1、PAGE 基于反射原理(yunl)使背光面獲得太陽光的設(shè)計(jì)摘要(zhiyo)：針對住房(zhfng)陰暗面可獲得太陽光的應(yīng)用要求，提出了一種利用平面鏡反射實(shí)現(xiàn)對陰暗面獲得太陽光的方法。本文首先進(jìn)行了對室內(nèi)獲得太陽光的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)方案是由接受光、放大光、傳輸光、輸出光四個部分組成，本文對這四部分分別進(jìn)行了闡述，在放大光部分采取了望遠(yuǎn)鏡的工作原理。其次進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室模擬放大光，輸出光這兩個部分，并分析了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：可以將太陽光引入到背光面。關(guān)鍵詞：平面鏡；望遠(yuǎn)鏡；反射。 目錄(ml) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326612791 1 引言(

2、ynyn) PAGEREF _Toc326612791 h 1 HYPERLINK l _Toc326612792 1.1 課題(kt)的背景及研究意義 PAGEREF _Toc326612792 h 1 HYPERLINK l _Toc326612793 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和目前存在的問題 PAGEREF _Toc326612793 h 1 HYPERLINK l _Toc326612794 1.2.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc326612794 h 1 HYPERLINK l _Toc326612795 1.2.2 目前存在的問題 PAGEREF _Toc32661

3、2795 h 1 HYPERLINK l _Toc326612796 1.3 課題任務(wù) PAGEREF _Toc326612796 h 1 HYPERLINK l _Toc326612797 2 背光面獲得太陽光的設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc326612797 h 1 HYPERLINK l _Toc326612798 2.1 設(shè)計(jì)總方案 PAGEREF _Toc326612798 h 1 HYPERLINK l _Toc326612799 2.2 接收光的設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc326612799 h 1 HYPERLINK l _Toc326612801 2.3 放大光的設(shè)

4、計(jì)原理 PAGEREF _Toc326612801 h 3 HYPERLINK l _Toc326612802 2.3.1 透鏡的選擇 PAGEREF _Toc326612802 h 3 HYPERLINK l _Toc326612803 2.3.2 放大光原理 PAGEREF _Toc326612803 h 3 HYPERLINK l _Toc326612804 2.3.3 消除紫外線、紅外線原理 PAGEREF _Toc326612804 h 3 HYPERLINK l _Toc326612805 2.4 傳輸光的設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc326612805 h 3 HYPERLI

5、NK l _Toc326612806 2.5 輸出光的設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc326612806 h 4 HYPERLINK l _Toc326612807 2.5.1 輸出光前再次放大光 PAGEREF _Toc326612807 h 4 HYPERLINK l _Toc326612808 2.5.2 光線均勻分布 PAGEREF _Toc326612808 h 4 HYPERLINK l _Toc326612809 3 背光面獲得太陽光的設(shè)計(jì)方案及模擬實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc326612809 h 5 HYPERLINK l _Toc326612810 3.1 接收光的設(shè)計(jì)

6、 PAGEREF _Toc326612810 h 5 HYPERLINK l _Toc326612811 3.1.1 喇叭式鏡面接收光的制作 PAGEREF _Toc326612811 h 5 HYPERLINK l _Toc326612812 3.1.2 喇叭式鏡面的制作工藝 PAGEREF _Toc326612812 h 5 HYPERLINK l _Toc326612813 3.2 放大光的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326612813 h 6 HYPERLINK l _Toc326612814 3.3 傳輸光的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326612814 h 7 HYPERLIN

7、K l _Toc326612815 3.4 輸出光的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc326612815 h 7 HYPERLINK l _Toc326612816 3.5 模擬實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc326612816 h 7 HYPERLINK l _Toc326612817 3.5.1 模擬實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc326612817 h 7 HYPERLINK l _Toc326612818 3.5.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PAGEREF _Toc326612818 h 7 HYPERLINK l _Toc326612819 3.5.3 實(shí)驗(yàn)存在(cnzi)的問題 PAGEREF _T

8、oc326612819 h 7 HYPERLINK l _Toc326612820 3.5.4 解決(jiju)存在的問題 PAGEREF _Toc326612820 h 8 HYPERLINK l _Toc326612821 4 小結(jié)(xioji) PAGEREF _Toc326612821 h 8參考文獻(xiàn)PAGE 111 引言(ynyn)1.1 課題的背景及研究(ynji)意義 身處陰暗面的居民，其室內(nèi)或許一天都見不到太陽(tiyng)，室內(nèi)長期不見陽光務(wù)必會潮濕，甚至?xí)毖芗?xì)菌，如此會影響居民的身體健康，室內(nèi)沒有陽光無形中也會影響居民的身心健康。若太陽光能被引入到陰暗面的居室內(nèi)，不僅能普

