一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统及方法与流程

1.本发明涉及一种太阳光集光器，具体涉及一种利用菲涅尔透镜聚光并通过石英玻璃棒导光集光系统及方法及方法。


背景技术：

2.随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求。传统能源主正面临着枯竭的危险；同时燃烧燃料将排出co2及硫的氧化物，会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。因此，急需寻找新能源代替传能源，保护环境；
3.太阳光是一种储量巨大的清洁能源，在聚光发电技术种，需要将分散的太阳光进行会聚，提高光能的密度以大幅提高发电效率或者光热转化的温度。目前常见的碟式、塔式、槽式、菲尼尔式等聚光方式各有利弊，适用的场景和所能达到的效率也有很大差异，对于大规模聚光发电来说，目前还没有特别高效和便捷的方案。
4.菲涅尔透镜由一系列同心圆环组成，每个圆环上有一组透镜片，透镜片的形状类似于圆环的一部分，菲涅尔透镜通过透镜片上特殊的结构使光线进行折射和聚焦，从而实现光学成像或集光的功能，然而，现有技术中由于收集的太阳光位于菲涅尔透镜焦点处，聚焦后采集的高倍数聚集的阳光对设备精密度要求很高，技术难度大，转换效率低，无法实现对光线的全反射传输，不能满足大功率大直径的光线汇集传输，不适于大规模的应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统及方法，采用菲涅尔透镜会聚太阳光，石英玻璃棒为导光元件，以导光溶液和柔性套为柔性导光元件，形成一套导光系统，实现了光的全反射传输，转换效率提高了转换效率，并可实现多套导光系统将光会聚在一处的功能，实现了大功率大直径的光线汇集传输。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，包括，
8.菲涅尔透镜、石英玻璃棒和柔性导光部分，柔性导光部分包括柔性套管和导光液；
9.太阳光通过菲涅尔透镜会聚成光斑后从石英玻璃棒的端面入射，柔性套管的两端分别套在与石英玻璃棒的端部；导光液装在柔性套管与石英玻璃棒形成的空腔中。
10.优选的，所述菲涅尔透镜通过两轴支架安装。
11.优选的，所述石英玻璃棒的外表面喷涂有保护膜层。
12.优选的，所述保护膜层的材质采用光导纤维包层材料。
13.优选的，所述柔性套管采用柔软高分子材料制成，所述柔性套管的折射率低于石英玻璃和导光液的折射率。
14.优选的，所述导光液为无机盐溶液或有机溶液。
15.优选的，所述导光液能传导太阳光谱300纳米-2500纳米的光线。
16.优选的，所述柔性套管与石英玻璃棒的端部通过卡箍方式密封连接。
17.优选的，采用多套独立的菲涅尔透镜石英玻璃导光集光系统进行并联布置，多个菲涅尔透镜同时收集太阳光。
18.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统的集光方法，
19.将太阳光通过菲涅尔透镜进行会聚，会聚为一个光斑后从石英玻璃棒的端面入射，光在石英玻璃棒中通过柔性导光部分将光线传导汇聚在一处，以全反射的形式进行无损柔性传导，从而实现大功率大直径的光线传导。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
21.本发明提供了一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统及方法，采用菲涅尔透镜会聚太阳光，石英玻璃棒为导光元件，柔性套管的两端分别套在与石英玻璃棒的端部；导光液装在柔性套管与石英玻璃棒形成的空腔中，以导光溶液和柔性套为柔性导光元件，利用光的全反射原理，形成一套导光系统，将太阳光通过菲涅尔透镜进行会聚，会聚为一个光斑后从石英玻璃棒的端面入射，光在石英玻璃棒中通过柔性导光部分将光线传导汇聚在一处，以全反射的形式进行无损柔性传导，从而实现大功率大直径的光线传导，菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，具有结构简单，成本低廉，聚光比高的优点。
22.进一步，导光液体可以填充在菲涅尔透镜和石英玻璃棒之间，使光线在元件之间进行传输，并通过折射和反射来实现光的聚光或分布。
23.进一步，本发明石英玻璃棒具有优异的光传输性能，具有高折射率和低散射特性，可以将光线沿着其长度方向传播，而几乎没有光线损失。
24.进一步，本发明可以将多个导光集光系统组合使用，即采用多套独立的菲涅尔透镜石英玻璃导光集光系统进行并联布置，多个菲涅尔透镜同时收集太阳光，利用导光集光系统的柔性导光将多个菲涅尔透镜收集到的光线传导汇聚在一处，照射在一个很小的空间区域上，使得聚光比成倍提高，可实现大规模聚光系统。
