CN203082799U - 光纤照明***和光纤照明的聚光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种光纤照明***和光纤照明的聚光装置，其中的光纤照明的聚光装置与光纤束连接，且聚光装置包括：主镜和副镜，所述主镜为旋转抛物面镜，所述副镜为旋转的双曲面镜，所述主镜的半径a₁和所述副镜的半径a₂分别满足

和A_e＝π(a₁ ²-a₂ ²)这两个关系式；其中，所述n为所述主镜和副镜的遮拦比，所述A_e为所述聚光装置的太阳光有效投射面积，所述T为所述光纤束所能容忍的最高温度，所述r为所述主镜的反射率和所述副镜的反射率的乘积，所述I为太阳光辐射强度，所述A_f为所述光纤束吸热焦平面面积。本实用新型提供的技术方案可以使基于卡塞格林结构的聚光装置的主镜和副镜的尺寸设计更加合理，有利于光纤照明的推广应用。

Description

光纤照明***和光纤照明的聚光装置

技术领域

本实用新型涉及光纤照明技术，特别是涉及一种光纤照明***和光纤照明的聚光装置。

背景技术

光纤照明是指利用损耗低的光纤将太阳光不进行任何形式的转化而直接传输到白天也需要照明的地方进行照明。光纤照明是充分利用太阳能的一项新技术，也是人类照明的一种新方式。由于光纤照明具有绿色环保的特点，并可以有效节约不可再生的化石能源，因此，光纤照明具有很好的应用前景。

光纤照明***主要包括：自动跟踪装置和聚光装置。自动跟踪装置主要用于追踪太阳的方位，使聚光装置朝向太阳的方位，从而太阳光可以垂直照射到聚光装置的采光面上；聚光装置主要用于汇聚一定面积的太阳光，以增强照明的光线强度。

现有的光纤照明的聚光装置通常采用组合抛物面聚光镜、折射式聚光镜或者聚焦菲涅尔聚光镜等；这些聚光装置的光学效率较低，且有效聚光比也较低，从而会导致照明效果较差；另外，上述有的聚光装置的结构较笨重，还会导致自动跟踪装置的负载过重，从而不能精确地追踪到太阳的方位。

基于卡塞格林结构的聚光装置主要包括：两块反射镜，其中一块是旋转抛物面镜，即主镜，另一块是旋转的双曲面镜，即副镜。基于卡塞格林结构的聚光装置不仅有效克服了上述聚光装置存在的问题，而且，由于其所用的材料价格以及加工制作成本都比较低，因此，还能够有效地降低光纤照明***的实现成本，具有很好的实用价值和应用前景。

发明人在实现本实用新型过程中发现，对于基于卡塞格林结构的聚光装置来说，主镜和副镜尺寸的合理设计是非常重要的，例如，如果主镜的尺寸设计过大，则主镜的焦点处的温度会很高，会使光纤束融化，从而使光纤照明***不能正常工作。

有鉴于现有的基于卡塞格林结构的聚光装置的主镜和副镜的尺寸的合理设计需求，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验以及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的光纤照明***和光纤照明的聚光装置，能够使基于卡塞格林结构的聚光装置的主镜和副镜的尺寸设计更合理，使其更具有实用性。经过不断的研究设计，并经过反复试作样品及改进，终于创设出确具实用价值的本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于，满足现有的基于卡塞格林结构的聚光装置的主镜和副镜的尺寸的合理设计需求，而提供一种光纤照明***和光纤照明的聚光装置，所要解决的技术问题包括，使基于卡塞格林结构的聚光装置的主镜和副镜的尺寸设计更加合理。

本实用新型的目的以及解决其技术问题可以采用以下的技术方案来实现。

依据本实用新型提出的一种光纤照明的聚光装置，包括：主镜和副镜，所述主镜为旋转抛物面镜，所述副镜为旋转的双曲面镜，其特征在于：

所述主镜的半径a₁和所述副镜的半径a₂分别满足下列两个关系式：

和A_c＝π(a₁ ²-a₂ ²)；

其中，所述n为所述主镜和副镜的遮拦比，所述A_e为所述聚光装置的太阳光有效投射面积，且所述A_e满足 $T=666{\left\{\mathrm{rI}\right[1-{\left(\frac{16-\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}{16+\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}\right)}^3\left]\right\}}^{\frac{1}{4}},$ 所述T为所述光纤束所能容忍的最高温度，所述r为所述主镜的反射率和所述副镜的反射率的乘积，所述I为太阳光辐射强度，所述A_f为所述光纤束吸热焦平面面积。

