基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能利用技术领域，涉及一种基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器。
【背景技术】
[0002]传统用于太阳光照明的阳光采集器的直射式或反射式用于光导管的阳光采集器和透射式用于光纤照明的阳光采集器。
[0003]其中用于光导管的阳光采集器的基本原理是光以直射或反射形式射入光导管，之后在光导管内以全反射形式将太阳光传输至需要照明的区域。这种阳光采集器结构简单，但在后续的光传输中由于光衰减过大，往往只能用于传输距离很近的区域，如地下车库或庭院等。
[0004]就用于太阳光光纤照明系统的阳光采集器而言，目前，采集器内的采光器件或是采用普通透镜，或是采用菲涅尔透镜。由于受到几何光学物像共扼关系的限制，如果要采用大口径的普通透镜，势必造成透镜厚度很厚，且焦距很大，对应的阳光采集器在结构上非常笨重，无法推广应用，但如果采用小口径的普通透镜，又无法保证足够的光通量。为避免这个弊端，目前与太阳光光纤照明系统对应的阳光采集器的光学部件往往采用菲涅尔透镜，可以增大采光部件的尺寸，并且保证结构较为轻薄。因此，目前国内外类似于“向日葵”结构的阳光采集器所采用的采光部件90%以上均采用菲涅尔透镜。
[0005]尽管菲涅尔透镜可以保证极大的采光面积，且结构比较轻薄，但由于受到菲涅尔透镜的结构原理及加工工艺限制，使得菲涅尔透镜的光学聚焦是一个多焦点系统，如图1所示，在目前工艺条件下，主焦点处的光通量不到所收集到的光能量的一半，太阳光能浪费严重，在某些光通量要求稍高的照明领域，该系统由于光能不足根本无法达到规定的照明要求；另一方面，目前阳光采集器的采光结构没有任何散热或隔热措施，使得焦点处汇聚了极大的热能，这部分热能由于没有及时散热，在系统的太阳光耦合端或出射端由于热能过于集中，容易导致系统的性能变差或寿命缩短，更严重的会导致仪器损坏或存在安全隐患。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，增大了采光面积，提高了透镜的光利用率，并同时减小透射出系统的热能。
[0007]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，包括阳光采集器件，所述阳光采集器件包括自由曲面透镜，带通滤光膜，遮光罩，固定罩，光纤；所述自由曲面透镜根据光学追踪原理设计，确保高光学聚焦率；所述自由曲面透镜一面镀有带通滤光膜，自由曲面透镜镀有带通滤光膜的这面与遮光罩活动连接，遮光罩用于保护带通滤光膜及自由曲面透镜，自由曲面透镜的另一面与固定罩连接，固定罩的另一端与光纤连接；太阳光透射过遮光罩，经带通滤光膜滤光后，再经自由曲面透镜聚集，最后汇聚于光纤处。
[0009]进一步，所述固定罩为圆锥形状。
[0010]进一步，所述圆锥固定罩的顶点处设置有光纤孔，光纤固定在圆锥的顶点处。
[0011]进一步，所述自由曲面透镜固定在圆锥固定罩的底面，固定罩的底面位于自由曲面透镜的焦平面，所述光纤孔与自由曲面透镜的焦点在同一水平线上，光纤的入射端位于自由曲面透镜的焦点处。
[0012]进一步，所述带通滤光膜用于滤除红外光和紫外光。
[0013]进一步，所述遮光罩为球面形状。
[0014]进一步，所述阳光采集器包括多个阳光采集器件。
[0015]本发明的有益效果在于:本发明提供的一种基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，采用根据光学追踪原理设计的自由曲面采光透镜，增大采光面积，提高了太阳光聚焦效果，同时提高光能利用率，提高光能利用率至80%以上，以扩大太阳光光纤照明系统的照明应用领域，实现太阳光能的最大利用率；根据带通膜系设计原理滤除太阳光中的红外和紫外光，可减少由于红外光的透射使耦合处及出射处的温度达50%以上，保证系统的稳定性和安全性。
【附图说明】
[0016]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0017]图1为菲涅尔透镜的聚集效果；
[0018]图2为阳光采集器件结构图；
[0019]图3为阳光采集器框架图；
[0020]图4为阳光采集器结构图；
[0021]图5为自由曲面透镜结构及光线会聚效果图；
[0022]其中，图2中的I为自由曲面透镜，2为带通滤光膜，3为遮光罩，4为固定罩，5为光纤孔，6为光纤。
【具体实施方式】