附图说明
25.图1为本发明的菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统系统组成示意图；
26.图中：1为菲涅尔透镜、2为石英玻璃棒、3为柔性套管、4为导光液体。
具体实施方式
27.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
29.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，如图1所示，包括，
30.菲涅尔透镜1、石英玻璃棒2和柔性导光部分，柔性导光部分包括柔性套管3和导光液4；
31.太阳光通过菲涅尔透镜1进行会聚成光斑后从石英玻璃棒的端面入射，柔性套管3
的两端分别套在与石英玻璃棒2的端部；导光液4装在柔性套管3与石英玻璃棒2形成的空腔中。
32.菲涅尔透镜1是一种特殊的透镜，具有平面表面，而不是传统的球面形状。它的表面被划分为一系列环形的凸面槽，这些槽被称为菲涅尔环。这种设计使得透镜可以更有效地聚焦光线，减少透镜的厚度和重量。
33.菲涅尔透镜1由一系列同心圆环组成，每个圆环上有一组透镜片，透镜片的形状类似于圆环的一部分。菲涅尔透镜通过透镜片上特殊的结构使光线进行折射和聚焦，从而实现光学成像或集光的功能。
34.石英玻璃棒2是一种石英玻璃制成的透明的棒状材料，通常由纯石英制成，它具有优异的光传输性能，具有高折射率和低散射特性，可以将光线沿着其长度方向传播，而几乎没有光线损失。
35.在本发明的导光集光系统中，光线首先通过菲涅尔透镜1，通过菲涅尔环的反射和折射作用，被聚焦和集中到石英玻璃棒2的一端。然后，石英玻璃棒2将光线导引沿着其长度传播，直到光线达到另一端。这样，光线可以从一个点传输到另一个点，实现光的集光功能。
36.所述菲涅尔透镜2通过两轴支架安装。两轴支架是一种用于支撑和调节光学元件或仪器的装置，通常用于光学实验室、显微镜、望远镜等设备中。它由两个相互垂直的轴构成，可以分别调节垂直和水平方向的位置和角度。
37.两轴支架的基本结构包括以下几个部分：
38.1.底座：提供支撑和稳定性的平台，通常由金属或坚固的材料制成。底座上通常有螺孔或固定接口，以便固定或连接其他光学元件或设备。
39.2.垂直轴：垂直轴与底座相连，并负责控制支架在垂直方向上的移动和旋转。垂直轴上通常带有刻度或标尺，以便进行精确的位置和角度调节。
40.3.水平轴：水平轴位于垂直轴的顶部，与垂直轴垂直交叉，并负责控制支架在水平方向上的移动和旋转。水平轴上也通常带有刻度或标尺，以便进行精确的位置和角度调节，与菲涅尔透镜连接；
41.4.固定手柄：两轴支架通常配备固定手柄，用于锁定或释放垂直轴和水平轴的位置。通过旋转固定手柄，可以固定或调整轴的位置，以保持光学元件的稳定性和精确度。
42.使用两轴支架时，可以通过调节垂直轴和水平轴的位置和角度，实现菲涅尔透镜的精确定位和调整，这样可以确保光线的准确对准、聚焦和定位，以满足特定实验或观测的需求。
43.所述石英玻璃棒2的外表面喷涂有保护膜层。所述保护膜层的材质采用光导纤维包层材料，一般为：硅氧化物是最常用的光纤包层材料，具有良好的光学特性和化学稳定性，聚合物材料可以根据需要具备不同的性能，例如聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯，氟化物材料：氟化物材料具有较低的折射率和吸收率，适用于特定的光学应用。本发明可以根据实际场景的应用，选择合适的光导纤维包层材料；
44.所述柔性套管3采用柔软高分子材料制成，所述柔性套管3的折射率低于石英玻璃棒2和导光液4的折射率。柔性套管3是一种灵活的外包层，通常由塑料或橡胶材料制成，用于保护内部的光学元件或导线。在导光系统中，柔性套管可以用于保护和定位导光导光液、石英玻璃棒等导光元件，同时提供对弯曲和挤压的抗性，例如聚乙烯材质；
45.所述导光液4为无机盐溶液或有机溶液，所述导光液能传导太阳光谱300纳米-2500纳米的光线。导光液体是一种具有高折射率和透明性的液体材料，可以用于光学传输和聚光应用。导光液体可以填充在菲涅尔透镜和石英玻璃棒等光学元件之间，使光线在元件之间进行传输，并通过折射和反射来实现光的聚光或分布。如无机盐溶液或有机溶液等，折射率与石英玻璃折射率接近，以实现光的高效全反射传导。在实用中，柔性部分的弯曲半径不能过小，以满足弯管部分光的全反射条件，光线不发生透射折射而泄漏到导光元件之外为原则。
46.所述柔性套管3与石英玻璃棒2的端部通过卡箍方式密封连接。