较佳的，前述的光纤照明的聚光装置，其中所述主镜和副镜分别镀有铝膜。

较佳的，前述的光纤照明的聚光装置，其中所述主镜和副镜的半径a₁和a₂分别为被修正后的整数值。

较佳的，前述的光纤照明的聚光装置，在下述情况下，所述主镜的半径a₁为20cm，所述副镜的半径a₂为4cm；所述情况包括：

A、所述光纤束的横截面半径为2cm时，所述光纤束吸热焦平面面积A_f为12.56cm²；

B、所述r为0.7921；

C、所述I为690千卡/米²·时；

D、所述主镜和副镜的遮拦比n为0.2；

E、所述光纤束为石英光纤束时，所述T为773.15开尔文。

较佳的，前述的光纤照明的聚光装置，其中所述主镜的抛物线的参数方式为y²＝-2px，所述副镜的双曲线的参数方程为

其中，所述p为抛物线的焦点到其准线的距离，所述a为双曲线上任意一点与其两个焦点之间距离之差的绝对值的一半，所述b为虚半轴长。

较佳的，前述的光纤照明的聚光装置，其中在所述主镜的纵横比为0.25，且以所述抛物线的顶点为坐标原点的情况下，所述抛物线的参数方式为y²＝-400x，所述双曲线的参数方程为

本发明还提供一种光纤照明***，所述***包括：光纤束、自动跟踪装置以及上述光纤照明的聚光装置，所述光纤束与所述聚光装置连接，所述自动跟踪装置与所述聚光装置连接。

较佳的，前述的光纤照明***，其中所述光纤束为石英光纤束。

借由上述技术方案，本实用新型的光纤照明***和光纤照明的聚光装置至少具有下列优点以及有益效果：本实用新型的聚光装置是基于卡塞格林结构的聚光装置，本实用新型通过对该聚光装置的主镜和副镜的半径以及相关的参数方程进行合理设计，使主镜和副镜的结构尺寸更加科学合理，进一步的突出了聚光装置的有效聚光比高、整体结构紧凑、自动跟踪装置的驱动电机的负载小以及实现成本低等优点；从而本实用新型有利于光纤照明的推广应用。

综上所述，本实用新型在技术上有显著的进步，并具有明显的积极技术效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合说明书附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本实用新型的光纤照明的聚光装置的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的光纤照明***和光纤照明的聚光装置的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例一、光纤照明的聚光装置。该装置如图1所示。

在图1中，光纤照明的聚光装置主要包括：两块反射镜，其中一块反射镜为旋转抛物面镜1(也可以称为一次旋转抛物面反射镜)，即主镜，另一块反射镜为旋转的双曲面镜2(也可以称为二次旋转双曲面反射镜)，即副镜。该主镜和副镜上可以均镀有增强其反射性能的膜如铝膜。

本实用新型主要是对聚光装置的主镜和副镜的半径进行界定，并对主镜的抛物线参数方程和副镜的双曲线参数方程进行界定，以明确主镜和副镜的结构尺寸(即具体形状和大小等)。主镜和副镜的半径以及上述参数方程的界定过程具体如下。

(一)、旋转抛物面聚光器焦平面的温度经验计算公式。

在只考虑辐射损耗、吸收率等于发射率、且吸收和发射都服从Lambert余弦定理的情况下，旋转抛物面镜的聚光器焦平面处实际温度可以根据下述公式(1)计算获得：

$T=666{\left\{\mathrm{rI}\right[1-{\left(\frac{16-\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}{16+\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}\right)}^3\left]\right\}}^{\frac{1}{4}},$ 公式(1)

在上述公式(1)中，r为聚光装置的主镜的反射率和副镜的反射率的乘积；I为太阳光辐射强度；A_e为聚光装置的太阳光有效投射面积；A_f为聚光装置的光纤束3吸热焦平面面积。

