初由瑞典、美国的 ，及等发起研究，此后中国、德国、韩国等国家的科研部门相继展开碟式聚光太阳能热发电技术的研制开发，并已完成样机测试。”。此太阳能收集器原理是根据碟式抛物面镜聚焦的原理设计的，把平行入射的太阳能汇聚成一个点光源，耦合进空芯光纤内进行传输。目前碟式旋转抛物面收集器汇聚的焦面光斑能量分布不均匀

17、，中间能量高等问题，针对这些问题，本文应用蒙特卡罗法，结合抛物面光学特性，考虑太阳不平行度、指向误差、镜面的反射误差以及焦面位置误差等误差因素，对一个典型的碟形旋转抛物面收集器的焦面光斑直径，浓缩度进行了科学的计算，获得在误差条件下边缘角对焦面光斑浓缩度和光斑直径的影响，为碟式旋转抛物面反射收集器的设计和安装提供参考依据，并在此计算的基础上，按照计算要求委托加工了一面镜子用于实验研究。 武汉理工大学硕士学位论文选题的目的和意义 太阳能空芯光纤传输技术还不十分成熟，目前只能实现近距离传输。因此，当前面临的重要课题之一是实现长距离光纤传输。其次，在太阳能的光纤直接传输中，最不利的因素莫过于光纤的损

18、耗问题，因此研发适合于太阳能窗口的低损耗光纤或通过某种方式减少光纤损耗是光纤传输中亟待解决的问题。 本文以“太阳能传输用空芯光纤研究及收集装置的设计”为课题，旨在探索太阳能收集和传输的基本原理和方法，设计与制作合理的太阳能收集器和空芯光纤，研究影响太阳能收集和传输效率的因素，为空芯光纤传输太阳能的应用提供基本的研究思路和实验数据，并为其早日在工农业生产和家庭生活等领域中得以应用开辟道路。 武汉理工大学硕士学位论文 第章泄漏型空芯光纤的传输原理与结构设计泄漏型空芯光纤的传输原理金属波导导光原理 利用光传输的普遍电磁理论来分析光线在空气一金属膜界面上的传输特性【】 假设金属的复折射率的实部和虚部分别为，和七，则： 孔 由电磁波