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        樹叉形光纖聚光器性能研究

        2017-11-16 09:04:42陳剛范菊香陳浩宇周夢麗高霜朱海濤
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年33期
        關(guān)鍵詞:聚光器光纖

        陳剛范+菊香+陳浩宇+周夢麗+高霜+朱海濤

        摘 要:為了更好地利用自然光源,實現(xiàn)的自然光的高效匯聚,提出了一種新型的多光纖耦合器件模型。經(jīng)過多次的改進分析,并運用TracePro軟件模擬其聚光效果。結(jié)果表明,本設(shè)計耦合效率高,且對光的方向不敏感。無論是直射的太陽光,還是環(huán)境自然光都能實現(xiàn)良好的聚光效果。

        關(guān)鍵詞:光纖;自然光;樹叉形;聚光器

        中圖分類號:TK513.1 文獻標志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)33-0031-02

        1 概述

        隨著太陽光用于室內(nèi)照明技術(shù)的蓬勃發(fā)展,如何降低成本與提高太陽能的耦合效率一直是研究人員的重點。在太陽光用于照明的技術(shù)中,尤其是光纖導(dǎo)光室內(nèi)照明技術(shù)具有更深遠的發(fā)展?jié)摿Γ苏彰鞣绞讲淮嬖诠怆娹D(zhuǎn)換技術(shù)中太陽電池效率低、成本高以及污染等問題,直接把潔凈、健康的太陽光線導(dǎo)入室內(nèi)進行照明,不僅大大減少了照明能耗,且人足不出戶就能沐浴在純凈天然的陽光下,對我們的生活具有深遠的意義。

        目前大多數(shù)光導(dǎo)照明采用光導(dǎo)管導(dǎo)光。由于光導(dǎo)管照明系統(tǒng)體積巨大,安裝這些光導(dǎo)管必須與建筑一體設(shè)計,對于沒有預(yù)先設(shè)計的建筑,這些系統(tǒng)無法使用。

        由于光纖體積小,導(dǎo)光效率高,便于安裝,光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)受到了重視,近幾年來在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是需要與跟蹤器、控制器、聚光器以及室內(nèi)的散光器等各種各樣的部件可組裝成一套完整的光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。

        本文主要的研究對象為基于光纖自然光室內(nèi)照明系統(tǒng)中的聚光系統(tǒng),設(shè)計一種簡單,可靠,適應(yīng)性強的,并能與光纖傳輸系統(tǒng)匹配的自然光聚光系統(tǒng)。主要要解決的問題包括:

        (1)能夠不受太陽光線方向變化的影響,即不需要跟蹤太陽。

        (2)能夠與塑料光纖傳輸系統(tǒng)匹配,耦合效率高。

        (3)能夠收集環(huán)境光,即在陰天或者太陽無法直射時也能使用。

        2 設(shè)計思想

        光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)其聚光器大多采用光學(xué)器件,如聚光透鏡,菲涅爾透鏡,凹面反射鏡等將平行太陽匯聚耦合進光纖,這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)對準精度要求高,且必須對太陽跟蹤。

        鑒于傳統(tǒng)聚光器的缺陷,本文設(shè)計了如圖1的樹叉形光纖聚光系統(tǒng)。

        其基本思想如圖1中的樹形圖,整棵樹都是由塑料光纖構(gòu)成。樹冠上光纖頂端為入光口,樹冠上的光匯聚到樹枝,樹枝上的光再一層層的匯聚到樹干,最終達到聚光到一根光纖的效果。由于樹冠的數(shù)目可以用增加層級的方式成幾何級數(shù)增長,因此,樹冠光纖頂端的的數(shù)目可以很大,能夠匯聚足夠的光。

        3 軟件模擬

        由于系統(tǒng)可以看成由很多層二叉樹組合而成,因此,研究單個二叉樹的聚光性能,就能反應(yīng)整體系統(tǒng)的聚光效果。

        如圖2,為用Tracepro模擬的二叉樹形光纖。光纖材料設(shè)置為PMMA,半徑為1mm;匯聚彎曲處光纖的曲率半徑為20mm。

        3.1 平行光照射模擬

        圖3為平行光從左端入射模擬結(jié)果。單個入光口的光分布如圖3(a)所示,其入射光通量為57.876lx,出光口的光分布如圖3(b)所示,其出射光通量為111.6lx;聚光效率為:

        若改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?,其透射射光通量變化如?所示。

        根據(jù)表1,得到了圖4的聚光效果與入射角度的關(guān)系圖,由圖4不難看出,二叉樹聚光系統(tǒng)對太陽光的入射角度不敏感。如果角度偏斜達到35°時,相對垂直入射仍然達到50%。

        因此本系統(tǒng)設(shè)計,無需太陽跟蹤系統(tǒng),仍可達到良好的聚光效果。此外,在設(shè)計時,可讓樹冠光纖接受端各個分支依據(jù)太陽的運轉(zhuǎn)規(guī)律,按一定的比例分布在太陽軌道的各個方向上,從而保證一天中聚光效率最高,且實現(xiàn)匯聚光通量相對穩(wěn)定。

        3.2 環(huán)境光聚光模擬效果

        由于本系統(tǒng)對入射光的入射角度不敏感,因此在陰天或者多云的情況下,太陽無法直射時,周圍環(huán)境光仍然能夠進入光纖實現(xiàn)自然光照明。

        環(huán)境光在任意面滿足朗伯分布。模擬時,在貼近入光口處設(shè)置兩個朗伯光源。由于環(huán)境光各向同性的特點,因此光纖采光口的取向?qū)酃庀嗦蕸]有影響。

        圖5為環(huán)境光入射模擬結(jié)果。單個入光口的光分布如圖5(a)所示,其入射光通量為48.945lx,出光口的光分布如圖9(b)所示,其出射光通量為66.374 lx;聚光效率為:

        結(jié)果表明,在沒有太陽直射的情況下,本聚光系統(tǒng)仍然有效,且其聚光效率仍然高達67.8%,只要采光光纖口數(shù)量足夠多,依然能達到很好的聚光效果,實現(xiàn)很好的自然光室內(nèi)照明。

        4 結(jié)束語

        通過對傳統(tǒng)的自然光照明系統(tǒng)的中的聚光系統(tǒng)的分析,本文指出了其局限性,在此基礎(chǔ)上提出了樹叉形光纖聚光系統(tǒng)的構(gòu)想,并用TracePro軟件進行模擬和分析。模擬結(jié)果表面,本文的樹叉形光纖聚光器具有很多的優(yōu)點:(1)不需太陽跟蹤系統(tǒng),隊太陽入射角度不敏感,結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,成本低。(2)由于光的匯聚是在光纖內(nèi)部完成的,耦合效率高。(3)由于光纖采光口的數(shù)量可以任意多,傳輸光纖只需一根,因此采光量可以任意多,可以實現(xiàn)高亮度照明。(4)在沒有太陽直射的情況下,仍然能實現(xiàn)照明。因此,具有很大的應(yīng)用潛力。

        參考文獻:

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