上述公式(1)是一个经验计算公式，采用该经验计算公式计算获得的聚光器焦平面处的温度值与通过仪器测量获得的焦平面处的实际温度值基本相同，两者之间存在的偏差通常在2.4-4％之间，且通过上述公式(1)计算获得的温度值通常会高于实际测量得到的温度值。

如果将光纤束3所能容忍的最高温度作为T的具体取值，则可以利用上述公式(1)计算出A_e。

(二)聚光装置的主镜和副镜的半径的计算。

在计算聚光装置结构尺寸的过程中，定义聚光装置的主镜的半径为a₁，聚光装置的副镜的半径为a₂。对于聚光装置来说，由于其被自动跟踪装置带动而实时追踪太阳的方位，并采集最强烈的直射太阳光，故聚光装置的有效投射面积A_e的计算公式为：

A_e＝π(a₁ ²-a₂ ²)公式(2)

对于基于卡塞格林结构的聚光装置来说，由于自动跟踪装置能够使聚光装置实时地追踪到太阳的方位，而保证太阳光都是垂直地照射到聚光装置的采光面上，因此，副镜会对主镜的聚光面积有一部分遮挡，即聚光装置具有副镜对主镜的遮拦比。该遮拦比通常为副镜的半径与主镜的半径在数值上的比值，如下述公式(3)所示。

$n=\frac{a_2}{a_1}$ 公式(3)

遮拦比是表征聚光装置对太阳光汇聚能力大小的一个重要参数。就聚光装置而言，如果遮拦比过大，聚光装置的有效聚光面积会减小而造成不能汇聚足够光照强度的太阳光以进行光纤照明，相反，如果遮拦比过小的话，则副镜的尺寸会很小，从而导致副镜的加工制作难度加大以及副镜的精确性得不到保证。

遮拦比可以根据经验确定出一个具体的数值。

如果将上述利用公式(1)计算出的A_e和根据经验确定出的遮拦比的具体数值代入上述公式(2)和公式(3)，则可以计算出a₁和a₂的具体数值。

计算a₁和a₂的一个具体的例子为，如果光纤照明***中所用到的传光光纤束3为石英光纤束，则该光纤束3正常工作时所能长期承受的最高温度为773.15开尔文，即T＝773.15；由于主镜和副镜需要对太阳光进行反射并且汇聚，因此主镜和副镜分别镀有一层铝膜，而且该铝膜对400-1600nm波段的太阳光的反射率均在89％以上，从而r＝0.7921；由于聚光装置是将太阳光反射并汇聚到光纤束3的截面上以进行耦合传输，因此，光纤束3的横截面面积也就是光纤束3吸热焦平面面积，这样，如果光纤束3的横截面的半径为2cm，则光纤束3吸热焦平面面积为12.56cm²，即A_f＝0.001256m²；对于I来说，其取值可以为690千卡/米²·时，即I＝690千卡/米²·时；将上述T、r、I和A_f的具体数值带入到上述公式(1)中，可计算A_e＝0.111483m²；由于在制作基于卡塞格林结构的聚光装置时，遮拦比通常取值为0.2时就能够很好地满足各种设计要求，因此，将遮拦比n＝0.2以及A_e＝0.111483m²带入到上述公式(2)和公式(3)中，可以计算出a₁＝19.23cm以及a₂＝3.846cm；为了便于后续的调试安装，可以将上述计算出的a₁和a₂修正为整数值，即a₁＝20cm以及a₂＝4cm。

(三)、聚光装置的主镜的抛物线参数方程和副镜的双曲线参数方程。

聚光装置的主镜可以看成是以一个开口向左的抛物线为母线，以x轴为主轴旋转而得到的旋转抛物面镜；聚光装置的副镜可以看成是以一个旋转双曲线为母线，以x轴为主轴旋转而得道的双曲面镜。

主镜的抛物线参数方程和副镜的双曲线参数方程分别为：

y²＝-2px公式(4)

$\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1$ 公式(5)

其中，p为抛物线的焦点到其准线的距离，a为双曲线上任意一点与其两个焦点之间距离之差的绝对值的一半，b为双曲线的虚半轴长。

聚光装置的主镜的纵横比即主镜的抛物面聚光镜的总厚度与主镜直径的比值。在实际设计过程中，如果纵横比过大，则聚光装置的结构较为笨重，相反，如果纵横比过小，则聚光装置的加工制作难度以及精确度会很高；因此，在本实用新型中，主镜的纵横比的取值可以为0.25。