9、照潮濕的室內(nèi)空間，殺死細(xì)菌，而且也能帶給人們陽光沐浴下的好心情1。 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和目前存在的問題1.2.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 近幾年，國內(nèi)外對室內(nèi)太陽光采光技術(shù)經(jīng)行了不同層次的研究。國外主要是從住房結(jié)構(gòu)方面獲得太陽光。國內(nèi)通過設(shè)計(jì)將太陽光引入室內(nèi)，山東大學(xué)李建鵬進(jìn)行的太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2，其設(shè)計(jì)用聚光器、太陽跟蹤器將太陽光引入室內(nèi)。由李寶駿等對地下太陽能光導(dǎo)采光的實(shí)驗(yàn)研究3是利用光纖傳光將太陽光引入室內(nèi)進(jìn)行照明。1.2.2 目前存在的問題 前人在進(jìn)行光的傳輸利用的是光纖，其價格昂貴不便于家家戶戶都能使用。本課題是利用玻璃、透鏡和導(dǎo)光管組合對光進(jìn)行反射來傳輸光。李建鵬設(shè)計(jì)的跟蹤

10、系統(tǒng)中用到了電機(jī)、光電池，此方案復(fù)雜且不易操作。本課題是利用玻璃鏡面接受光，不需太陽跟蹤系統(tǒng)。1.3 課題任務(wù)本課題首先對背光面獲得太陽光的原理進(jìn)行了論述，其次根據(jù)實(shí)際對獲得太陽光進(jìn)行設(shè)計(jì)，接著通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后進(jìn)行總結(jié)。2 背光面獲得太陽光的設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)總方案 此方案主要由接收光、放大光、傳輸光、輸出光四部分組成，接下來將詳細(xì)介紹這四個部分的工作原理及實(shí)施方案。2.2 接收(jishu)光的設(shè)計(jì)原理(yunl)接收光的裝置是利用(lyng)喇叭式玻璃鏡面接受光，此裝置是由八塊玻璃作為基地和由八塊玻璃作為頂拼合成一個喇叭樣式的接受系統(tǒng)，拼合完成后在其外層加一層鋁合金作為保護(hù)層，

11、此目的是為了能在室外存放。為了方便安裝，選擇輕量化的反射鏡面，及薄片式的玻璃片。下表1是各種玻璃的反射率。 表1 常用鏡子的反射率鏡子普通玻璃普通鏡子鍍銀玻璃鏡納米鏡子反射率4%左右85%90%95%左右99.9%左右 通過上表各種玻璃的反射率比較，普通玻璃的反射率最低，一般鏡子的反射已達(dá)到85%，經(jīng)過處理的玻璃面在最高可達(dá)99%。雖然納米鏡子的反射率最高近乎全反射，但其價格相比一般鏡子高出數(shù)十倍，且一般鏡子的反射率已經(jīng)達(dá)到將近90%，反射效率已經(jīng)很高了，所以選擇一般平面玻璃鏡作為反射鏡面。 平面鏡的反射面是平面，從幾何的結(jié)構(gòu)上看，它的曲率半徑是無窮大成像光路圖如圖2.1所示。反射光線入射光線

12、物體像圖 2.1 平面鏡成像原理圖 入射光線經(jīng)平面鏡反射后沿如圖反射光線反射，反射光線反向延長線與物體垂直延長線交于像點(diǎn)，物和像關(guān)于平面鏡對稱，平面鏡對物體成完善像，其放大率為： 若物空間為一右手坐標(biāo)系，其物的大小與像相同(xin tn)，但像空間為左手坐標(biāo)系，此物像成不一致(yzh)像，叫“非一致(yzh)像”4 。若物體為一右手坐標(biāo)系，像也為一個右手坐標(biāo)系，此物像成一致像，叫“一致像” 。容易想到，物體經(jīng)過奇數(shù)個平面鏡，成非一致像，經(jīng)過偶數(shù)個平面鏡，成一致像。 由平面鏡成像原理可知要想讓物像成一致像，設(shè)計(jì)時需讓光線經(jīng)過偶數(shù)個平面鏡。2.3 放大光的設(shè)計(jì)原理2.3.1 透鏡的選擇 安裝薄雙凸

