太阳能传输用空芯光纤研究及收集装置的设计

【摘要】： 本文对大孔径低损耗传输太阳能用PMMA/Ag泄漏型空芯光纤薄膜制备工艺进行了深入的研究,与用于传输CO_2激光的空芯光纤不同的是,该空芯光纤传输的是300—1800nm波长范围的光,故在膜层厚度设计和材料选择上就有所区别。此波段的太阳能能量占太阳辐射能量中的85%以上,通过低损耗空芯光纤将太阳光传输到室内提供照明,即在一定程度解决了能源危机问题,又利于环保。 通过分析比较,选择石英玻璃毛细管作为空芯光纤基材,内径为2mm;通过理论计算与薄膜材料的选择,确定在内壁先镀膜层厚度为0.2μm的高反射率银膜,再镀厚度为86nm的PMMA电介质层;通过在石英基板上镀制银膜和PMMA电介质膜来确定薄膜的制备参数,综合优化工艺参数。在立式光纤镀膜机上制备空芯光纤的最佳反应条件是反应温度控制在17℃,蔽光,pH值控制在pH=8～9,还原液中加入少量的硝酸作催化剂,少量的聚乙二醇4000作稳定剂,另外,在还原液中加入少量乙醇可减小溶液的表面张力,利于反应的进行,银络合离子浓度为0.1mol/L,流量为18ml/min,反应时间定为1～2min;毛细管内制备PMMA电介质涂层和在基片上的制备工艺差别不大,主要在于流量的控制,通过实验比较,确定以质量比0.4%PMMA丙酮溶液,流量为50 ml/min,镀制时间为30s。 太阳能收集器是根据抛物面镜聚焦的原理设计的,把平行入射的太阳能汇聚成一个点光源,再导入空芯光纤进行传输。对高精度太阳能抛物面境收集器进行了结构和光学设计,使它在浓缩度和光斑直径上与制备好的空芯光纤相匹配。依据旋转抛物面镜的收集参数,选择了口径为D=250mm,边缘半角为φ=45°的抛物面镜,该抛物面镜核心光斑直径为1.2mm,太阳光浓缩度为31218;最大收集效率的光斑直径为2mm,平均太阳光浓缩度15609。考虑到本设计以收集效率为主,选择空芯光纤直径为2mm。通过理论计算确定了平面反射镜的直径为15mm,光纤的输入端与平面镜的距离h=6.7mm。 利用类似太阳光谱的氙灯光源对制备的PMMA/Ag泄漏型空芯光纤的传输性能进行测试和分析,通过测量输入和输出的能量,根据公式可以计算出光纤的直传和弯曲损耗。把光纤与收集器组装后,测试整个系统的传输效率和损耗,综合评价该研究设计。 与传统的太阳能利用装置相比较,本装置不需要进行能量转换,因此效率高,结构简单,可以实现聚焦后太阳能的远距离高效传输。 【关键词】：空芯光纤 电介质 抛物面收集器 浓缩度
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 前言9-15
• 1.1 传输太阳能用光纤的研究背景9-10
• 1.2 传能光纤的发展历史与空芯光纤研究现状10-13
• 1.2.1 传能光纤的发展历史10-12
• 1.2.2 空芯光纤研究现状12-13
• 1.3 太阳能收集器的研究现状13-14
• 1.4 选题的目的和意义14-15
• 第2章 泄漏型空芯光纤的传输原理与结构设计15-27
• 2.1 泄漏型空芯光纤的传输原理15-20
• 2.1.1 金属波导导光原理15-16
• 2.1.2 电介质/金属型空芯光纤的导光原理16-20
• 2.2 泄漏型空芯光纤的结构设计20-27
• 2.2.1 膜层材料的选择20-24
• 2.2.2 银膜厚度的确定24
• 2.2.3 制备泄漏型空芯光纤电介质层材料的选择和膜厚度的确定24-27
• 第3章 空芯光纤的制备27-37
• 3.1 实验药品及仪器的准备27-28
• 3.1.1 实验药品27-28
• 3.1.2 实验仪器28
• 3.2 基片及石英毛细管的预处理28-30
• 3.2.1 玻璃基片及石英毛细管的清洗28-29
• 3.2.2 基片的敏化处理29-30
• 3.3 银膜的制备30-33
• 3.3.1 实验原理30-31
• 3.3.2 实验步骤31-32
• 3.3.3 银膜的清洗和干燥32-33
• 3.4 PMMA电介质膜的制备33-37
• 3.4.1 溶剂的选择34
• 3.4.2 PMMA涂层的制备34-36
• 3.4.3 PMMA涂层的热处理36-37
• 第4章 膜层性能测试与分析37-50
• 4.1 测试仪器37
• 4.2 银膜性能测试37-46
• 4.2.1 预处理对银膜性能的影响37-39
• 4.2.2 反应温度、光照、pH值、催化剂和稳定剂对成膜的影响39-40
• 4.2.3 反应时间的影响40-43
• 4.2.4 反应浓度的影响43-45
• 4.2.5 银膜在空气中氧化的影响45
• 4.2.6 毛细管内反应物流量的影响45-46
• 4.3 电介质膜性能测试46-50
• 4.3.1 提拉速度对膜层的影响46
• 4.3.2 提拉次数对膜层的影响46-47
• 4.3.3 PMMA浓度对膜层的影响47-48
• 4.3.4 银空芯波导内PMMA薄膜的制备48-50
• 第5章 太阳能收集器的设计与组装50-56
• 5.1 收集装置设计原理50
• 5.2 碟式旋转抛物面镜收集参数理论计算50-52
• 5.3 平面镜参数理论计算52-54
• 5.4 收集器与光纤组装54-56
• 第6章 空芯光纤传输损耗测试与太阳能收集系统性能测试56-61
• 6.1 空芯光纤传输损耗测试56-59
• 6.1.1 实验用光源和仪器56
• 6.1.2 空芯光纤传输损耗测试原理56-57
• 6.1.3 空芯光纤传输损耗测试结果57-59
• 6.2 收集系统性能检测与分析59-60
• 6.2.1 抛物面镜和平面镜性能检测59-60
• 6.2.2 边缘半角的影响分析60
• 6.3 收集传输系统性能测试60-61
• 第7章 结论61-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66
• 附录66

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