如果以抛物线的顶点作为坐标原点，建立平面直角坐标系，利用纵横比0.25可以计算出点(-100，200)是抛物线上的一点，将该点带入抛物线的参数方程即公式(4)中，可以得到抛物线的参数方程为：

y²＝-400x

该抛物线方程的焦点坐标为(-100，0)，由于双曲线的左焦点与该抛物线的焦点重合，并且双曲线的右焦点是位于坐标原点处，故可得：

2c＝100，c²＝a²+b²公式(6)

另外，由分析可知，点(-100，40)为双曲线方程上的一点，将该点及公式(6)带入到双曲线的参数方程即公式(5)中，可解得双曲线方程为：

$\frac{{(x+50)}^2}{2079.84}-\frac{y^2}{420.16}=1$ 公式(7)

实施例二、光纤照明***。

该***主要包括：光纤束、自动跟踪装置以及光纤照明的聚光装置。光纤束与聚光装置连接，自动跟踪装置与聚光装置连接。

光纤束主要用于将太阳光传送到白天也需要进行照明的场所(如矿井或排污井或者室内等，该排污井包括地下排污通道)下。该光纤束可以具体为石英光纤束。

自动跟踪装置主要用于追踪太阳的方位，并驱动聚光装置朝向太阳的方位，以使太阳光可以垂直地照射到聚光装置的采光面上。

聚光装置主要用于聚集太阳光，并将聚集的太阳光传输给光纤束，以实现基于太阳光的光纤照明。聚光装置的具体结构如上述实施例一中的描述，在此不再重复说明。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型的技术，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种光纤照明的聚光装置，所述聚光装置与光纤束连接，且所述聚光装置包括：主镜和副镜，所述主镜为旋转抛物面镜，所述副镜为旋转的双曲面镜，其特征在于：

所述主镜的半径a₁和所述副镜的半径a₂分别满足下列两个关系式：

和A₂＝π(a₁ ²-a₂ ²)；

其中，所述n为所述主镜和副镜的遮拦比，所述A_e为所述聚光装置的太阳光有效投射面积，且所述A_e满足 $T=666{\left\{\mathrm{rI}\right[1-{\left(\frac{16-\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}{16+\frac{A_e}{A_f}{10}^{-4}}\right)}^3\left]\right\}}^{\frac{1}{4}},$ 所述T为所述光纤束所能容忍的最高温度，所述r为所述主镜的反射率和所述副镜的反射率的乘积，所述I为太阳光辐射强度，所述A_f为所述光纤束吸热焦平面面积。

2.如权利要求1所述的聚光装置，其特征在于，所述主镜和副镜分别镀有铝膜。

3.如权利要求1或2所述的聚光装置，其特征在于，所述主镜和副镜的半径a₁和a₂分别为被修正后的整数值。

4.如权利要求3所述的聚光装置，其特征在于，在下述情况下，所述主镜的半径a₁为20cm，所述副镜的半径a₂为4cm；所述情况包括：

A、所述光纤束的横截面半径为2cm时，所述光纤束吸热焦平面面积A_f为12.56cm²；

B、所述r为0.7921；

C、所述I为690千卡/米²·时；

D、所述主镜和副镜的遮拦比n为0.2；

E、所述光纤束为石英光纤束时，所述T为773.15开尔文。

5.如权利要求1或2所述的聚光装置，其特征在于，所述主镜的抛物线的参数方式为y²＝-2px，所述副镜的双曲线的参数方程为

其中，所述p为抛物线的焦点到其准线的距离，所述a为双曲线上任意一点与其两个焦点之间距离之差的绝对值的一半，所述b为双曲线的虚半轴长。

6.如权利要求5所述的聚光装置，其特征在于，在所述主镜的纵横比为0.25，且以所述抛物线的顶点为坐标原点的情况下，所述抛物线的参数方式为y²＝-400x，所述双曲线的参数方程为

7.一种光纤照明***，其特征在于，所述***包括：光纤束、自动跟踪装置以及上述任一权利要求所述的光纤照明的聚光装置，所述光纤束与所述聚光装置连接，所述自动跟踪装置与所述聚光装置连接。

8.如权利要求7所述的光纤照明***，其特征在于，所述光纤束为石英光纤束。

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