太陽能傳輸用空芯光纖研究及收集裝置的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文太陽能傳輸用空芯光纖研究及收集裝置的設(shè)計(jì) 姓名：劉明輝 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：光電子及信息材料 指導(dǎo)教師：韓建軍趙修建 20080501 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文對大孔徑低損耗傳輸太陽能用泄漏型空芯光纖薄膜制備工藝進(jìn)行了深入的研究，與用于傳輸激光的空芯光纖不同的是，該空芯光纖傳輸?shù)氖遣ㄩL范圍的光，故在膜層厚度設(shè)計(jì)和材料選擇上就有所區(qū)別。此波段的太陽能能量占太陽輻射能量中的以上，通過低損耗空芯光纖將太陽光傳輸?shù)绞覂?nèi)提供照明，即在一定程度解決了能源危機(jī)問題，又利于環(huán)保。 通過分析比較，選擇石英玻璃毛細(xì)管作為空芯光纖基材，內(nèi)徑為：通過理論計(jì)算與薄膜材料的選擇

2、，確定在內(nèi)壁先鍍膜層厚度為的高反射率銀膜，再鍍厚度為的電介質(zhì)層；通過在石英基板上鍍制銀膜和電介質(zhì)膜來確定薄膜的制備參數(shù)，綜合優(yōu)化工藝參數(shù)。在立式光纖鍍膜機(jī)上制備空芯光纖的最佳反應(yīng)條件是反應(yīng)溫度控制在，蔽光，值控制在，還原液中加入少量的硝酸作催化劑，少量的聚乙二醇作穩(wěn)定劑，另外，在還原液中加入少量乙醇可減小溶液的表面張力，利于反應(yīng)的進(jìn)行，銀絡(luò)合離子濃度為，流量為，反應(yīng)時間定為”，；毛細(xì)管內(nèi)制備電介質(zhì)涂層和在基片上的制備工藝差別不大，主要在于流量的控制，通過實(shí)驗(yàn)比較，確定以質(zhì)量比丙酮溶液，流量為 ，鍍制時間為。 太陽能收集器是根據(jù)拋物面鏡聚焦的原理設(shè)計(jì)的，把平行入射的太陽能匯聚成一個點(diǎn)光源，再導(dǎo)入

3、空芯光纖進(jìn)行傳輸。對高精度太陽能拋物面境收集器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計(jì)，使它在濃縮度和光斑直徑上與制備好的空芯光纖相匹配。依據(jù)旋轉(zhuǎn)拋物面鏡的收集參數(shù)，選擇了口徑為，邊緣半角為矽的拋物面鏡，該拋物面鏡核心光斑直徑為，太陽光濃縮度為；最大收集效率的光斑直徑為，平均太陽光濃縮度。考慮到本設(shè)計(jì)以收集效率為主，選擇空芯光纖直徑為。通過理論計(jì)算確定了平面反射鏡的直徑為，光纖的輸入端與平面鏡的距離。 利用類似太陽光譜的氙燈光源對制備的泄漏型空芯光纖的傳輸性能進(jìn)行測試和分析，通過測量輸入和輸出的能量，根據(jù)公式可以計(jì)算出光纖的直傳和彎曲損耗。把光纖與收集器組裝后，測試整個系統(tǒng)的傳輸效率和損耗，綜合評價該研究設(shè)計(jì)。

4、與傳統(tǒng)的太陽能利用裝置相比較，本裝置不需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此效率高，結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)聚焦后太陽能的遠(yuǎn)距離高效傳輸。關(guān)鍵詞：空芯光纖，電介質(zhì)，拋物面收集器，濃縮度 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 （ ） ， ， ， ， ， ， ， ； ， ； ， ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ， ?穡錚? 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ， ， ” ， ； ， ， ， ， ， ， ， ， ，曲， ， ： ， ， 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢

5、理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：群碑牽期： 復(fù)：！勺 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán)保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 （保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 簽名：釁導(dǎo)師繇牲日期：鯔鑼 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第章前言傳輸太陽能用光纖的研究背景 人類的生活越發(fā)離不開能源了。今天，能源成了我們衣、食、住、行都得依賴的東西，因?yàn)槲覀兛克鼈冋彰?、煮飯?/p>