13、透鏡的作用：會聚來自由喇叭玻璃鏡面反射來的光。薄透鏡的選擇原因：在透鏡的成像中，如果想透鏡厚度對成像的質(zhì)量和位置影響較小，可以忽略，則選擇薄透鏡。 凸透鏡的選擇原因：凸透鏡為會聚正透鏡，對光束具有會聚作用5，來自喇叭玻璃鏡面反射的太陽光為發(fā)散的光，需要將其會聚起來以便利用，所以選擇凸透鏡。太陽光會聚于焦點(diǎn)后再進(jìn)行光的傳輸。 2.3.2 放大光原理dDF2F1， 圖2.2 放大光原理圖放大率放大光的原理如圖2.2所示，光通過短焦距的透鏡后聚焦到透鏡焦點(diǎn)上，再經(jīng)過長焦距的透鏡后光束截面的半徑將變大，起到了放大的作用。這樣做還有一個作用是起到了準(zhǔn)直的作用，及發(fā)散的太陽光經(jīng)過兩個透再后變?yōu)槠叫泄猓阌?/p>

14、光進(jìn)行傳輸。2.3.3 消除(xioch)紫外線、紅外線原理 太陽光經(jīng)過(jnggu)凸透鏡成像會產(chǎn)生位置色差，如圖2.3所示，由薄透鏡(tujng)的焦距公式凸透鏡像方焦距為介質(zhì)的折射率函數(shù)6，介質(zhì)存在色散波長越大折射率越小。則對于凸薄透鏡，紅外線的像方焦距最大，其次為可見光，紫外線的像方焦距最小。將第二個凸透鏡的焦距調(diào)至可見光區(qū)，則焦點(diǎn)前的紫外線和焦點(diǎn)后的紅外線被排除在外。物點(diǎn)通過薄凸透鏡成像，波長不同成像位置不同，紫外線、可見光、紅外線依次在軸上排序。2.4 傳輸光的設(shè)計(jì)原理 利用導(dǎo)光管進(jìn)行光的傳輸，導(dǎo)光管主要有四種：金屬反射導(dǎo)光管、非金屬反射導(dǎo)光管、透鏡組導(dǎo)光管、棱鏡導(dǎo)光管7，考慮價格

15、及效率本文選用金屬反射導(dǎo)光管 。金屬反射導(dǎo)光管傳輸光的原理：在塑料圓筒內(nèi)鍍上一層具有高反射率金屬涂層，其傳輸光是通過光在塑料管內(nèi)多次反射。 紫外線可見光紅外線 圖2.3 消除紫外線、紅外線原理圖2.5 輸出光的設(shè)計(jì)原理2.5.1 輸出光前再次放大光 此放大光裝置用到冉斯登目鏡成像原理8，此裝置由兩個平凸的透鏡組成這兩平凸透鏡的焦距相等，使其凸面相對，如圖2.4所示。 圖2.4 輸出光再次放大光原理圖其中(qzhng) (為兩平凸透鏡的距離(jl)，為平凸透鏡的焦距(jioj)第二個透鏡的焦平面上，位于整個透鏡組合物方的焦平面上，從玻璃鏡片射來的光束形成的實(shí)像有第一個透鏡折射成虛像，最后太陽光束

16、被放大后照射到無窮遠(yuǎn)處，可以照射到室內(nèi).2.5.2 光線均勻分布從導(dǎo)光管進(jìn)入的光線不完全均勻，本文運(yùn)用凹透鏡制成的漫射器9重新分配光線，凹透鏡具有發(fā)散光的特性可以均勻的分散由導(dǎo)光管傳輸來的光線,光線經(jīng)凹透鏡后分散照射到室內(nèi)。3 背光面獲得太陽光的設(shè)計(jì)方案及模擬實(shí)驗(yàn)3.1 接收光的設(shè)計(jì)3.1.1 喇叭式鏡面接收光的制作切割大小相等的八塊梯形鏡片，將梯形等寬的底同排拼接成喇叭狀，這樣設(shè)計(jì)的目的是無論是早晨還是傍晚都能夠接收到太陽光，如此就能不使用昂貴的太陽光追蹤儀。 在喇叭的中間構(gòu)造一個由玻璃片組成倒三角形，這樣做是為了接收由外側(cè)大喇叭玻璃鏡面反射的光，在此基礎(chǔ)上再反射到喇叭的底部。這樣做還偶一點(diǎn)

