一種光纖聚光器及其組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳能領(lǐng)域，尤其是一種光纖聚光器及其組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能，是指太陽光的輻射能量，一種新興的可再生能源，取之不及、用之不竭的理想能源。但是目前，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低等諸多問題。
[0003]太陽能的利用一般有被動(dòng)式利用(光熱轉(zhuǎn)換)和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。相對(duì)來說被動(dòng)式利用是太陽能利用的新的發(fā)展方向。而將太陽光耦合到傳能光纖中是這一項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)新的突破口。但由于光纖的纖芯一般較小，只有200 μπι?1000 μπι，國內(nèi)外對(duì)于太陽光會(huì)聚的研宄，通常在于通過聚光裝置把太陽光耦合到光纖中，再通過傳能光纖把太陽光傳輸?shù)狡渌O(shè)備。而在這種太陽光會(huì)聚系統(tǒng)中，關(guān)鍵的一步就是利用聚光裝置把太陽光耦合到傳能光纖中。
[0004]聚光裝置一般采用透鏡的形式來實(shí)現(xiàn)。顯然，透鏡尺寸越大、聚光的倍數(shù)越高，將越有利于將更多的能量聚集到光纖中。目前，制備精良的聚光透鏡的聚光倍數(shù)可達(dá)15000倍，其透鏡直徑為95_，而透鏡尺寸越大，制作難度也越大，其聚光倍數(shù)應(yīng)該也會(huì)下降，同時(shí)聚焦面光功率密度過高也會(huì)引起光纖的損傷。除此之外光纖的端面質(zhì)量、長度和彎曲引起的模式和功率的混合等因素，又嚴(yán)重影響了其對(duì)會(huì)聚太陽能的傳輸效率和容量。由此看出，由于光纖材料的特殊性，各種物理損耗制約了傳能光纖的進(jìn)一步發(fā)展，也制約了太陽光直徑利用能量方式的發(fā)展。而目前這一問題并沒有較好的解決方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種光纖聚光器及其組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，以減少聚焦面光功率密度的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光能量的高效率利用，該系統(tǒng)采用多根光纖拉錐成束的組合結(jié)構(gòu)，光在任意單根光纖中傳輸且相互不影響。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0007]—種光纖聚光器，包括多根傳能光纖、填充介質(zhì)、石英管，傳能光纖由纖芯和包層組成，所述石英管的折射率低于所述傳能光纖包層的折射率，所述傳能光纖經(jīng)過拉錐處理，所述傳能光纖緊密排布于石英管內(nèi)，多根傳能光纖纖芯中心構(gòu)成正三角形網(wǎng)格，相鄰兩根傳能光纖中心之間的距離等于兩根傳能光纖半徑之和，多根傳能光纖之間及其與石英管之間的間隙填充有填充介質(zhì)，所述光纖聚光器經(jīng)過拉錐處理使輸出端端面石英管的內(nèi)徑小于等于輸入端的傳能光纖的纖芯直徑。
[0008]優(yōu)選地，所述光纖聚光器的拉錐長度L與石英管外徑R之間滿足:L/R彡5。
[0009]優(yōu)選地，所述填充介質(zhì)為石英介質(zhì)柱或傳能光纖。
[0010]優(yōu)選地，所述傳能光纖的數(shù)量大于等于7。
[0011]優(yōu)選地，所述傳能光纖的纖芯半徑r。和包層半徑r。之比r 0/rc^ 0.9。
[0012]優(yōu)選地，所述纖芯的折射率1^與包層的折射率η 2之差滿足:(n/-?2) ^ 0.040。
[0013]優(yōu)選地，所述傳能光纖端面的入射光錐角最大值β范圍:2 α+1.6° ^ β ^ 2 α-3.8°，其中，α表示中心軸線與入射光的夾角，a = arcsin(NA),其中NA為光纖數(shù)值孔徑。
