光纤在太阳能系统中的应用_光伏材料加工工艺.docx

光纤在太阳能系统中的应用太阳能光电工程学院光伏材料加工工艺课程设计报告书题 目：光纤在太阳能系统中的应用专 业：10级光伏材料应用技术自考本科班摘 要本设计主要阐述了玻璃光纤、塑料光纤以及光纤的各项体现，然后分别从光纤的三个不同的应用方面论述了太阳能采光照明系统、太阳能光纤采光系统、太阳能光纤照明系统。重点描述了太阳能光纤照明系统的原理和结构、应用特点和影响因素。最后说明了光纤照明的简要应用，就太阳能光纤照明系统作出了具体的案例分析。叙述侧重点分明，以太阳能光纤照明系统的应用最为广泛，例举了太阳能光纤照明系统在不同的场合、不同的情景下的应用，从而为日常生活、社会发展提供便利。关键词 采光照明系统 光纤采光系统 光纤照明系统 社会发展目 录绪 言21.光纤简介21.1 玻璃光纤21.2 塑料光纤21.3光纤的各项特性体现22.太阳能采光照明系统22.1太阳能聚光方式22.2 太阳能聚光器22.太阳能光纤采光系统23.太阳能光纤照明系统的原理和构成23.1聚光装置23.2传导装置23.3放射装置（末端附件）23.4太阳能光纤照明系统工作原理24. 太阳能光纤照明系统的应用特点25. 太阳能光纤照明系统影响因素26.光纤照明的应用26.1室内装饰26.2水景照明26.3游泳池26.4城市建筑26.5园林绿化26.6溶洞照明26.7古建筑物及文物照明26.8易燃易爆场合26.9太阳光的利用27. 光纤在太阳能系统的案例27.1 一个狂想“点”亮整个地球27.2光纤在清华大学超低能耗示范楼中的应用27.3太阳能光纤照明系统在博物馆应用27.4外层空间植物培育用的太阳能光纤照明系统2参考文献2绪 言虽然人们对太阳能的利用越来越广泛，但是目前对太阳能的利用主要集中在将太阳能转化为电能和热能上，而光纤照明正是将太阳光直接加以利用的技术。自20世纪30年代就被人们所认识和接受的光纤照明技术由于材料的成本以及光衰减率太高等原因一直无法实现大批量的产业化和商品化，但是在20世纪60年代美国的杜绑公司初次采用聚甲基丙烯酸甲酯 (pmma)为芯材制备出塑料光纤以及在20世纪70年代末，日本三菱丽阳公司以高纯mma单体聚合pmma，使光纤损耗下降到200 db/km。虽然这仍然没有实现光纤照明的大批量产业化和商品化，但是这将光纤装饰照明真正推向了实用阶段。目前太阳能光纤照明已形成多种产品并陆续投放市场1。1.光纤简介1.1 玻璃光纤玻璃光纤根据材料的不同可以分为石英玻璃系列和多成分玻璃系列，根据光的传输方式不同又可以分为端面发光的玻璃光纤和侧面发光的玻璃光纤2。玻璃光纤具有以下优越性能：1) 成本低。2) 照明稳定精确。3) 易安装。1.2 塑料光纤与玻璃光纤相同，塑料光纤同样可以分为端面发光的塑料光纤和侧面发光的塑料光纤。1.3光纤的各项特性体现1) 各种光纤的传输损失。2) 耐热性能。3) 抗冲击性。4) 配光。5) 成本。2.太阳能采光照明系统2.1太阳能聚光方式太阳能聚光方式可分为透镜的折射聚光方式和曲面镜或凹面镜的反射聚光方式, 太阳能光纤采光系统多采用折射光学系统，其聚光方式分为菲涅耳透镜聚光和凸透镜聚光。2.2 太阳能聚光器太阳光聚光器又称太阳光采光器、太阳光收集器或集光器，它可分为主动式和被动式。固定不动的被动式太阳光采光传输照明是由聚光器、光纤传光束和照明灯头组成的，如图1 所示。主动式聚光器主要包括太阳光跟踪传感器、跟踪控制电路、驱动电机和传动机构，其原理为太阳光跟踪传感器探测太阳的位置或首先通过gps 定位，并传递信号至跟踪控制电路，控制电路驱动电机，通过机械传动机构带动聚光器转动，从而实现跟踪并对准太阳3。2.太阳能光纤采光系统建筑中如何有效地利用太阳光，近年来国内外建筑采光工作者提出了不少利用太阳光的采光方法和设想4。