一种新型的太阳能光纤灯

第27卷第2期 2009年4月 可再生能源 RenewableEnergyResources V01．27No．2 Apr．2009 一种新型的太阳能光纤灯 戴 静1．一，郑宏飞1，何开岩1，陶涛1 (1．北京理工大学机械与车辆 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，北京100081；2．上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804) 摘要：介绍了一种新型太阳能光纤灯的运行原理和设计方法。对该太阳能光纤灯进行了实验测试．给出了实 验测试曲线。并对实验结果进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明．该太阳能光纤灯相当于普通8W节能灯的亮度，对直射 太阳光的收集与传导效率达到33％。相对于太阳能总辐射的传导效率达28％。 关键词：光纤； 绿色照明； 复合抛物面聚光器 中图分类号：7rK519文献标志码：B 文章编号：1671—5292(2009)02-0062埘 Anew-typesolarfiber-opticallamp DAIjingl,2,ZHENGHong-feil，HEKai-yan’，TAOta01 (1．SchoolofMechanicalandVehicularEngineering，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China； 2．SAICMOTORTechnicalCenter，Shanghai210804．China) Abstract：Anew-typeofsolarfiber-opticallamphasbeendesignedandtestedinapractical weathercondition．Thedesigntheoryandtheworkprincipleoftheunitareintroducedinthispa— per．Experimentalcurvesaregivenandexperimentalresultsareanalyzed．Accordingtotheresults fromtheexperiment，thelampcanprovidetheluminancewhichequaltoa8Wsaving-energyelec— tricallamp．Theefficiencyofcollectionandconductiontowardsdirectsunlightcanbeupto33％， andthetotalconductionefficiencyforsunlightcouldreach28％． Keywords：fibre-optical；greenillumination；CPC 0 引言 ’ 光学纤维(Fibre—optical)是上世纪70年代开 始应用的一项技术．最初应用于光缆通信系统，80 年代以后才扩展到导光照明领域【l】。光导纤维通 常是由高透明的芯体和具有低发射率的外包层2 部分组成。芯体作为传输介质，外包层防止光线逸 出。近年来，为有效传递不同波长的光，又制造出 来空心光纤．这种光纤能将大功率、多波长的光能 传至远处。为了大功率传递光能，还可将大量光纤 捆在一起组成光纤束．实现光纤照明【2】。 目前常用的太阳能光纤导光照明系统主要包 括4部分：太阳光跟踪装置、太阳光导人光纤装 置、导光光纤和出光装置【3I。通常的光纤照明主要 有2种：端部(点状、斑状或弥散状)照明和侧面 (线状)照明。目前尽管太阳光跟踪装置比较昂贵。 但是技术相对成熟，甚至可利用GPS定位、微电 脑控制，实施全天候的太阳跟踪。阳光经输入端进 入光纤后．由光纤改变光的走向。把光纤末端插入 用户灯具即可用于照明。 l新型太阳能光纤灯聚光器的结构及运行原理 如图l所示的新型太阳能光纤灯聚光器由一 级组合曲面聚光器、圆柱镜反射面、偏光器和二级 复合抛物面聚光器组成。