基于光缆传输的太阳能照明系统

1、指导老师：戴剑锋 教授答 辩 人：冯世强专 业：应用物理学论文纲要 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 太阳能收集器的设计与泄漏型太阳能收集器的设计与泄漏型空芯光纤的传输原理空芯光纤的传输原理 第三章第三章 空芯光纤传输损耗测试与太阳空芯光纤传输损耗测试与太阳能收集系统性能测试能收集系统性能测试 第四章第四章 光纤采光照明系统的应用光纤采光照明系统的应用 第五章第五章 结语结语课题的研究思路太阳能利用现状 光电转换 光热转换 光和其他能量之间的转化课题的研究思路 将太阳能汇聚起来，提高其能流密度，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中。总体的思路如下图所示聚光装置的设

2、计原理及参数的理论计算 1.碟式抛物面镜聚焦的原理:碟式抛物面镜是由一个抛物面和一个平面镜组成,聚焦的原理是，把平行入射的太阳光通过抛物面聚焦成点光源，然后通过平面镜反射耦合进空芯光纤内进行传输。收集器结构示意图如下图。备注：1 支架 2 超白玻璃 3 平面镜 4 空芯光纤 5 金属管 6 抛物面镜聚光装置的设计原理及参数的理论计算2. 菲涅耳透镜聚焦原理：菲涅耳透镜 (Fresnel lens) 是由聚烯烃材料雕刻成的薄片，镜片表面一侧为光面，另一侧由一系列首尾相接的同心环棱镜所组成。光线进入棱镜发生一次折射，由棱镜另一面射出发生二次折射，离透镜中心轴愈远的棱镜其折射角应愈大，我们令所有棱镜

3、的二次折射线全部集中在焦点上，同时每个棱镜的底面与该处入射光线的一次折射线相重合，该棱镜底面倾向于焦点方向，如图2所示，离中心轴愈远的棱镜底角愈大，可用公式精确计算。我们设太阳光的入射角为i, 进入透镜后的折射角为r, 齿距为k,齿深为d, 棱镜底角为，如图3所示，则可由斯涅耳定理、正弦定理及余弦定理计算得:22291sin4sin3sinikdkdi聚光装置的设计原理及参数的理论计算 1.碟式旋转抛物面镜收集参数理论计算碟式旋转抛物面镜收集参数理论计算抛物面镜的设计参数可以由口径D和边缘半角（抛物面镜边和焦点连线与抛物面轴的夹角）决定。由公式(1)(2)(3) （1） （2） （3）得： 结

4、合能流密度和收集效率的要求，本设计选择的抛物面镜的口径为D=250mm，边缘半角为= 45。抛物面镜设计参数如下表=45 聚光装置的设计原理及参数的理论计算 2.平面镜参数理论计算平面镜参数理论计算太阳光入射到抛物面镜反射后，再通过小平面镜 (直径为30mm)反射回来聚焦传入空芯光纤在收集器的底部留一个4mm的孔，安装一个根金属导管用来固定光纤，光纤从收集器底部插入到金属导管内，这样的结构有利于空芯光纤的安装与固定，使整个装置使用起来更方便。光纤的输入端与平面镜的距离不能任意选择，如图22所示，距离太大，要求超白平板玻璃距离抛物面镜要更近一点，那么用于反射的平面镜直径就要增大，平面镜遮挡的入射

5、太阳光就会增加，这样就会使得浓缩度和收集效率都降低：距离太小，光纤会遮挡更多从抛物面镜反射回来的光线，同样会使浓缩度和收集效率同样降低，因此选择合适的距离很重要.平面镜设计参数如下图 泄漏型空芯光纤的传输原理及参数计算泄漏型空芯光纤的传输原理及参数计算 泄漏型空芯光纤，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(n1)(如图(a)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。从空气一金属界面的反射率考虑，当光线由空气垂直射入导电体界面时，由斯涅耳一菲涅耳公式对其传输特性进行分析。电导率很高的金属导体，尤其在频率很低的长波红外区，光线在金属导体内的穿透深度很小

6、。因此，即使采用很薄的高电导率金属薄膜，也可以获得很高的反射率。在电导率趋于无限大的极限情况下，穿透深度趋于零，即光线可在很薄的金属膜表面上发生全反射。空芯光纤传输损耗测试空芯光纤传输损耗测试空芯光纤的传输损耗是限制光纤传输距离和传输速度的主要因素之一。光导损耗分为固有损耗和使用损耗两大类，其中固有损耗又分为材料损耗、波导损耗和工艺缺陷引起的损耗。测试原理图 空芯光纤传输损耗测试原理(1)直传损耗的测量实验中采用的方法为截断法，即在保证耦合条件和入射光功率不变的情况下，测量一定长度的光纤的输出功率p1从光纤尾部截断三长度后测量得到另一输出功率p2光纤的衰减损耗口即可通过下式计算出来：空芯光纤传

7、输损耗测试空芯光纤传输损耗测试(2)弯曲损耗的测量弯曲损耗的测量所用的光路和基本方法和直传损耗测量基本相同。其区别在于：首先固定光纤的入射端，首先测量在直线状态下的输出功率p1后测量光纤在不同的弯曲半径下弯曲一定角度时的输出功率p2实验中，为了方便操作及比较，只比较同一长度的光纤在不同的弯曲角度时的传输损耗，这样可以得到相对传输率为：弯曲造成的附加损耗为： 其中L为测试光纤长度。通过多次截断法，可以得到不同长度的直线传输损耗值。金属Ag空芯波导的直传衰减损耗空芯光纤传输损耗测试空芯光纤传输损耗测试金属Ag空芯波导的弯曲衰减损耗PMMA/Ag泄漏型空芯光纤的弯曲衰减损耗金属Ag空芯波导和PMMA

8、/Ag泄漏型空芯光纤的弯曲损耗与弯曲度的关系收集系统性能检测与分析收集系统性能检测与分析1 抛物面镜和平面镜性能检测本实验选用的抛物面镜和平面镜设计好后委托专业单位加工，表面镀增强高反射率铝膜，再镀一层一氧化硅保护层，经出厂测试，反射率平均值基本上可以达到95以上，如下图图所示，可以看出这两个光学反射镜对可见光和近红外的反射率非常高，完全可以达到设计所需要的反射率要求。通过反复实验观察发现最小聚焦光斑直径基本上能保持圆形，直径为02mm左右，可以满足光纤传输的要求。抛物面镜和平面镜对不同波长光的反射率收集系统性能检测与分析收集系统性能检测与分析2、收集传输系统性能测试抛物面镜收集效率受到以下几方面的影响，经辐照计和其他光学仪器测量，效率分别如下：1)超白平板玻璃菲涅耳反射损耗和平板玻璃对光的吸收损耗：62)抛物面镜反射率：90(苏州苏大光学仪器有限公司，出厂检测)3)平面镜反射率：90(苏州苏大光学仪器有限公司，出厂检测)4)平面镜和光纤遮挡损耗(与边缘半角 有关)：45)浓缩的太阳光耦合到空芯光纤产生的耦合损耗损耗：23每一步损耗都是在上一步损耗基础上的损耗，所以总的收集效率就是这五个影响因素效率的乘积：9490909677100=563