6、取暖、降溫、交通、娛樂；靠它帶動工廠生產(chǎn)，帶動機(jī)器耕作，帶動實(shí)驗(yàn)室的各種科學(xué)儀器；靠它維持我們的電腦運(yùn)行，等等。設(shè)想一下，如果能源的供應(yīng)真的不足了，我們的生活會不會亂成一團(tuán)？如果你在做實(shí)驗(yàn)時停電，寫文章時停電等你就會對能源的重要性深有體會了。目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石能源，即：煤炭、石油和天然氣。它們經(jīng)歷了上億年的時間才得以形成，因此不可再生。 從探明的儲量分析，現(xiàn)在地球上的石油、天然氣和煤炭的總儲量分別為【】： 石油 萬億桶 天然氣 萬億立方米 煤炭 萬億噸 按照目前全世界對化石能源的消耗速度計(jì)算，這些能源可供人類使用的時間大約還有： 石油 年 天然氣 一年 煤炭 年 從以上的

7、數(shù)據(jù)可以看出地球上不可再生的能源已經(jīng)不多了，可見隨著剩余化石能源的逐漸消耗，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，人類必須尋找新的能源才能維持人類社會的正常發(fā)展。 大家知道，太陽能是取之不盡、用之不竭的巨大能源。利用太陽光給人類提供能源，將能解決地球上日益緊張的能源危機(jī)。生物能、風(fēng)能，水能、溫差能和潮汐能，歸根結(jié)底都是太陽能的轉(zhuǎn)化形式。即使是礦物燃料，也是通過生物的化石形式保存下來的億萬年以前的太陽能。因而在太陽系繼續(xù)存在的漫長時期內(nèi)，唯一始終取之不盡、用之不竭，而又最廉價的能源是太陽能。 如圖所示，對照太陽輻照度表可以看出，由于氮、氧、臭氧、水蒸氣、及其它大氣分子強(qiáng)烈吸收與大氣散射，從而使得紫外和紅外波段的能量

8、消失比較多，在海平面上太陽輻照度能量范圍主要集中在，因此，在地球上利用太陽能，只考慮波長為 的輻射就行了【。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ： 一 隹；，謄）巡繇媳皿 瀘 司見先 圖太陽輻照示意圖 波長） 近十幾年來，太陽能利用技術(shù)已獲得長足的進(jìn)步。但是，由于太陽能資源固有的低密度性和間歇性，使得太陽能的廣泛應(yīng)用一直受到很大制約，迄今還無法在社會能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要位置。目前，實(shí)現(xiàn)太陽能能量濃縮的一種途徑：在維持太陽能低密度的情況下，直接將輻射光能量轉(zhuǎn)化成熱能、電能、化學(xué)能，達(dá)到提高能量密度和克服間歇性的雙重目的。如現(xiàn)階段發(fā)展的太陽能電池技術(shù)，但太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率制約了太陽能利用率的進(jìn)一步提高

9、，能量回收周期長，而且制造成本高昂。另一條途徑是：首先將太陽能匯聚起來，提高其能流密度，然后轉(zhuǎn)化為其它形式的能源加以儲存和利用，或者將濃縮后的太陽能直接傳輸?shù)叫枰霉饽艿墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活，這就需要有效的傳輸介質(zhì)，因此，研究和開發(fā)傳輸太陽能用光纖具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。傳能光纖的發(fā)展歷史與空芯光纖研究現(xiàn)狀傳能光纖的發(fā)展歷史 纖維光學(xué)技術(shù)是上世紀(jì)年代才開始應(yīng)用的高新技術(shù)，將太陽能利用技術(shù)和纖維光學(xué)技術(shù)結(jié)合起來對建筑物進(jìn)行照明或進(jìn)行能量傳輸（如圖），不需要中間轉(zhuǎn)換過程，不但可以擴(kuò)大太陽能的利用范圍，而且可以節(jié)省大量的能源。特別是在陰暗房間、地下商場、人防工事、礦井和隧道等地下建筑中應(yīng)用，該系

10、統(tǒng)不僅僅可以節(jié)省大量的常規(guī)電能，而且安全可靠，顯著地改善了陰暗潮濕處的生活和工作環(huán)境，可以起到照明和日光浴的作用。由于光學(xué)纖維可以傳輸自然光，有益于地下建筑中工作人員的身體健康【吲，因此太陽能光導(dǎo)采光具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在美國的空間研究計(jì)劃中，已經(jīng)把光纖傳輸太陽能的研究課題列為美國未來的空間研究課題【。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于光纖材料和光纖結(jié)構(gòu)對光纖的傳輸特性起決定性的作用，人們正在從這兩方面入手來制備理想的傳能光纖。在材料方面，由于各種材料都有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選取合適的材料，制備低損耗、高功率傳輸光纖是研究中的一個重要方面。在結(jié)構(gòu)方面，人們的研究經(jīng)歷了一個很長的過程，從