平行的太阳光束沿着上 面的进光口入射进入装置中；经一级组合曲面聚 光器一次反射后。射入到其下端的圆柱镜反射面 的内壁上，再经圆柱镜反射面内壁反射．汇聚到圆 柱形反射面对称轴的镜像焦点上。从镜像焦点出 射的光线入射到偏光器的内壁上，经反射后入射 到二级复合抛物面聚光器上；再经二级复合抛物 面聚光器的汇聚进人光纤中，经光纤传导输送给 收稿日期：2008_04-18。 作者简介：戴静(19阱)，女，硕士，工程师，从事可再生能源利用技术的研究。E-mail：daljing@salcmotor．eom ·62· 万方数据 戴静．等 一种新型的太阳能光纤灯 用户。 图l 新型太阳能光纤灯聚光器结构示意图 Fig．1Theconfigurationofthenewtypesolarfiber-opticallamp I一透光罩；2一一级组合曲面聚光器；3-圆柱彤反射面：4一太 阳光束；5一二级复合抛物面聚光器；6一光纤接管口；7一光线传输方 向；8-太阳光束；9一镜像焦点；10一偏光器 一级组合曲面聚光器的设计原理如图2 所示【41。 |D y c| { 彳’ ＼A／ B／ 蝰移＼l“ E一争卢l 一￡一 图2一级组合曲面聚光器的设计原理图 Fig．2Thetheoreticaldesig卫ofthefirst-classintegrated curving-surfaceconcentrator 图2中有2条开口向上的抛物线，F。和F2分 别是它们的焦点。其方程式分别为 y=去(x也)2，(开口向上p>o)(1) -r y=去(x五)2，(开口向上p>0)(2) -r 式中：p为焦 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ；L为焦点与Y轴的水平距离。 用平行于X轴的直线AB去截两条抛物线。线 段AB必须同时满足2个条件：①它与x轴的距 离必须大于芋，yB>芋(或y．>芋)，即在图2中要 求它的位置必须在焦点F。和F：的上方；②它的长 度正好为2个抛物线焦点距离的一半，即IABl= 止雩d吐(或IEoI：IoGI：争)，直线AE和BG 分别与x轴垂直。取抛物线段AD和BC。以及直线 段AE和BG，绕对称轴Y旋转可得三维变化的旋 转组合抛物面聚光器。此聚光器的光路原理如图 3所示。 1 { 2k ’为"≮多彳、、掩矿‘≮ E—L —G x 2 ．一一￡ 图3一级组合曲面聚光器的光路原理图 Fig．3Thelightpathdiagramofthefirst-classintegrated curving-surfaceconcentrator 平行于光轴(即v轴)的入射光，由抛物线段 CB的反射本应会聚于F。，但由于平面反射镜AE 的作用，实际上会聚于F点，上述条件①就是为了 保证F点位于聚光器的抛物面部分下端开口AB 的下方，而上述条件②规定了Fl与轴线的距离为 ￡，A点与轴线的距离为L／2，所以，F点是F。点关于 平面镜AE的像，它恰好在装置的对称轴上。同理． 由抛物线段AD反射的光。在BG的反射作用下 也会聚于F点上。所以F点就是整个组合抛物面聚 光器的焦点。 2实验方法与实验结果 为了研究该光纤灯照明的可行性。设计了上 述新型聚光器采光的太阳能光纤灯。实验中采用 普通塑料光纤．光纤内部芯体直径是12mm，外 部包层直径是14mm，光纤长度均为10m。聚光 灯头的入口直径200cm，其圆柱镜反射面的直 径5cm，二级复合抛物面聚光器的高度6cm。聚 光灯头中的一级组合曲面聚光器和二级复合抛 物面聚光器均由玻璃钢制成。内镀反射率约为 70％的铝膜。由于工艺问题。二级复合抛物面内 镀的铝膜不够均匀。可能会造成部分损失。圆柱 镜反射面和偏光器用反射率约为85％的反射铝 板制成。为了进行比较，设计了2个偏光器，其偏 光面与对称轴分别成15。和20。。 在一个封闭暗室内进行光纤出光照度的测 试。暗室尺寸为1mxlmxl．4m．光纤由暗室顶部 引人。暗室密封良好，无自然光射入，且无其它照 明设备。用TESl339型照度仪测试暗室内光纤出 光照度，其相对误差为5％。