1) 光导纤维法。此法是结合太阳跟踪，透镜聚焦等一系列专利技术，在焦点处大幅提升太阳光亮度，通过高通光率的光导纤维将光线引到需要采光的地方。能进行紫外线大幅拦截，有利于人类健康。目前产品商业运用已趋成熟，通过一组光纤把阳光引入室内，照明中庭及中庭的绿色植物，照明效果很好。2) 使用平面反向镜的一次反射法。用反光镜一次将太阳光反射到室内需要采光的地方。这种方法对提高侧窗采光的均匀度具有较明显的效果，但光污染较严重。3) 导光管法。用导光管将太阳集光器收集的光线传送到室内需要采光的地方，如中国建筑科学院已通过鉴定的无窗厂房和地下建筑天然采光研究成果，就是用此法进行天然采光的，但其对太阳光基本没有处理。利用阳光的采光设计和采光窗的多样化。以往的建筑采光设计都是假定天空是阴天，不考虑直射阳光。这样的采光计计算简单，对阳光多变带来的采光不稳定，过热、眩光和阳兴的光化作用等问题都回避掉了。随着科学技术的发展，特别是节能的影响，人们对晴天和平均天空采光设计与计算进行了大量研究，并初步提出一套设计方法。国际照明委员会的天然采光技术员委会也专门组织各国专家对近年取得的采光设计经验和科技成果进行了总结，编写了国际采光指南，为设计、科研、教学和有关人员提供了设计依据和标准。利用晴天采光计算方法设计采光，约可减小15%的开窗面积，具有重要的节能和经济意义。另外直射阳光进入室内，不仅可给人们提供时间信息，多变的阳光和室内植物装饰，可增加室内视环境的情趣，赋于人有大自然的感受，可产生一种独特的艺术效果。采光窗作为建筑构成一个元素，功能上要考虑光、热与隔声的问题，在艺术上应和建筑风格协调一致，在视觉上要求舒适，无眩光。建筑师根据不同建筑要求设计采光窗。目前除常见的侧窗和天窗外，天穹式采光窗、带反射挡光板的采光窗、薄膜采光窗、阳光凹井采光窗、带跟踪阳光的镜面格栅窗和全反射采光窗使用也不少，呈现出采光窗多样化的发展趋势。 3.太阳能光纤照明系统的原理和构成太阳能光纤照明系统是将太阳光利用技术与纤维光学技术结合起来，通过聚光组件收集和汇聚太阳光，然后利用导光光纤将太阳光直接引入有照明需求的地点。通过光纤将太阳光导向被照明物体，可以大大提高照明的精确度和对比度。太阳能光纤照明系统不需要光热、光电、光化学等中间转换过程，极大地提高了太阳光的利用效率2357。太阳能光纤照明系统是由聚光装置，传导装置和放射装置三部分构成。如下图2所示11-3：室外的自然光透过聚光装置导入到照明系统中进行重新分配，经过传导装置（光纤）传输和强化后由系统底部的放射装置(室內末端投射装置)把自然光均匀高效的照射到室内，带来自然光照明的特殊效果。3.1聚光装置聚光装置，也即集光器（图3）可以安装在屋外整日不受任何限制地随时采光，从而使集光效率发挥到最大。由于光线的直径所限以及为减少传输过程中光的衰减，我们要把光线聚集为近似于点并且恰与光纤端口契合。目前集光器主要采用两种方式进行集光：（1）采用两次反射来进行光线聚焦的微型反射式点聚光，如下图4。 （2）采用一次透镜折射进行聚焦的透镜式点聚光，如图5。实际应用中其实是要将两者分别或同时模块化后以增加光线的接收量。同时也可以加装太阳方位追踪器（这是一种通过探测仪探测太阳方位变化调整模块化聚光器的朝向和仰角的仪器），从而使集光器集光效果提升。3.2传导装置光纤照明系统中的主体部分，根据全反射原理而制造出的可以将光传输或发射到预定地址的光纤具有抗干扰应用范围广，线径细,重量轻，抗化学腐蚀能力强，光纤制造资源丰富等优点。由结构组成来分，光纤有单股、多股和网状三种。单股光纤来的直径一般为620mm。同时单股光纤可分为体发光和端发光两种前者将光束传到端点后，通过尾灯进行照明而后者本身就是发光体，形成一根柔性光柱。而对多股光纤来说,均为端发光。