11、最初的階段開始，傳能光纖就用了兩種結(jié)構(gòu)【】：一是借鑒了通信光纖的研究結(jié)果，即實(shí)芯光纖【以，芯層的折射率稍大于包層；另一種是借鑒了微波波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形式，即空芯光纖【 。 圖利用光學(xué)纖維傳輸濃縮太陽能示?饌?后來的研究證明，傳統(tǒng)的實(shí)芯光纖結(jié)構(gòu)存在著很大的缺陷：一是芯層材料的折射率比較大，耦合時光纖端面的反射損失比較大：二是實(shí)芯結(jié)構(gòu)所存在的結(jié)構(gòu)缺陷大大降低了光纖的能量傳輸閾值【】。 與其它類型的光纖相比，空芯光纖具有明顯的優(yōu)點(diǎn)： （）由于采用氧化物玻璃或晶體作為光纖材料，空芯光纖的化學(xué)和光學(xué)性能都比較穩(wěn)定。 （）由于采用空氣作為傳輸介質(zhì)，傳輸介質(zhì)具有高度的均勻性，大大減少了光傳輸時因介質(zhì)不均勻而發(fā)生的

12、散射幾率，散射損耗小。 （）由于采用空氣作為傳輸介質(zhì)，傳輸介質(zhì)高度的均勻性使光束分散性小，保證了優(yōu)異的光斑輸出質(zhì)量。 （）由于采用空氣作為傳輸介質(zhì)，避開了實(shí)芯光纖中引入過渡金屬離子和離子以及其它雜質(zhì)，大大減少了吸收損耗。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 （）由于采用空氣作為傳輸介質(zhì)，折射率約為，無終端反射，在空芯光纖端面不需防反射涂層，光具有較低的耦合損耗。 （）空氣傳輸介質(zhì)對光的吸收小，由吸收的光而轉(zhuǎn)化成的熱量少，而空芯光纖芯徑較大，空氣介質(zhì)散熱效率較高。由于這兩方面的原因，使得空芯光纖具有較大的能量損傷閾值，即可傳輸較大功率的能量而不致于因傳輸介質(zhì)吸收較多的光引起較大的熱效應(yīng)而損壞光纖。 （）通

13、過適當(dāng)?shù)幕脑O(shè)計(jì)，可以使空芯光纖保留良好的韌性的同時具有較好的力學(xué)性能，十分容易地實(shí)現(xiàn)變向彎曲傳輸。 （）空芯光纖沒有引入毒性元素，它的無毒性使其特別適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭應(yīng)用。 （）空芯光纖性能穩(wěn)定，能夠經(jīng)受高溫、紫外線的照射?？招竟饫w研究現(xiàn)狀 空芯光纖的發(fā)展同樣經(jīng)歷了漫長的過程，開發(fā)出了兩大類型空芯光纖【】最開始人們直接采用傳輸微波的金屬空芯波導(dǎo)，但是近紫外光、可見光和近紅外光的頻率要比微波的頻率高的多，因此，在此波段金屬的電導(dǎo)率將不再被看作是近似無限大，而電導(dǎo)率的下降導(dǎo)致了金屬表面對電磁波的反射率的下降。后來又經(jīng)過研究發(fā)展成為電介質(zhì)涂覆金屬型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并取得了一定的成功，此即為泄漏型空

14、芯光纖【，其特點(diǎn)是光線照射到電介質(zhì)金屬高反射膜上發(fā)生高反射而進(jìn)行傳輸（）（如圖（）。第二類空芯光纖為衰減全反射型空芯光纖【引，一般由在設(shè)計(jì)波長處具有反常色散特性的氧化物玻璃或晶體材料作全反射膜，空氣作為傳輸介質(zhì)構(gòu)成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是光線照射到折射率，于空氣折射率（）的材料上發(fā)生全發(fā)射而進(jìn)行傳輸（如圖（）?？招竟饫w傳輸?shù)奶柟獠ㄩL范圍主要在”之間，在此波長范圍內(nèi)，理論上不可能有哪種物質(zhì)對于此波段的傳播比在真空中傳播速度還大，故不存在折射率小于的材料，所以傳輸太陽能只能選擇泄漏型波導(dǎo)。 泄漏型空芯光纖的研制相對成熟，相應(yīng)的制備方法以及光纖的種類較多，光纖損耗也較低。但泄漏型空芯光纖還存在一些實(shí)際

