树叉形光纤聚光器性能研究

陈刚范+菊香+陈浩宇+周梦丽+高霜+朱海涛

摘 要：为了更好地利用自然光源，实现的自然光的高效汇聚，提出了一种新型的多光纤耦合器件模型。经过多次的改进分析，并运用TracePro软件模拟其聚光效果。结果表明，本设计耦合效率高，且对光的方向不敏感。无论是直射的太阳光，还是环境自然光都能实现良好的聚光效果。

关键词：光纤；自然光；树叉形；聚光器

中图分类号：TK513.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0031-02

1 概述

随着太阳光用于室内照明技术的蓬勃发展，如何降低成本与提高太阳能的耦合效率一直是研究人员的重点。在太阳光用于照明的技术中，尤其是光纤导光室内照明技术具有更深远的发展潜力，此照明方式不存在光电转换技术中太阳电池效率低、成本高以及污染等问题，直接把洁净、健康的太阳光线导入室内进行照明，不仅大大减少了照明能耗，且人足不出户就能沐浴在纯净天然的阳光下，对我们的生活具有深远的意义。

目前大多数光导照明采用光导管导光。由于光导管照明系统体积巨大，安装这些光导管必须与建筑一体设计，对于没有预先设计的建筑，这些系统无法使用。

由于光纤体积小，导光效率高，便于安装，光纤导光照明系统受到了重视，近几年来在照明领域的应用越来越广泛。但是需要与跟踪器、控制器、聚光器以及室内的散光器等各种各样的部件可组装成一套完整的光纤导光照明系统，结构复杂，成本高。

本文主要的研究对象为基于光纤自然光室内照明系统中的聚光系统，设计一种简单，可靠，适应性强的，并能与光纤传输系统匹配的自然光聚光系统。主要要解决的问题包括：

（1）能够不受太阳光线方向变化的影响，即不需要跟踪太阳。

（2）能够与塑料光纤传输系统匹配，耦合效率高。

（3）能够收集环境光，即在阴天或者太阳无法直射时也能使用。

2 设计思想

光纤导光照明系统其聚光器大多采用光学器件，如聚光透镜，菲涅尔透镜，凹面反射镜等将平行太阳汇聚耦合进光纤，这些系统结构复杂，系统对准精度要求高，且必须对太阳跟踪。

鉴于传统聚光器的缺陷，本文设计了如图1的树叉形光纤聚光系统。

其基本思想如图1中的树形图，整棵树都是由塑料光纤构成。树冠上光纤顶端为入光口，树冠上的光汇聚到树枝，树枝上的光再一层层的汇聚到树干，最终达到聚光到一根光纤的效果。由于树冠的数目可以用增加层级的方式成几何级数增长，因此，树冠光纤顶端的的数目可以很大，能够汇聚足够的光。

3 软件模拟

由于系统可以看成由很多层二叉树组合而成，因此，研究单个二叉树的聚光性能，就能反应整体系统的聚光效果。

如图2，为用Tracepro模拟的二叉树形光纤。光纤材料设置为PMMA，半径为1mm；汇聚弯曲处光纤的曲率半径为20mm。

3.1 平行光照射模拟

图3为平行光从左端入射模拟结果。单个入光口的光分布如图3（a）所示，其入射光通量为57.876lx，出光口的光分布如图3（b）所示，其出射光通量为111.6lx；聚光效率为：

若改变入射光的入射角度，其透射射光通量变化如表1所示。

根据表1，得到了图4的聚光效果与入射角度的关系图，由图4不难看出，二叉树聚光系统对太阳光的入射角度不敏感。如果角度偏斜达到35°时，相对垂直入射仍然达到50%。

因此本系统设计，无需太阳跟踪系统，仍可达到良好的聚光效果。此外，在设计时，可让树冠光纤接受端各个分支依据太阳的运转规律，按一定的比例分布在太阳轨道的各个方向上，从而保证一天中聚光效率最高，且实现汇聚光通量相对稳定。

3.2 环境光聚光模拟效果

由于本系统对入射光的入射角度不敏感，因此在阴天或者多云的情况下，太阳无法直射时，周围环境光仍然能够进入光纤实现自然光照明。

环境光在任意面满足朗伯分布。模拟时，在贴近入光口处设置两个朗伯光源。由于环境光各向同性的特点，因此光纤采光口的取向对聚光相率没有影响。

图5为环境光入射模拟结果。单个入光口的光分布如图5（a）所示，其入射光通量为48.945lx，出光口的光分布如图9（b）所示，其出射光通量为66.374 lx；聚光效率为：

结果表明，在没有太阳直射的情况下，本聚光系统仍然有效，且其聚光效率仍然高达67.8%，只要采光光纤口数量足够多，依然能达到很好的聚光效果，实现很好的自然光室内照明。

4 结束语

通过对传统的自然光照明系统的中的聚光系统的分析，本文指出了其局限性，在此基础上提出了树叉形光纤聚光系统的构想，并用TracePro软件进行模拟和分析。模拟结果表面，本文的树叉形光纤聚光器具有很多的优点：（1）不需太阳跟踪系统，队太阳入射角度不敏感，结构简单，性能可靠，成本低。（2）由于光的匯聚是在光纤内部完成的，耦合效率高。（3）由于光纤采光口的数量可以任意多，传输光纤只需一根，因此采光量可以任意多，可以实现高亮度照明。（4）在没有太阳直射的情况下，仍然能实现照明。因此，具有很大的应用潜力。

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