用TQ型太阳总辐射 ·63· 万方数据 可再生能塬 表测定实时太阳辐射值。 实验利用了自制的太阳跟踪器跟踪太阳。考 虑到太阳光的实时变化性。每次实验都在接近正 午时进行，且在尽可能短的时间完成。实验过程 中．垂直方向上的太阳辐射强度均在975—1000 W，m2，且变化幅度不大，可以认为实验是在太阳 辐射稳定的条件下进行的。 实验结果如图4所示。 寓出光口距离，m (a) 禹州光El单禹，m (b) 图4光纤灯亮度与出光口距离的关系图 Fig．4Therelationshipbetweentheluminanceoffiber-optical lampandtheheight 实验结果显示。在距光纤出光口1．4m以内 的照度均能达到50b【。距出光口0．2m处的照度 大于2500Ix，完全可以满足阅读、观看各种仪器 等需要。 偏光器的偏转角度是影响本装置整体效率的 重要因素之一。比较偏转角度为150和20。的2组 偏光器发现，15。偏光器的集光效率优于200偏光 器。经分析，偏光器偏角越大对斜射光线的偏折作 用越好，可使反射出光线斜角越小，越有利于第二 级聚光器对光线的收集和在光纤中的传输：但当 偏光器的出光El直径一定时，偏角越大，人光IEI的 直径也就越小，相应地导致垂直方向入射光线数 ·64· 量减少。偏角和入口直径这2个相互制约的因素 共同影响偏光器的效率。 光纤的直径也是影响装置效率的因素。通过 试验比较发现，经直径14mm光纤传导得到的照 度比直径12mm光纤传导的照度略大。分析可 知。对于斜入射的光线在光纤中传导。光纤直径越 大，发生反射的次数越少，能量损失也就越小。 距离出光I：1越远，光照亮度越小。但这种变化 不是均匀线性变化的。在离出光El较近的0．2— 0．4m．照度减小迅速；在距出光口较远的O．8一1．4 m，照度减小得相对较慢，变化不明显。 3结论 ①实验装置对太阳光的收集和传导非常有 效，实验结果表明，该太阳能光纤灯能提供普通 8W节能灯的亮度，对直射太阳光的收集与传导 效率达到33％，相对于太阳能总辐射的传导效率 为28％。 ②偏光器是一个对采光效率影响较大的部 件。偏光器角度的变化直接引起装置整体效率的 变化，所以选择一个合适角度的偏光器至关重要。 在聚光器结构设计中，要具体地分析计算最适宜 的偏光器角度，使得装置效率最大化。 ③在距出光El较远的0．8．1．4m处。照度基本 保持均匀稳定，对太阳辐射值的变化不敏感。这种 均匀稳定的照度是符合人们日常生活所需和人体 舒适性要求的。但考虑到太阳能光纤灯照度总体 较小，而且会随太阳光的强弱而变化．因此可以将 光纤灯安装在地下车库、楼道等对照明要求不高 的场合。 参考文献： fl】郑宏飞，陈子乾．绿色生态建筑中可应用的太阳能技 术(一)fJl．T业建筑，2003，33(10)：5—8． 【21王志峰．夏红德，丁德文．生态能源建筑体系(下)lJl．太 阳能．200l(5)：4一-6． f3】 FEUERMANND’GORDONJ M．．Solarfiber-optic mini—dishes：aDewapproachtotheefficientcollection ofsunlightlJJ．SolarEnergy，1999，65：159-170． 【4】4 HEKAIYAN，ZHENGHONGFEI，LIUYIXIN，et甜． Animagingcompoundingparabolicconcentrator【A1． ProceedingofISESSolarWorldCongress【C1． Bering，China，2007．589-592． 瑚枷啪咖湖瑚啪鲫|戛o 2 2 2 i 万方数据 一种新型的太阳能光纤灯 作者： 戴静， 郑宏飞， 何开岩， 陶涛， DAI jing， ZHENG Hong-fei， HE Kai-yan， TAO tao 作者单位： 戴静,DAI jing(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081;上海汽车集团股份有限公 司技术中心,上海,201804)， 郑宏飞,何开岩,陶涛,ZHENG Hong-fei,HE Kai-yan,TAO tao(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京,100081) 刊名： 可再生能源 英文刊名： RENEWABLE ENERGY RESOURCES 年，卷(期)： 2009，27(2) 引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.