太陽能傳輸用空芯光纖研究及收集裝置的設計

【摘要】： 本文對大孔徑低損耗傳輸太陽能用PMMA/Ag泄漏型空芯光纖薄膜制備工藝進行了深入的研究,與用于傳輸CO_2激光的空芯光纖不同的是,該空芯光纖傳輸?shù)氖?00—1800nm波長范圍的光,故在膜層厚度設計和材料選擇上就有所區(qū)別。此波段的太陽能能量占太陽輻射能量中的85%以上,通過低損耗空芯光纖將太陽光傳輸?shù)绞覂?nèi)提供照明,即在一定程度解決了能源危機問題,又利于環(huán)保。 通過分析比較,選擇石英玻璃毛細管作為空芯光纖基材,內(nèi)徑為2mm;通過理論計算與薄膜材料的選擇,確定在內(nèi)壁先鍍膜層厚度為0.2μm的高反射率銀膜,再鍍厚度為86nm的PMMA電介質(zhì)層;通過在石英基板上鍍制銀膜和PMMA電介質(zhì)膜來確定薄膜的制備參數(shù),綜合優(yōu)化工藝參數(shù)。在立式光纖鍍膜機上制備空芯光纖的最佳反應條件是反應溫度控制在17℃,蔽光,pH值控制在pH=8～9,還原液中加入少量的硝酸作催化劑,少量的聚乙二醇4000作穩(wěn)定劑,另外,在還原液中加入少量乙醇可減小溶液的表面張力,利于反應的進行,銀絡合離子濃度為0.1mol/L,流量為18ml/min,反應時間定為1～2min;毛細管內(nèi)制備PMMA電介質(zhì)涂層和在基片上的制備工藝差別不大,主要在于流量的控制,通過實驗比較,確定以質(zhì)量比0.4%PMMA丙酮溶液,流量為50 ml/min,鍍制時間為30s。 太陽能收集器是根據(jù)拋物面鏡聚焦的原理設計的,把平行入射的太陽能匯聚成一個點光源,再導入空芯光纖進行傳輸。對高精度太陽能拋物面境收集器進行了結(jié)構(gòu)和光學設計,使它在濃縮度和光斑直徑上與制備好的空芯光纖相匹配。依據(jù)旋轉(zhuǎn)拋物面鏡的收集參數(shù),選擇了口徑為D=250mm,邊緣半角為φ=45°的拋物面鏡,該拋物面鏡核心光斑直徑為1.2mm,太陽光濃縮度為31218;最大收集效率的光斑直徑為2mm,平均太陽光濃縮度15609?？紤]到本設計以收集效率為主,選擇空芯光纖直徑為2mm。通過理論計算確定了平面反射鏡的直徑為15mm,光纖的輸入端與平面鏡的距離h=6.7mm。 利用類似太陽光譜的氙燈光源對制備的PMMA/Ag泄漏型空芯光纖的傳輸性能進行測試和分析,通過測量輸入和輸出的能量,根據(jù)公式可以計算出光纖的直傳和彎曲損耗。把光纖與收集器組裝后,測試整個系統(tǒng)的傳輸效率和損耗,綜合評價該研究設計。 與傳統(tǒng)的太陽能利用裝置相比較,本裝置不需要進行能量轉(zhuǎn)換,因此效率高,結(jié)構(gòu)簡單,可以實現(xiàn)聚焦后太陽能的遠距離高效傳輸。 【關(guān)鍵詞】：空芯光纖 電介質(zhì) 拋物面收集器 濃縮度
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TN253
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 前言9-15
• 1.1 傳輸太陽能用光纖的研究背景9-10
• 1.2 傳能光纖的發(fā)展歷史與空芯光纖研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 傳能光纖的發(fā)展歷史10-12
• 1.2.2 空芯光纖研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 太陽能收集器的研究現(xiàn)狀13-14
• 1.4 選題的目的和意義14-15
• 第2章 泄漏型空芯光纖的傳輸原理與結(jié)構(gòu)設計15-27
• 2.1 泄漏型空芯光纖的傳輸原理15-20
• 2.1.1 金屬波導導光原理15-16
• 2.1.2 電介質(zhì)/金屬型空芯光纖的導光原理16-20
• 2.2 泄漏型空芯光纖的結(jié)構(gòu)設計20-27
• 2.2.1 膜層材料的選擇20-24
• 2.2.2 銀膜厚度的確定24
• 2.2.3 制備泄漏型空芯光纖電介質(zhì)層材料的選擇和膜厚度的確定24-27
• 第3章 空芯光纖的制備27-37
• 3.1 實驗藥品及儀器的準備27-28
• 3.1.1 實驗藥品27-28
• 3.1.2 實驗儀器28
• 3.2 基片及石英毛細管的預處理28-30
• 3.2.1 玻璃基片及石英毛細管的清洗28-29
• 3.2.2 基片的敏化處理29-30
• 3.3 銀膜的制備30-33
• 3.3.1 實驗原理30-31
• 3.3.2 實驗步驟31-32
• 3.3.3 銀膜的清洗和干燥32-33
• 3.4 PMMA電介質(zhì)膜的制備33-37
• 3.4.1 溶劑的選擇34
• 3.4.2 PMMA涂層的制備34-36
• 3.4.3 PMMA涂層的熱處理36-37
• 第4章 膜層性能測試與分析37-50
• 4.1 測試儀器37
• 4.2 銀膜性能測試37-46
• 4.2.1 預處理對銀膜性能的影響37-39
• 4.2.2 反應溫度、光照、pH值、催化劑和穩(wěn)定劑對成膜的影響39-40
• 4.2.3 反應時間的影響40-43
• 4.2.4 反應濃度的影響43-45
• 4.2.5 銀膜在空氣中氧化的影響45
• 4.2.6 毛細管內(nèi)反應物流量的影響45-46
• 4.3 電介質(zhì)膜性能測試46-50
• 4.3.1 提拉速度對膜層的影響46
• 4.3.2 提拉次數(shù)對膜層的影響46-47
• 4.3.3 PMMA濃度對膜層的影響47-48
• 4.3.4 銀空芯波導內(nèi)PMMA薄膜的制備48-50
• 第5章 太陽能收集器的設計與組裝50-56
• 5.1 收集裝置設計原理50
• 5.2 碟式旋轉(zhuǎn)拋物面鏡收集參數(shù)理論計算50-52
• 5.3 平面鏡參數(shù)理論計算52-54
• 5.4 收集器與光纖組裝54-56
• 第6章 空芯光纖傳輸損耗測試與太陽能收集系統(tǒng)性能測試56-61
• 6.1 空芯光纖傳輸損耗測試56-59
• 6.1.1 實驗用光源和儀器56
• 6.1.2 空芯光纖傳輸損耗測試原理56-57
• 6.1.3 空芯光纖傳輸損耗測試結(jié)果57-59
• 6.2 收集系統(tǒng)性能檢測與分析59-60
• 6.2.1 拋物面鏡和平面鏡性能檢測59-60
• 6.2.2 邊緣半角的影響分析60
• 6.3 收集傳輸系統(tǒng)性能測試60-61
• 第7章 結(jié)論61-62
• 參考文獻62-65
• 致謝65-66
• 附錄66

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