[0014]所述光纖聚光器組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括多級(jí)聚光系統(tǒng)，所述聚光系統(tǒng)由多個(gè)光纖聚光器組成，上一級(jí)聚光系統(tǒng)中的所述聚光器輸出端分別與其下一級(jí)聚光系統(tǒng)中的所述聚光器輸入端的一根傳能光纖連接。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)效果:光纖聚光器采用多根傳能光纖組合的方式，擴(kuò)大端面面積，提高端面的損耗閾值，從而提高傳輸效率；光纖聚光器中的傳能光纖相互貼連組合，當(dāng)其光纖傳能束彎曲時(shí)，光線不會(huì)被折射到包層中而最終泄漏掉，降低了彎曲損耗；光纖聚光器中的傳能光纖一般為石英材料，拉錐簡單，容易加工，增加了它的實(shí)用性。另外本發(fā)明可以形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將多個(gè)光纖聚光器的光會(huì)聚入另一光纖聚光器，從而成倍地增加聚光能量?；诖?，本發(fā)明運(yùn)用于太陽光會(huì)聚系統(tǒng)中，可以提高傳輸效率，減小因聚焦面光功率密度過高而引起的光纖端面損傷和降低光纖傳能過程中的彎曲損耗。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述光纖聚光器外觀圖。
[0017]圖2為本發(fā)明所述光纖聚光器截面結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3為所述傳能光纖的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為light tools軟件模擬的結(jié)果圖。
[0020]圖5為拉錐長度與聚光效率的關(guān)系曲線。
[0021]圖6為入射光會(huì)聚角度與聚光效率的關(guān)系曲線。
[0022]圖7為光斑尺寸與聚光效率的關(guān)系曲線。
[0023]圖中:
[0024]1-傳能光纖，2-石英介質(zhì)柱，3-石英管，4-傳能光纖纖芯，5-傳能光纖包層，6_輸入端，7-輸出端。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0026]本發(fā)明的目的是對(duì)高功率太陽光能量的傳輸，減小因聚焦面光功率密度過高而引起的光纖端面損傷，是提高傳輸效率的關(guān)鍵。因此，本發(fā)明將7根完全相同的傳能光纖I拉錐，組成光纖束聚光器，可以擴(kuò)大端面面積，減小聚光面光功率密度。拉錐后，如圖1所示，光纖聚光器形成了一個(gè)大端面的輸入端6，一個(gè)小端面的輸出端7。該光纖聚光器的輸出端7端面石英管的內(nèi)徑小于等于輸入端6傳能光纖的纖芯直徑，將一個(gè)光纖聚光器的輸出端7與另一個(gè)光纖聚光器輸入端6的一根傳能光纖I連接，形成級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而將會(huì)聚光聚集到單根光纖，便于長距離高功率的傳輸。光束可經(jīng)透鏡聚光后，再入射到光纖聚光器端面。
[0027]具體的，本發(fā)明所述光纖聚光器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括多根傳能光纖1、填充介質(zhì)、石英管3。傳能光纖I由纖芯4和包層5組成，如圖3所示，所述傳能光纖I的纖芯4半徑r。和包層5半徑r。之比r 0/rc^ 0.9。所述石英管3的折射率低于所述傳能光纖I包層5的折射率，所述纖芯4的折射率Ill與包層3的折射率η 2之差滿足:(n /-?2) ^ 0.040。所述傳能光纖I經(jīng)過拉錐處理，所述傳能光纖I緊密排布于石英管3內(nèi)，多根傳能光纖I纖芯中心構(gòu)成正三角形網(wǎng)格，形成緊密排布結(jié)構(gòu)，即相鄰兩根傳能光纖I中心之間的距離等于兩根傳能光纖半徑之和。多根傳能光纖I之間、傳能光纖I與石英管3之間的間隙填充有填充介質(zhì)，以形成緊密結(jié)構(gòu)，具體的，本實(shí)施例中，以石英介質(zhì)柱2為填充介質(zhì)。較佳地，所述填充介質(zhì)也可以采用傳能光纖，以增加受光面積，減少傳輸損耗。所述光纖聚光器輸出端77端面石英管的內(nèi)徑小于等于輸入端6的傳能