郑宏飞.陈子乾 绿色生态建筑中可应用的太阳能技术(1)[期刊论文]-工业建筑 2003(10) 2.王志峰.夏红德.丁德文 生态能源建筑体系(下)[期刊论文]-太阳能 1999(3) 3.FEUERMANN D.GORDON J M Solar fiber-optic mini-dishes:a new approach to the efficient collection of sunlight 1999 4.HE KAIYAN.ZHENG HONGFEI.LIU YIXIN An imaging compounding parabolic concentrator 2007 相似文献(8条) 1.会议论文 张文进 开发天然采光新技术,推进绿色照明新发展 本文从节能、环保、促进可持续发展以及自然、生态、促进人类身心健康两大角度阐述天然光采集照明的意义和价值.在此基础上,作者介绍了国内 在光纤系统、镜面反射系统等天然采光新技术方面的最新科研成果,前者是将太阳光通过高效聚光元件汇聚后经由高透光率光纤束传至所需场所照明使用 ,整套系统始终自动跟踪太阳;后者是利用特定设计的双轴机械机构驱动平面反射镜,无论太阳如何运动,平面反射镜反射后的太阳光始终能投向需要照明 区域.上述两种系统利用巧妙的构思设计和低廉的跟踪定位技术,完成高精度的跟踪功能,具有较高的性能价格比.最后呼吁广大的建筑师和工程技术人员 共同关注,以"绿色奥运"为契机,大力开发天然采光新技术,为绿色照明工程的实施提供技术支撑,推进绿色照明新发展. 2.期刊论文 赵阳春.李宝骏.陈华晋.张春辉 太阳能——绿色光纤照明与供热系统的研究 -科技信息（学术版） 2007(3) <太阳能--光纤绿色照明与供热系统>利用太阳能作为能源;利用大芯径耐热空芯贮能光导纤维作为传光线路,把太阳能引入阴暗房间、地下商场、人 防工事、矿井、隧道等阴暗、潮湿处进行照明,使"北屋"变成"南屋","地下"变成"地上",让阴暗、潮湿处充满阳光,起到阳光浴和保护视力的作用,有益于 人体健康.同时该系统利用大芯径耐热空芯贮能光导纤维包层中的发热材料将入射的光能转换成热能,并向外辐射热量,达到冬季供暖的目的.因此<太阳能 --光纤绿色照明与供热系统>,具有显著的经济效益、环境效益和广泛地应用前景. 3.期刊论文 黄险峰 建筑照明的新理念与新进展——绿色照明 -广西土木建筑2002,27(2) 本文研究了建筑照明的新理念——绿色照明的现实和环保意义及其设计方法,并介绍了照明科技的新进展和相应的环保措施. 4.学位论文 郑德超 汽车灯光集中控制系统的研究 2009 如今全球都处于能源紧缺的状态，而大量耗费能源的汽车总数却在不断的攀升，于是如何提高汽车对能源的使用效率，并同时减少对环境的危害成 为了近年来最热门的话题。本文所研究的对象是以LED这种低功耗的光源配合光纤照明新兴的绿色照明方式在汽车上的应用，具有较好的实际应用价值。 本文将汽车车身照明系统作为研究对象，探讨如何设计一种新颖而又优点突出的照明系统。该系统将汽车上的所有光源集中在同一位置，利用照明 用光纤将灯光分别传输到车身的各个部位，实现了光源的集中控制和光线的柔性传播。 首先，对汽车光源进行全面的介绍与分析，然后选取LED作 为本文所研究的汽车光源，进行详细研究。根据车灯不同功能的要求，选取合适的大功率LED，并设计相应的驱动电路。 其次，在详细分析汽车车 灯控制逻辑的基础上，利用C8051系列单片机作为控制芯片，编写车灯的控制程序，实现了只用一片单片机对整个车灯照明系统的控制，大大的提高了系 统的可靠性，并可通过其内部集成的CAN总线与车身的其它电气设备紧密的联系在一起。 