非跟踪太阳能光纤导光系统运行机理及应用研究

There are now two kinds of sunlight synchronized lighting system, namely light guide tube system and fiber optic system.In this project we will research on a innovative solar lighting system. The system combines the advantages of no tracking part in light guide tube system and flexible transmission in fiber optic system. The composition of the system completely breaks through the traditional technical route of the existing optical fiber light guide system, which generally has a tracking device. The introduction of the creative idea that solar optical fiber system can get rid of tracking device makes the system simpler. This project will focus on the energy transfer of high density light energy in the monomer concentrator. The dimensionless characteristic parameters of the monomer concentrator will be theoretically derived. The influence of the characteristic parameters of the monomer concentrator on the tracking tolerance will be studied theoretically and experimentally. The strong influence parameters that may affect on the tracking tolerance will be found out. The coupling characteristics of the monomer concentrator and optical fiber will be studied. These researches will provide theoretical basis for building a non-tracking concentrating system that not only has concentrating function but also has a high tracking tolerance, and its dispersion angle of the output beam can match the requirements of the optical fiber numerical aperture. A non-tracking solar optical fiber light guide system will be constructed. The theoretical and experimental studies on the matching characteristics of the system, the overall optical energy transmission characteristics, the transmission efficiency, the illumination intensity characteristics of the system output, the thermal effect characteristics, and the spectral characteristics will be carried out. The results of the research will provide a new method for the application of solar light guide.

太阳能同步照明导光系统目前有两大类，即导光管导光系统和光纤导光系统。本项目将对一种创新的太阳能导光系统进行研究，该系统综合了导光管系统无跟踪环节和光纤导光系统柔性传光的优点，系统的构建完全突破了现有的光纤导光系统都带有跟踪装置的传统技术线路，提出了光纤导光系统免跟踪环节的新思路。本项目将探索高密度光能在聚光单元中的能量传递规律，理论推导单体聚光单元的无量纲特征参数，探索其特征参数对跟踪容差度的影响规律，找出跟踪容差度的强影响参数。研究单体聚光单元与光纤的耦合特性。为获得既有聚光功能、又有高的跟踪容差度、输出光束的散角又能满足光纤数值孔径要求的非跟踪聚光系统提供理论依据。构建非跟踪太阳能光纤导光系统，并对全系统的匹配特性、总体光能传输特性，传输效率，系统输出的照明强度特性、热效应特性、光谱特性进行理论和实验研究。项目研究的成果将为太阳能导光应用领域提供一种新的导光系统构建方法。

建筑物太阳能导光是太阳能光能利用研究领域中非常具有实际应用价值的研究方向。本研究项目主要探索一种有别于传统光纤导光思路的新方法，即不需要跟踪装置的太阳能光纤导光新方法。研究的主要内容、重要结果、关键数据及其科学意义有：①新型聚光器的结构及其优化研究。所构建的新型聚光器有凸型出口聚光器和凹型出口聚光器两种结构，都是由实心透明材料制成，可视为一种异型会聚透镜，它的特殊结构很方便与后接的光纤进行光学上与机械上的耦合。②由新型聚光器组成的聚光单元的光能传输特性曲线的研究。聚光单元是导光系统的核心部件，它由上述的异型透镜和光纤耦合而成，通过光学软件的模拟测试和实际太阳光的测试，获得了它的光能传输特性曲线及其重要参数－半高宽。③由聚光单元组成的非跟踪太阳能光纤导光系统的结构研究。该系统由聚光单元按照一定的空间分布排列而成，该系统与真空管太阳能热水器的简洁结构类似，它也具有简洁的结构，无任何运动部件，这可确保它低故障率和长寿命。④构成非跟踪系统新方法的研究。最后总结出来的新方案可简单地概括为：多聚光单元错位弧型排列接力接收方案。根据单个聚光单元光能传输特性曲线的特征，将多个聚光单元在空间圆弧面上按圆弧形排列，错开的圆弧间隔为2倍半高宽角。由此得到的非跟踪太阳能光纤导光系统的光能传输特性曲线就很接近于有跟踪装置的导光系统，即输出端的照度是跟随输入端的太阳辐照度的。⑤非跟踪太阳能光纤导光系统的传输特性曲线研究。以9个聚光单元组成的导光系统为实验平台，在实际太阳照射的条件下，测试了系统的光能传输特性，证实了它的传输性能与有跟踪装置的导光系统很接近，这从实践上验证了非跟踪太阳能光纤导光系统的可行性。本实验平台的太阳能接收面积仅为0.031m2(相当于半张A4纸的面积)，在正常日照的情况下，即太阳能辐射强度为800W/m2,在测试的小暗房内，光纤束末端前方40cm处的照度可达280lux.