[0023]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0024]本发明提供的一种基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器如图3和图4所示，包含有多个阳光采集器件，阳关采集器件的结构如图2所示，包括自由曲面透镜1，带通滤光膜2，遮光罩3，固定罩4，光纤孔5，光纤6 ;自由曲面透镜根据光学追踪原理设计，确保高光学聚焦率；自由曲面透镜的一面镀有带通滤光膜，用于滤除红外光和紫外光；自由曲面透镜镀有带通滤光膜的这面与遮光罩活动连接，遮光罩为球面形状，用于保护带通滤光膜及自由曲面透镜；自由曲面透镜的另一面与固定罩连接，固定罩的另一端再与光纤连接；固定罩可以为圆锥形状，顶点处设置有光纤孔，光纤固定在圆锥的顶点处；自由曲面透镜固定在圆锥固定罩的底面，固定罩的底面位于自由曲面透镜的焦平面，所述光纤孔位于自由曲面透镜的焦点在同一水平线上，光纤的入射端位于自由曲面透镜的焦点处。
[0025]透射过遮光罩的太阳光经由自由曲面透镜上表面带通滤光膜滤波后，滤除红外光和紫外光，只保留可见光透射过自由曲面透镜，经自由曲面透镜高效聚集后，光能会聚于位于固定罩底部光纤孔所在位置的焦点处，由于滤除了红外光，焦点处可见光所携带的热量大幅降低，并且由于自由曲面透镜的高效汇聚效果，焦点处的可见光能与透射进入系统的可见光相比，仍保持在85%以上的水平。高能量的可见光经由穿过光纤孔的光纤将可见光引至需要照明的区域。
[0026]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:包括阳光采集器件，所述阳光采集器件包括自由曲面透镜，带通滤光膜，遮光罩，固定罩，光纤；所述自由曲面透镜的一面镀有带通滤光膜，自由曲面透镜镀有带通滤光膜的这面与遮光罩活动连接，遮光罩用于保护带通滤光膜及自由曲面透镜，自由曲面透镜的另一面与固定罩连接，固定罩的另一端与光纤连接；太阳光透射过遮光罩，经带通滤光膜滤光后，再经自由曲面透镜聚集，最后汇聚于光纤处。2.根据权利要求1所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述固定罩为圆锥形状。3.根据权利要求2所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述圆锥固定罩的顶点处设置有光纤孔，光纤固定在圆锥的顶点处。4.根据权利要求3所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述自由曲面透镜固定在圆锥固定罩的底面，固定罩的底面位于自由曲面透镜的焦平面，所述光纤孔与自由曲面透镜的焦点在同一水平线上，光纤的入射端位于自由曲面透镜的焦点处。5.根据权利要求1所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述带通滤光膜用于滤除红外光和紫外光。6.根据权利要求1所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述遮光罩为球面形状。7.根据权利要求1所述的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，其特征在于:所述阳光采集器包括多个阳光采集器件。
【专利摘要】本发明涉及一种基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，属于太阳能利用技术领域。该阳光采集器包含多个采样采集器件，阳光采集器件包括自由曲面透镜，带通滤光膜，遮光罩，固定罩，光纤；所述自由曲面透镜的一面镀有带通滤光膜，自由曲面透镜镀有带通滤光膜的这面与遮光罩活动连接，遮光罩用于保护带通滤光膜及自由曲面透镜，自由曲面透镜的另一面与固定罩连接，固定罩再与光纤连接；太阳光透射过遮光罩，经带通滤光膜滤光后，再经自由曲面透镜聚集，最后汇聚于光纤处。本发明提供的基于自由曲面结构的滤波型阳光采集器，增大了采光面积，提高了太阳光聚焦效果和光利用率，减小了透射出系统的热能，经过该阳光采集器的太阳光满足高光能、低热能的条件。
【IPC分类】F21S11/00, F21V9/06, F21V8/00, F21V1/00, F21V9/04, F21V5/04
【公开号】CN105042503
【申请号】CN201510508208
【发明人】史玲娜, 涂耘, 王小军, 杨少晨, 陈晓利, 陈大飞
【申请人】招商局重庆交通科研设计院有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月18日