再次，通过对照明用光纤的整体研究与分析，讨论如何选 取合适的光纤、LED光源、聚光镜、反光镜、金属套件，以及如何将他们紧密的耦合在一起，形成一个完整的光纤照明系统。 最后，通过搭建实验 模型验证该汽车车灯集中控制系统的可行性，根据所测得的实验数据与理论计算的数据向对比，得到该系统中所存在的一些亟待解决的问题，为今后在 该项系统的研究与设计提供正确的方向。 5.学位论文 冯巍 太阳能光导采光的研究 2005 本课题提出了一种新的绿色照明方式.充分利用太阳能,通过光导纤维导光进行采光.即达到了采光照明的要求,又节约了能源,这是一种新的绿色照明 理念.它以太阳能作为能源,通过聚集器收集阳光,利用传光束作为传播途径,把太阳能引入室内进行照明.它不需要中间的转换过程,极大的提高了太阳能 的利用率,并且它可以广泛的应用于地下商场,人防工程,隧道以及矿井,恶劣环境建筑中进行照明.光纤是照明的主体部分.因此,本课题是在传统传光光纤 的基础上研制一种耐热性能好,通体发光光纤.使光纤在传光的同时,利用通体发光的特性达到装饰照明的目的.因此,如何研制一种耐热性能好的通体发光 光纤成为了光导采光的首要问题. 6.期刊论文 刘柯.鲍家声.Liuke.Baojiasheng 光纤采光照明系统在建筑中的应用 -南方建筑2006(9) 光纤采光照明系统是一种新型绿色照明装置,它利用光导纤维将太阳光直接导入室内进行照明,为室内提供长达九个小时的日照,并营造出有益健康的 照明环境.本文主要介绍了系统的原理、构成以及目前在建筑中的应用. 7.学位论文 王春雷 塑料光纤耐热性能的研究 2004 利用空芯光学纤维为建筑内部房间提供日光的新型自然光照明系统是刚刚兴起的一种很有前途的利用太阳能的手段,实现了真正的"绿色照明".在这 种光导采光系统中的光纤主要采用塑料光纤,目前已经商业化的、也最常用的塑料光纤的芯材—聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),它具有许多优良的性能,如化学 稳定性好,物理机械性能,耐候性和透光率都好于昂贵的聚碳酸酯(PC)等,但耐热性较低,它的玻璃化温度只有1 05℃,使用温度一般低于80℃,这种性能缺 陷严重影响了聚甲基丙烯酸甲酯光纤的应用范围和使用寿命.该文采用偶氮二异丁腈为引发剂,马来酸酐为共聚第二单体,与甲基丙烯酸甲酯共聚合的方法 成功制备出耐热、透明的塑料光纤芯材聚合物.通过大量的实验,该文研究了马来酸酐配比、反应温度、引发剂浓度对聚合反应速率及所得共聚物的玻璃 化温度、透明度的影响,确定了合理的马来酸酐配比和最佳的反应温度、引发剂浓度,并且从理论上进行了分析、解释.针对马来酸酐高配比时共聚物透明 度下降明显的情况,通过理论分析,我们采用了引入第三共聚单体的方法.这种第三单体必须具备三个条件:(1)这种单体本身具备良好的透明性;(2)这种单 体必须能够与马来酸酐进行聚合反应;(3)这种单体必须能够和聚甲基丙烯酸甲酯进行聚合反应,苯乙烯完全符合以上条件.因此运用了加入少量苯乙烯,与 马来酸酐、甲基丙烯酸甲酯进行三元共聚制备塑料光纤芯材聚合物,虽然共聚物的玻璃化温度有所下降,但透明度明显改善,解决了马来酸酐高配比时玻璃 化温度升高与透明度下降的矛盾.塑料光纤耐热性的提高必将推动其在太阳光纤采光系统的效率及应用范围,具有很大的应用价值. 8.会议论文 黄杰 自然光在专业照明领域的应用 2008 人类日常生活中离不开照明，而照明又可分为自然光照明和人工照明。由于自然光是人类有史以来一直采用的光源，与生俱来就与人类有着适应性 和亲切感，并且对人类的健康具有非常重要的调节作用，因此，采用自然光照明是一种最健康的照明方式。从节约不可再生资源和保护环境的角度而言 ，开本文以某工厂照明为例，从光纤导光和光导管导光两个方面讨论了利用自然光实现照明的技术方案及其照明效果。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ncny200902016.aspx 下载时间：2010年1月6日