多股光纤的直径一般为0.53mm,而股数常见为几根至上百根。 网状光纤均为细直径的体发光光纤组成，可以组成柔性光带。 3.3放射装置（末端附件）根据点发光光纤和线发光光纤的不同发光特点，有如下两种类型的末端附件： 1) 发光终端附件：配置在点发光光纤端的各类反射式或直射式类似于灯具的发光附件，有筒灯型、配透镜型（可聚光或发散光）、地面专用型以及水下型终端。2) 不发光终端附件：配置在线发光光纤终端，为不透明密闭型封套 。而放射装置的原理可以看作是聚光过程的逆过程（可逆性）11-3。3.4太阳能光纤照明系统工作原理由光检测器对阳光照射情况进行检测及判断，并将信号送至驱动电路，由驱动提供正、反驱动电流给驱动电机，再通过机械传动机构带动太阳光采光器转动，实现跟踪并使透镜对准太阳。在对准太阳的情况下，由光耦合器在透镜焦距附近获取高密度光能量，然后经光纤传输至约3040m外供特制照明装置来满足照明要求2358。4. 太阳能光纤照明系统的应用特点1）可实现点、线、面等多种形式的太阳光输出。2）采光器和自动跟踪系统放置在楼顶,采光器引出数根光纤,并将光纤分别弯入每一层楼,可为建筑物内部、中庭、地下车库、隧道、水族馆等常年不见太阳的场所提供照明，如图6 所示。3）可为室内提供安全健康的太阳光，轻松享受日光浴，不用担心皮肤被晒黑和灼伤，尤其适合老年人和病人的理疗。现已用于健身房、美容室、老年人公寓和医院病房等处。4）可用于室内动植物照明，室内种植的植物可茁壮生长，创造出绿色的建筑空间。5）可控制输出光中紫外线、可见光和红外线的含量，以满足不同的照明要求。可用于对红外光、紫外光有严格限制的博物馆和美术馆等场所，满足珍贵文物、艺术收藏品的照明。6）光纤传输光不带电，不产生静电和电火花，无电击危险，因而可用于危险品仓库、油库、弹药库、煤矿和煤气贮罐等对照明安全要求高的危险场所照明。7）无电磁干扰，可应用在核磁共振室、雷达控制室等有电磁屏蔽要求的特殊场所之内。8）发热量低于一般照明系统，可降低空调系统的电能消耗，免维护程度高35。5. 太阳能光纤照明系统影响因素太阳能光纤照明系统效率影响因素包括聚光器、太阳光跟踪技术、聚光器同光纤的耦合和光纤；为获得较高的采光效率，通常采用主动式太阳光跟踪，这一技术目前较为完善；对于影响因素光纤而言，它包括光纤种类、光纤使用长度和光纤的排列方式，选用传光性能优异的石英光纤可增大传输距离，光纤采用六边形排列或采用大直径聚合物光纤可以提高光纤传光束的填充率，从而提高光束传光效率；对于影响因素耦合而言，它包括太阳光聚焦光斑同光纤传光束的耦合及光纤传光束端面的质量和形式，通常要求聚焦光斑直径小于入射光束端面直径，光束端面要求有较高的光洁度并镀膜，降低菲涅耳反射，以提高光入射效率，降低耦合损耗。目前光纤照明系统太阳能利用率并不高，主要取决于光纤的使用长度及光纤传光性能，太阳能光纤照明系统效率计算见表1。其实对于太阳能利用而言，无论是光热或聚热发电还是光伏发电，如果转化为照明光，其效率依旧不高，如实用的光伏发电效率已达到16，新蓄电池功率效率90，则总效率为14.4%;如果直流电转化为交流电进入电网使用， 效率为70%， 则总效率为10.1%，如果再通过逆变器转化直流电使用，效率为70%，则总效率为7.1%。另一方面，如果太阳能光纤照明系统复合光伏或热发电装置，则可解决自身太阳跟踪用电以及夜间光纤照明用电，进一步提高太阳能利用效率，因为常规的太阳能光纤照明系统只利用了太阳的可见光光谱能量，它占太阳光谱能量的47.2936。6.光纤照明的应用由于光纤照明的独特优点，它已广泛地应用于各种场合，并在不断地推广中。现将目前国内应用情况简述如下14-5： 6.1室内装饰 在室内装饰中，用体发光光纤来构成轮廊线条。其效果是光照均匀、颜色和顺。利用光晕照明，更有立体感。 