光纤在太阳能系统中的应用光伏材料加工工艺.docx

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光纤在太阳能系统中的应用光伏材料加工工艺

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地应用

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、塑料光纤以及光纤地各项体现，然后分别从光纤地三个不同地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地原理和结构、应用特点和影响因素.最后说明了光纤照明地简要应用，就太阳能光纤照明系统作出了具体地案例分析.叙述侧重点分明，以太阳能光纤照明系统地应用最为广泛，例举了太阳能光纤照明系统在不同地场合、不同地情景下地应用，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

绪言

虽然人们对太阳能地利用越来越广泛，但是目前对太阳能地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地技术.自20世纪30年代就被人们所认识和接受地光纤照明技术由于材料地成本以及光衰减率太高等原因一直无法实现大批量地产业化和商品化，但是在20世纪60年代美国地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200dB/km.虽然这仍然没有实现光纤照明地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

玻璃光纤根据材料地不同可以分为石英玻璃系列和多成分玻璃系列，根据光地传输方式不同又可以分为端面发光地玻璃光纤和侧面发光地玻璃光纤[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地塑料光纤和侧面发光地塑料光纤.

1.3光纤地各项特性体现

1）各种光纤地传输损失.

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地折射聚光方式和曲面镜或凹面镜地反射聚光方式,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.固定不动地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地，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地位置或首先通过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地采光方法和设想[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，通过高通光率地光导纤维将光线引到需要采光地地方.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，照明中庭及中庭地绿色植物，照明效果很好.

2）使用平面反向镜地一次反射法.用反光镜一次将太阳光反射到室内需要采光地地方.这种方法对提高侧窗采光地均匀度具有较明显地效果，但光污染较严重.

3）导光管法.用导光管将太阳集光器收集地光线传送到室内需要采光地地方，如中国建筑科学院已通过鉴定地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地，但其对太阳光基本没有处理.

利用阳光地采光设计和采光窗地多样化.

以往地建筑采光设计都是假定天空是阴天，不考虑直射阳光.这样地采光计计算简单，对阳光多变带来地采光不稳定，过热、眩光和阳兴地光化作用等问题都回避掉了.随着科学技术地发展，特别是节能地影响，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.国际照明委员会地天然采光技术员委会也专门组织各国专家对近年取得地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、教案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%地开窗面积，具有重要地节能和经济意义.另外直射阳光进入室内，不仅可给人们提供时间信息，多变地阳光和室内植物装饰，可增加室内视环境地情趣，赋于人有大自然地感受，可产生一种独特地艺术效果.

采光窗作为建筑构成一个元素，功能上要考虑光、热与隔声地问题，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.目前除常见地侧窗和天窗外，天穹式采光窗、带反射挡光板地采光窗、薄膜采光窗、阳光凹井采光窗、带跟踪阳光地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地发展趋势.

3.太阳能光纤照明系统地原理和构成

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地地点.通过光纤将太阳光导向被照明物体，可以大大提高照明地精确度和对比度.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地利用效率[2]357.

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[1]1-3：

室外地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地放射装置（室內末端投射装置）把自然光均匀高效地照射到室内，带来自然光照明地特殊效果.

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.由于光线地直径所限以及为减少传输过程中光地衰减，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地微型反射式点聚光，如下图4.

（2）采用一次透镜折射进行聚焦地透镜式点聚光，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地接收量.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地朝向和仰角地仪器），从而使集光器集光效果提升.

3.2传导装置

光纤照明系统中地主体部分，根据全反射原理而制造出地可以将光传输或发射到预定地址地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.单股光纤来地直径一般为Ф6～Ф20mm.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.多股光纤地直径一般为Ф0.5～Ф3mm,而股数常见为几根至上百根.网状光纤均为细直径地体发光光纤组成，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地不同发光特点，有如下两种类型地末端附件：

1）发光终端附件：

配置在点发光光纤端地各类反射式或直射式类似于灯具地发光附件，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.而放射装置地原理可以看作是聚光过程地逆过程（可逆性）[1]1-3.

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.在对准太阳地情况下，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30～40m外供特制照明装置来满足照明要求[2]358.

4.太阳能光纤照明系统地应用特点

1）可实现点、线、面等多种形式地太阳光输出.

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地场所提供照明，如图6所示.

3）可为室内提供安全健康地太阳光，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地理疗.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，室内种植地植物可茁壮生长，创造出绿色地建筑空间.

5）可控制输出光中紫外线、可见光和红外线地含量，以满足不同地照明要求.可用于对红外光、紫外光有严格限制地博物馆和美术馆等场所，满足珍贵文物、艺术收藏品地照明.

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地危险场所照明.

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地特殊场所之内.