17、作用是接收來自太陽照射的光，當(dāng)太陽剛升起或快要落山時，太陽傾斜照射，大喇叭的玻璃片可能會接收不到光而這種倒三角形玻璃鏡面能接收來自斜入射的太陽光。其構(gòu)造形狀如下圖3.1所示。 圖 3.1 喇叭式鏡面接收光構(gòu)造圖3.1.2 喇叭式鏡面的制作(zhzu)工藝 為使太陽光經(jīng)鏡面(jn min)反射(fnsh)后最大程度入射到喇叭內(nèi)，其制作工藝尺寸如圖3.2所示。 圖3.2中取其中為喇叭外側(cè)平面鏡與水平面的夾角，為倒三角平面鏡與水平面的夾角，L為喇叭外側(cè)的尺寸，A為喇叭底端圓形的半徑，B為倒三角的長度。入射光線經(jīng)喇叭外側(cè)反射到倒三角的一條邊上，再反射后入射到喇叭內(nèi)，若太陽光兩次反射后恰好從喇叭外側(cè)最底

18、端出射，則其他入射到外側(cè)的光都會出射到喇叭內(nèi)，這個狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。由反射定律可求得=60，由余弦定理求C,進(jìn)而求A。余弦公式： (3.1)由圖有等式： (3.2)其中 (3.3)由式得圖3.2 喇叭式鏡面圖形及其尺寸AB=30cmCDL=36cmm綜上一種喇叭式鏡面制作工藝(gngy)的尺寸為：外側(cè)鏡面的長度,三角(snjio)的邊長為（）,喇叭(l b)底端圓形的臨界半徑為，制作時取半徑為 (大于臨界半徑)。3.2 放大光的設(shè)計(jì)在煙囪內(nèi)距離煙囪頂端安裝一雙凸透鏡，距離頂端透鏡的距離為兩透鏡距焦距之和，其中頂端的透鏡焦距小于底端的透鏡焦距，如圖3.3所示。圖3.3 放大光透鏡安裝圖陽光通過凸

19、透鏡會產(chǎn)生位置色差，調(diào)整第二個凸透鏡的焦距位置使可見光通過透鏡，焦點(diǎn)前的紫外線與焦點(diǎn)后的紅外線排除在外，進(jìn)入室內(nèi)的光線為經(jīng)過消除有害射線后的太陽光。3.3 傳輸光的設(shè)計(jì)用導(dǎo)光管傳輸光，市場上的導(dǎo)光管有兩種：主動式導(dǎo)光管、被動式導(dǎo)光管。主動式導(dǎo)光管配有采光器10，價格昂貴，本文用被動式導(dǎo)光管進(jìn)行光的傳輸。實(shí)際住房安裝時需要彎曲導(dǎo)光管進(jìn)入室內(nèi)，其內(nèi)部鍍有高反射膜，可以將經(jīng)放大的光傳入室內(nèi)。3.4 輸出光的設(shè)計(jì)在塑料煙囪底端安裝一個可以旋轉(zhuǎn)的平面玻璃鏡片，在反射玻璃鏡片前方安裝一個放大光的裝置，旋轉(zhuǎn)玻璃鏡片后安裝一個漫射器，光經(jīng)重新均勻分配后照射到室內(nèi)，根據(jù)室內(nèi)對太陽光的需要可以旋轉(zhuǎn)平面鏡照射到所需

20、位置。3.5 模擬實(shí)驗(yàn)3.5.1 模擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行(jnxng)背光面獲得太陽光的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖3.4所示，其中兩透鏡的距離為兩透鏡的焦距和。實(shí)驗(yàn)中所用的照明光源(gungyun)為白光替代太陽光，其實(shí)驗(yàn)光路圖如圖，一束白光燈發(fā)出的光照射到反射鏡面上，經(jīng)反射后到達(dá)(dod)透鏡面上，光線在第一個透鏡的焦平面上會聚，再經(jīng)第二個透鏡后光束變?yōu)槠叫泄猓矫婀馐丈涞降诙€平面鏡上，經(jīng)反射后照射到白屏上。 在第一組透鏡后再加一組同樣的透鏡組合，觀察光的變化。圖中兩透鏡的距離。3.5.2 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以在白屏上看到放大的白光，但白光與實(shí)驗(yàn)光源提供的白光有像差、色差，移動透鏡組的第二