在大厅中，其顶部用水晶吊灯可模拟星空效果。忽明忽暗，使人有无限太空的遐想。 在吧台上，装上水晶吊灯更显得华丽别致。 在洞房里，在席梦思周围形成一个彩色光边，更增添了新房的温馨和浪漫。 6.2水景照明 水景离开了照明就失去了迷人的景色。而不安全照明又给游人带来危险的隐患。由于光纤照明实现了光电分离，是水景中绝对安全的绿色照明。 光纤照明除了针对水体照明时，使水色更为艳丽动人外，也可用光纤来构成水池的轮廊线。使垂直的彩色水姿与横向的水池轮廓，形成协调的线条美。6.3游泳池 游泳池是人体进入水中，光纤照明应是首选的照明设备。同时，用光纤作泳道的分界线既美观又清晰。 6.4城市建筑 在灯光工程中，用体发光光纤来构成建筑轮廓线是最常见应用实例。特别是对一个城市的形象建筑，以多彩的线条把建筑轮廓在夜色中显得更蔚蔚壮观。同时光纤照明中，可用光色使建筑物随季节而变化。 6.5园林绿化 在园林绿化中，用端发光光纤来作亭圆灯、地埋灯，使绿地道路，在照明的同时也有色彩变化。在景观道路上，装上星星点点的端发光光纤，更增加了景观的趣味性。 6.6溶洞照明溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它的风采。多变的光色和柔性的光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它的有用武之地，使溶洞的景色更迷人。而最重要的是清除了对游客的不安全隐患。 6.7古建筑物及文物照明在一般的灯光照射下，因紫外光的作用，使图书文物、木结构等建筑物加速老化。同时有电会造成大火的危险。而用光纤照明，既安全又能达到理想的艺术效果。 6.8易燃易爆场合在油库、矿区等严禁火种入内的危险场合中。应用其他各种照明都有明火的隐患。如不小心就会酿成大祸。从安全角度看，因光与电分开，所以光纤照明应是一种最理想的照明。 6.9太阳光的利用 在我们常见的太阳能利用中，都是把太阳光转换为热能或电能，而光纤可将太阳光直接加以利用。 人是太阳光抚育下的人，太阳光的综合光谱是人类难以复制的。所以能把太阳光直接引入室内，不但改善了原来的居室照明，而且对于地下室、隧道等永远见不到阳光的地方能重见光明。7. 光纤在太阳能系统的案例7.1 一个狂想“点”亮整个地球如图8，首先我们要建立一个庞大的双向的吸收,传输释放装置系统（双向是考虑到地球的自转中，某地一天必定有黑夜和白昼。而聚光装置与末端装置的原理上光路的可逆性给我们提供了一些便利）15-6。然后要解决的事情是光的传输问题。现行的光纤照明系统由于光衰减的原因传输最大距离只能达到30米。我们可以通过两条途径来解决这一问题。1) 就是用类似于光纤通信,用跨洲际的光纤引导光线。但是这一条首先要在光纤的材料上有所突破，成功研制出更低衰减率的光纤或是“超导”光纤。2) 就像科学家计划建设太空发电站考虑采用将电能转化为电磁波传回地球一样我们可以考虑将光线转换为其他形式进行传递.但是由于光本身就是电磁波,我们可以采取改变它的频率或采取其它措施以减少在光纤传导中消耗。3) 这一狂想实施的困难主要在于：许多技术难关未攻破。比如:由于现在使用的光纤衰减率很高,不适合传输光能.此系统庞大，不易规划且目前光纤照明的成本较高（点发光光纤价格约为7元/m8元/m，线发光光纤价格约为17元/m18元/m，发光器价格约为25003500元）。7.2光纤在清华大学超低能耗示范楼中的应用清华大学2008 奥运示范楼是一幢超低能耗四层楼建筑，安装了两套日本12 镜himawari 光纤照明系统，大楼南侧彩色立柱上安装了自动跟踪太阳光透射式聚光器采集太阳光，再通过光纤把太阳光引进建筑物内部、地下空间和中庭等太阳光无法到达的场所，光纤采光传输如图9所示37。7.3太阳能光纤照明系统在博物馆应用美国田纳西su