47.采用多套独立的菲涅尔透镜石英玻璃导光集光系统进行并联布置，多个菲涅尔透镜1同时收集太阳光。可以利用多个柔性导光部分实现光线的复杂轨迹的传输，另外，将多个导光集光系统组合使用，即采用多套独立的菲涅尔透镜石英玻璃导光集光系统进行并联布置，多个菲涅尔透镜同时收集太阳光，利用导光集光系统的柔性导光将多个菲涅尔透镜收集到的光线传导汇聚在一处，照射在一个很小的空间区域上，使得聚光比成倍提高，可实现大规模聚光系统。
48.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统的集光方法，
49.将太阳光通过菲涅尔透镜1进行会聚，会聚为一个光斑后从石英玻璃棒2的端面入射，光在石英玻璃棒2中通过柔性导光部分将光线传导汇聚在一处，以全反射的形式进行无损柔性传导，从而实现大功率大直径的光线传导。本发明的导光集光系统是利用菲涅尔透镜1、石英玻璃棒2、柔性套管3和导光液4体等组成的光学系统，用于将光线聚焦或分布到特定的区域，这种系统可以在光学通信、光学传感、照明和显示等领域中得到应用。例如，在背光模组中，导光集光系统可以用于将背光源的光线均匀地分布到液晶显示器的整个面板上。
50.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
51.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，包括，菲涅尔透镜(1)、石英玻璃棒(2)和柔性导光部分，所述柔性导光部分包括柔性套管(3)和导光液(4)；太阳光通过菲涅尔透镜(1)会聚成光斑后从石英玻璃棒(2)的端面入射，柔性套管(3)的两端分别套在与石英玻璃棒(2)的端部；导光液(4)装在柔性套管(3)与石英玻璃棒(2)形成的空腔中。2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述菲涅尔透镜(1)通过两轴支架安装。3.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述石英玻璃棒(2)的外表面喷涂有保护膜层。4.根据权利要求3所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述保护膜层的材质采用光导纤维包层材料。5.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述柔性套管(3)采用柔软高分子材料制成，所述柔性套管(3)的折射率低于石英玻璃棒(2)和导光液(4)的折射率。6.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述导光液(4)为无机盐溶液或有机溶液。7.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述导光液(4)能传导太阳光谱300纳米-2500纳米的光线。8.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，所述柔性套管与石英玻璃棒的端部通过卡箍方式密封连接。9.根据权利要求1所述的一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，采用多套独立的菲涅尔透镜石英玻璃导光集光系统进行并联布置，多个菲涅尔透镜(1)同时收集太阳光。10.一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统的集光方法，基于权利要求1-9任一项所述的菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统，其特征在于，将太阳光通过菲涅尔透镜(1)进行会聚，会聚为一个光斑后从石英玻璃棒(2)的端面入射，光在石英玻璃棒(2)中通过柔性导光部分将光线传导汇聚在一处，以全反射的形式进行无损柔性传导，从而实现大功率大直径的光线传导。

技术总结
本发明公开了一种菲涅尔透镜石英玻璃棒导光集光系统及方法，由菲涅尔透镜、石英玻璃棒、柔性套管和导光液组成，太阳光通过菲涅尔透镜进行会聚成光斑后从石英玻璃棒的端面入射，柔性套管的两端分别套在与石英玻璃棒的端部；导光液装在柔性套管与石英玻璃棒形成的空腔中。菲涅尔透镜将光线会聚后，利用石英玻璃棒和导光液的全反射原理进行光的传导，柔性套管和导光液形成一个柔性导光连接部件，实现了光线的柔性传导与大聚光比的聚光。光线的柔性传导与大聚光比的聚光。光线的柔性传导与大聚光比的聚光。


技术研发人员：樊永安 孙超 刘祥 邓安洲 顾正萌 高炜 吴家荣 乔永强 张旭伟
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/13