15、問題，如金屬高反射層及其表面的鹵化物或聚合物電介質(zhì)層具有老化現(xiàn)象。由于泄漏型空芯光纖是通過光線在金屬表面的鏡面高反射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)光線的傳輸?shù)模饩€在電介質(zhì)層和金屬層的同一部位可能發(fā)生多次高反射，容易產(chǎn)生局部過熱效應(yīng)。一旦出現(xiàn)過熱效應(yīng)，鹵化物或高分子電介質(zhì)層將出現(xiàn)老化現(xiàn)象，材料原有的介電性能、光學(xué) 武漢理大學(xué)碩士學(xué)位論文 泄漏型空芯光纖 （）衰減全反射型空芯光纖 圖空芯光纖結(jié)構(gòu)性能都將在過熱的環(huán)境中出現(xiàn)下降，結(jié)果使光導(dǎo)性能變差，將會產(chǎn)生光線被該部位的材料集中吸收的惡性循環(huán)，使光纖因局部損壞而導(dǎo)致整體傳輸功能喪失。在泄漏型空芯光纖中，光線在金屬和電介質(zhì)層之間的無限次泄漏和反射將使光線的傳輸模式變得十

16、分混亂，這對輸出激光的聚焦不利。太陽能收集器的研究現(xiàn)狀 太陽能的聚焦形式很多，目前技術(shù)比較成熟的主要有槽式聚焦系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。但是槽式聚焦系統(tǒng)和塔式聚焦系統(tǒng)不能將聚焦的光線濃縮成直徑很小的光斑，故聚焦的太陽能不適合用光纖來傳輸。 碟式聚焦系統(tǒng)主要用于太陽能熱發(fā)電技術(shù)，在世紀(jì)年代術(shù)到年代初由瑞典、美國的 ，及等發(fā)起研究，此后中國、德國、韓國等國家的科研部門相繼展開碟式聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研制開發(fā)，并已完成樣機(jī)測試?！?。此太陽能收集器原理是根據(jù)碟式拋物面鏡聚焦的原理設(shè)計(jì)的，把平行入射的太陽能匯聚成一個點(diǎn)光源，耦合進(jìn)空芯光纖內(nèi)進(jìn)行傳輸。目前碟式旋轉(zhuǎn)拋物面收集器匯聚的焦面光斑能量分布不均勻

17、，中間能量高等問題，針對這些問題，本文應(yīng)用蒙特卡羅法，結(jié)合拋物面光學(xué)特性，考慮太陽不平行度、指向誤差、鏡面的反射誤差以及焦面位置誤差等誤差因素，對一個典型的碟形旋轉(zhuǎn)拋物面收集器的焦面光斑直徑，濃縮度進(jìn)行了科學(xué)的計(jì)算，獲得在誤差條件下邊緣角對焦面光斑濃縮度和光斑直徑的影響，為碟式旋轉(zhuǎn)拋物面反射收集器的設(shè)計(jì)和安裝提供參考依據(jù)，并在此計(jì)算的基礎(chǔ)上，按照計(jì)算要求委托加工了一面鏡子用于實(shí)驗(yàn)研究。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文選題的目的和意義 太陽能空芯光纖傳輸技術(shù)還不十分成熟，目前只能實(shí)現(xiàn)近距離傳輸。因此，當(dāng)前面臨的重要課題之一是實(shí)現(xiàn)長距離光纖傳輸。其次，在太陽能的光纖直接傳輸中，最不利的因素莫過于光纖的損

18、耗問題，因此研發(fā)適合于太陽能窗口的低損耗光纖或通過某種方式減少光纖損耗是光纖傳輸中亟待解決的問題。 本文以“太陽能傳輸用空芯光纖研究及收集裝置的設(shè)計(jì)”為課題，旨在探索太陽能收集和傳輸?shù)幕驹砗头椒?，設(shè)計(jì)與制作合理的太陽能收集器和空芯光纖，研究影響太陽能收集和傳輸效率的因素，為空芯光纖傳輸太陽能的應(yīng)用提供基本的研究思路和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為其早日在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活等領(lǐng)域中得以應(yīng)用開辟道路。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第章泄漏型空芯光纖的傳輸原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)泄漏型空芯光纖的傳輸原理金屬波導(dǎo)導(dǎo)光原理 利用光傳輸?shù)钠毡殡姶爬碚搧矸治龉饩€在空氣一金屬膜界面上的傳輸特性【】 假設(shè)金屬的復(fù)折射率的實(shí)部和虛部分別為，和七，則： 孔 由電磁波