一种二次聚光的太阳光光纤耦合器的制作方法

本发明涉及光纤耦合器领域，特别涉及一种二次聚光的太阳光光纤耦合器。

技术背景

随着全球人口增长、环境恶化、能源形势愈加紧张，开发和利用清洁能源已被广泛关注，其中，太阳能以清洁、源源不断、安全等显著优势成为关注的焦点。目前，太阳能室内照明、太阳能热利用转换等技术不断发展，如何提高太阳光光纤耦合效率仍是太阳能应用领域的一大难题。

在太阳能光纤系统中，目前市面上的基于菲涅尔透镜的自动追光装置虽然在太阳能收集方面上有较好的效果，但是在太阳光和光纤的耦合方面的效果不太理想，由于菲涅尔透镜的焦距是固定的，而在光纤的安装过程中，易使光纤的接收面远离焦点，太阳光的热量流失到金属耦合器上，不能保证光纤的收集效率，从而影响最后的聚光效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种二次聚光的太阳光光纤耦合器，各部件之间可拆卸连接，耦合效率高且稳定，便于安装且能降低使用成本，适合推广应用。

本发明的技术方案为：一种二次聚光的太阳光光纤耦合器，其特征在于：包括菲涅尔透镜、复合抛物面聚光器、石英光纤和外壳；所述外壳呈圆台状，其直径大的顶端螺纹连接菲涅尔透镜，直径小的底端固定连接复合抛物面聚光器，所述石英光纤设于复合抛物面聚光器中；所述菲涅尔透镜的直径、外壳的长度以及复合抛物面聚光器的焦距之间的比例为1.5-2：3-5：1。

进一步地，所述复合抛物面聚光器包括槽型抛物面和光耦合系统；所述槽型抛物面内壁为弧形，内置反射层，外壁为圆柱形；所述光耦合系统包括锥形螺母、六角螺母、大螺纹、小螺纹和光纤入口；所述石英光纤从光纤入口插入复合抛物面聚光器中，锥形螺母套入石英光纤，并通过小螺纹配合将石英光纤固定在复合抛物面聚光器上；所述六角螺母配合大螺纹将复合抛物面聚光器固定在外壳直径小的一端。

进一步地，所述外壳底端的直径大于小螺纹外径，小于大螺纹内径。

进一步地，所述复合抛物面聚光器(2)的抛物面参数公式为：

f＝a′(1+sinθ)；

l＝(a+a′)cotθ；

其中，入射面半径a，出射面半径a′，复合抛物面聚光器焦距f，复合抛物面聚光器长度l以及最大接收角θ中的三个即可确定复合抛物面聚光器(2)的形状尺寸。

本发明的有益效果是：

1、通过菲涅尔透镜和复合抛物面聚光器结合进行二次聚光，可获得更高的耦合效率；

2、菲涅尔透镜，复合抛物面聚光器，石英光纤之间可拆卸固定，便于生产和循环利用，并且光耦合效果稳定；

3、本发明的太阳光光纤耦合器具有小型化的特点，生产成本低。

附图说明

图1为本发明所述的二次聚光的太阳光光纤耦合器的结构示意图。

图2为本发明所述的菲涅尔透镜的光路示意图。

图3为本发明所述的复合抛物面聚光器的设计图。

图4为本发明所述的复合抛物面聚光器的剖面图。

附图标记：菲涅尔透镜1，复合抛物面聚光器2,石英光纤3，外壳4，锥形螺母5，六角螺母6，槽型抛物面7，大螺纹8，小螺纹9，光纤入口10。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1和图2所示，本发明的二次聚光的太阳光光纤耦合器，包括菲涅尔透镜1、复合抛物面聚光器2、石英光纤3和外壳4；所述外壳4呈圆台状，其直径大的顶端螺纹连接菲涅尔透镜1，直径小的底端固定连接复合抛物面聚光器2，所述石英光纤3设于复合抛物面聚光器2中；所述菲涅尔透镜1的直径、外壳4的长度以及复合抛物面聚光器2的焦距之间的比例为1.5-2：3-5：1。所述复合抛物面聚光器2包括槽型抛物面7和光耦合系统；所述槽型抛物面7内壁为弧形，内置反射层，外壁为圆柱形；所述光耦合系统包括锥形螺母5、六角螺母6、大螺纹8、小螺纹9和光纤入口10；所述石英光纤3从光纤入口10插入复合抛物面聚光器2中，锥形螺母5套入石英光纤3，并通过小螺纹9配合将石英光纤3固定在复合抛物面聚光器2上；所述六角螺母6配合大螺纹8将复合抛物面聚光器2固定在外壳4直径小的一端。

太阳光经过菲涅尔透镜1进行一次汇聚，汇聚后进入复合抛物面聚光器2，经复合抛物面聚光器2二次聚光后的太阳光照射到石英光纤3上进行光的耦合；

复合抛物面的几何参数设计方法如下：由于复合抛物面截面中的抛物线的轴并不与聚光器的轴平行，因此使用极坐标方程可能会更加精确一些。如图3所示，以抛物线的焦点作为坐标轴的原点o，a为顶点，f为抛物线的焦距。根据抛物线定义，抛物线上有一点b到定点o的距离等于到定直线z＝-2f的距离，设这个距离为r，则有：

整理得：

(1-2)即为抛物线的极坐标方程，则它的直角坐标方程为：

截取抛物线的一段将其作为复合抛物面聚光器的轮廓，如图4所示；将图中抛物线po′段为复合抛物面部分，使其绕z′轴转动一周形成复合抛物面。光线由p-p′面射入，由o-o′面射出，入射面直径为2a，出射面直径为2a′，聚光器长度为l，最大接受角θ。由1-2可得出射面直径2a′为：

整理得：

f＝a′(1+sinθ)(1-5)

再由1-2可得：

将(1-5)带入到1-6中可得：

由简单得几何关系可知：

a+a′＝opsinθ(1-8)

将1-7带入到1-8整理得：

a′＝asinθ(1-9)

复合抛物面聚光器长度为：

显然，复合抛物面的聚光比为：

由上述公式(1-5)(1-10)(1-11)，可知设计参数入射面半径a，出射面半径a′，复合抛物面焦距f，复合抛物面焦距长度l以及最大接收角θ中的三个即可确定整个抛物面聚合器的形状尺寸。

聚光效率是决定传输性能的直接因素。现有的菲涅尔透镜聚光都采用直接耦合的方式，即经过菲涅尔透镜聚光后直接耦合进入光纤，这样的光纤耦合效果不理想，本发明在菲涅尔透镜的自动追光装置的基础上，在菲涅尔透镜内部设置一个复合抛物面聚光器，将菲涅尔透镜所聚集后的光进行二次的聚集，在复合抛物面聚光器的尾部置石英光纤，将二次聚集后的光耦合到石英光纤上，从而避免了普通菲涅尔透镜自动追光装置的耦合程度差等问题，改善了耦合效果，耦合效率稳定、便于安装且能降低使用成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。