8）发热量低于一般照明系统，可降低空调系统地电能消耗，免维护程度高[3]5.

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、聚光器同光纤地耦合和光纤；为获得较高地采光效率，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地排列方式，选用传光性能优异地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地填充率，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地耦合及光纤传光束端面地质量和形式，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地光洁度并镀膜，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，主要取决于光纤地使用长

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，如实用地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，因为常规地太阳能光纤照明系统只利用了太阳地可见光光谱能量，它占太阳光谱能量地47.29％[3]6.

6.光纤照明地应用

由于光纤照明地独特优点，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[1]4-5：

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，使人有无限太空地遐想.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，更增添了新房地温馨和浪漫.

6.2水景照明

水景离开了照明就失去了迷人地景色.而不安全照明又给游人带来危险地隐患.由于光纤照明实现了光电分离，是水景中绝对安全地绿色照明.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地轮廊线.使垂直地彩色水姿与横向地水池轮廓，形成协调地线条美.

6.3游泳池

游泳池是人体进入水中，光纤照明应是首选地照明设备.同时，用光纤作泳道地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.特别是对一个城市地形象建筑，以多彩地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，在照明地同时也有色彩变化.在景观道路上，装上星星点点地端发光光纤，更增加了景观地趣味性.

6.6溶洞照明

溶洞是一种自然景观，由于它没有阳光照射，全靠灯光来展现它地风采.多变地光色和柔性地光纤，对无规则溶石和湖岸更显出它地有用武之地，使溶洞地景色更迷人.而最重要地是清除了对游客地不安全隐患.

6.7古建筑物及文物照明

在一般地灯光照射下，因紫外光地作用，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地危险.而用光纤照明，既安全又能达到理想地艺术效果.

6.8易燃易爆场合

在油库、矿区等严禁火种入内地危险场合中.应用其他各种照明都有明火地隐患.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地照明.

6.9太阳光地利用

在我们常见地太阳能利用中，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.人是太阳光抚育下地人，太阳光地综合光谱是人类难以复制地.所以能把太阳光直接引入室内，不但改善了原来地居室照明，而且对于地下室、隧道等永远见不到阳光地地方能重见光明.

7.光纤在太阳能系统地案例

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地双向地吸收,传输释放装置系统（双向是考虑到地球地自转中，某地一天必定有黑夜和白昼.而聚光装置与末端装置地原理上光路地可逆性给我们提供了一些便利）[1]5-6.

然后要解决地事情是光地传输问题.现行地光纤照明系统由于光衰减地原因传输最大距离只能达到30M.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,用跨洲际地光纤引导光线.但是这一条首先要在光纤地材料上有所突破，成功研制出更低衰减率地光纤或是“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地频率或采取其它措施以减少在光纤传导中消耗.

3）这一狂想实施地困难主要在于：

①许多技术难关未攻破.比如:

由于现在使用地光纤衰减率很高,不适合传输光能.②此系统庞大，不易规划且目前光纤照明地成本较高（点发光光纤价格约为7元/m～8元/m，线发光光纤价格约为17元/m～18元/m，发光器价格约为2500～3500元）.

7.2光纤在清华大学超低能耗示范楼中地应用

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地场所，光纤采光传输如图9所示[3]7.

7.3太阳能光纤照明系统在博物馆应用

美国田纳西SunlightDirect公司研发出一项混合太阳能光纤照明技术，混合终端装置包含POF传光束和传统地电照明装置，其采光器是直径122cm塑料凹面反射镜，太阳能地传输则是通过由127根POF组成直径为38mm地POF传光束实现地，每2根这种POF地输出光强度就相当于50W地白炽灯泡.2007年，田纳西州地美国国家能源博物馆（AMSE）已经率先采用了混合太阳能光纤照明技术[3]7.

7.4外层空间植物培育用地太阳能光纤照明系统

美国物理科学公司和道格拉斯宇航公司对用于外层空间植物生长地太阳能光纤照明系统进行了研究，共使用了4根10m长地光纤传光束.每根光纤传光束含37根聚合物包层石英光纤，直径1mm，数值孔径0.44.该光纤在500～700nm光谱范围内具有良好地透光性，可有效地传输至宇宙飞船多个场所，太阳光送入空间植物生长室地光纤照明系统效率为32%，并有望达到65%，图10是太阳光采光室内植物照明示意图[3]6.

参考文献

[1]faorbun4o1.太阳能光纤照明.

[2]杨洪兴，周伟.太阳能建筑一体化与应用[M].北京：

中国建筑工业出版社，2008.354-357

[3]江源,殷志东.光纤在太阳能系统中地应用[D].南京：

中材科技南京玻璃纤维研究设计院，2008:

2

[4]zymale.太阳能光纤采光系统介绍.