樹叉形光纖聚光器性能研究

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)肷涔獾娜肷浣嵌龋渫干渖涔馔孔兓绫?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。

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