21、個凸透鏡又會產(chǎn)生新的色差，若在透鏡后再加一組透鏡，白屏上的白光更明亮。3.5.3 實(shí)驗(yàn)存在的問題實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)儀器是用白光成像的，白光是由各種各樣不同波長單色光組合成的，白光通過光學(xué)系統(tǒng)的成像可以看做是各種不同單色光的成像，單色光的成像存在不同的像差：球差、像散、場曲、慧差和畸變。一般情況下組成光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件的成分存在色散，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件例如實(shí)驗(yàn)中用到的透鏡對于不同波長單色光而言折射率不同，白光透鏡的表面折射后，不同的色光就會被分開，分開后這些不同的色光在頭境內(nèi)以它們各自光路傳播，如此不同色光之間的成像大小和位置會產(chǎn)生差異，即不同波長單色像差存在差異。 白光燈反射平面鏡透鏡f1透鏡f2反

22、射平面鏡白屏f 1f 2 圖3.4 模擬實(shí)驗(yàn)光路圖3.5.4 解決(jiju)存在的問題運(yùn)用雙膠合(jioh)鏡消除像差、色差(s ch)，雙膠合鏡由凸透鏡、凹透鏡膠合而成，凸透鏡的像差、色差為正，凹透鏡的像差、色差為負(fù)，膠合后正負(fù)相消可以消除像差、色差。4 小結(jié)太陽光作為人類生產(chǎn)生活中重要的新型能源，它不僅是人類生長發(fā)育必不可少的因素，而且對人們的身心健康有重要的影響。太陽能作為新型能源在民用方面只是被普遍用于熱水器的運(yùn)用，不被普及的原因主要是因?yàn)槔锰柲艿脑O(shè)備成本較高、效率低，如果能解決這些問題則可以在室內(nèi)采集太陽光方面開辟出新的道理。本文采用的使背光面獲得太陽光的系統(tǒng)加工的工藝相對的簡

23、單，成本較低，效率相對比較高，運(yùn)輸、儲存、維修及安裝都很方便。本文的設(shè)計(jì)工作總結(jié)如下：1) 提出了用喇叭式平面鏡反射接收聚集太陽光 通過對聚光器原理的了解，設(shè)計(jì)用喇叭式平面鏡多方位接受太陽光，其設(shè)計(jì)方法是通過二次反射將太陽光聚集起來。平面鏡反射聚光成本低，二次反射聚光效率高。2) 用透鏡放大原理放大光通過一組透鏡將收集到的發(fā)散的太陽光準(zhǔn)直為平行光并放大了太陽光，這樣的組裝成本較低，易于操作。3）利用導(dǎo)光管傳輸光利用光在導(dǎo)光管內(nèi)(un ni)反射(fnsh)將太陽光引入室內(nèi)。4）模擬實(shí)驗(yàn)只模擬了放大光、輸出光部分，實(shí)際中能否實(shí)現(xiàn)(shxin)尚需驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn)1 陳新東，鄭立功，羅霄，張學(xué)軍.

24、校正低階像差的9點(diǎn)促動變形鏡設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)J.光學(xué)學(xué)報，2012（3）.2 李建鵬.太陽光室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.光學(xué)學(xué)報，2012（4）.3 李寶駿，曹文濟(jì)， 王巧玉，劉曉晰， 穆存運(yùn)，楊世龍。地下建筑太陽能光導(dǎo)采光的實(shí)驗(yàn)研究J.太陽能學(xué)報，1993（1）.4 石順祥，王學(xué)恩，劉勁松.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)M.2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.8(2009.7重印).5 Jenkins F A,While H E.Fundamentals of Optics.4th ed.New York:McGraw Hill ,Inc.,1976.6 Nelson D F.Electric,Optic,& Acoustic Interactions in Dielectrics.New York:John Wiley & Sons , 1979.7 王群.導(dǎo)光管系統(tǒng)的應(yīng)用與展望J.光學(xué)學(xué)報，2012.7.8 王建平，張磊.兩次反射的多鏡面太陽能聚光器設(shè)計(jì)方法探討J.能源技術(shù)，2009(3).9 王建華.太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理J.農(nóng)村電氣化，2003(10).10 王建平，楊金付,徐曉冰.多面鏡聚光型太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)