[发明专利]交层空芯传能光纤

说明书

技术领域

本发明涉及太阳光传导光纤。

背景技术

用光纤来传输太阳能，首先要求光纤截面积大，能够让更多的阳光耦合入纤芯；其次要求光纤在太阳光谱范围内传输效率较高、传输损耗低，且能够长时间传输较高的能量，不易变形。然而，目前大多数光纤的数值孔径小，与大光源耦合困难，而且只在某一波长或若干波长下损耗低，即使是光子晶体光纤，其带隙范围也是有限的，所以这些光纤不适合太阳光传输。目前太阳能传导光纤多采用空芯结构，纤芯内壁有高反射金属涂层，这种光纤主要是靠涂层提高内壁的反射率，但价格昂贵，长距离传输光损也很大，一般来讲10米距离的导光率不到30％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于太阳光传输的低损耗、大芯径空芯光纤，可广泛应用于阳光纤导照明、阳光纤导贮能、阳光纤导发电等方面。本发明技术方案以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)管为基材，其特征在于在管内壁交替制镀二氧化钛(TiO₂)层和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层，既先在管壁上制镀一层二氧化钛，再在二氧化钛层上制镀一层聚甲基丙烯酸甲酯，再在聚甲基丙烯酸甲酯层上制镀一层二氧化钛，......，以此类推，最后一层为二氧化钛。

TiO₂/PMMA交替层空芯传能光纤属微结构光纤，导光机理是光在由两种不同材料构成的周期性同心环的包层中进行的布拉格反射，TiO₂折射率为2.4，PMMA折射率为1.48，由于两种材料折射率差较大，且该光纤晶格常数比光波长大，本光纤结构使光谱不再随光波频率呈周期性变化，能克服目前光纤的上述缺点，比较适合太阳光传输，本光纤具有如下优点：1、在阳光连续光谱范围内，其传输损耗仍能保持很低，如模拟具有两个周期包层空芯光纤、就能得到50m传输长度的光能损耗不超过20％的效果；2、光纤截面积大，纤芯直径可为普通光纤的1000倍；3、光纤结构简单，易于规模生产。本光纤的光谱传输特性由高折射率层的厚度和层数决定，如果要求太阳光能长距离传输，可以通过增加包层的层数来减少光损耗。

本发明可用于太阳光传导照明，阳光传导照明可应用于任何需要阳光的空间，如地下建筑，阴面房间，弱采光的大型商场、宾馆、展厅，矿井坑道，地铁通道，公路隧道等等；还可用于保温光照、水产养殖等其它方面。目前，我国照明耗电量占总发电量的15％左右。2010年我国总发电量将达45000亿千瓦小时，而照明耗电将达6750亿度，相当于三峡水利发电工程年发电量(840亿度)的八倍以上。据专家统计白天照明用电占照明用电的50％以上，主要是商业和工业用电。而普及使用阳光纤导照明系统可以节约白天照明用电量50％以上，即相当于每年节省用电1687亿度，减排CO₂1.68亿吨，以每度电人民币0.8元计算，每年可节省电费人民币1350亿元。

本发明长距离、低损耗传输太阳能的技术将大大提高我国太阳能利用水平。我国70％的太阳能资源在西部，通过光纤传能技术将西部丰富的太阳能传输到东部再进行光电、光热等转换利用，这将从根本意义上实现西部能东输，彻底改变我国的能源结构，这对我国能源安全和可持续发展具有重大意义。

附图说明

附图为本发明结构剖面示意图。

图例：1、光纤保护层，2、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)管，3、第一层TiO₂，3、第一层PMMA，5、第二层TiO₂层，6、中空纤芯。

具体实施方式

本实施例给出二氧化钛(TiO₂)层和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层交层空芯光纤，PMMA管外径7mm，按由外向内的顺序第一层为TiO₂层，厚度15um，折射率2.4；第二层为PMMA层，厚度15um，折射率1.48；第三层为TiO₂，层厚度10um，折射率2.4；中空纤芯直径4mm，纤芯折射率n₀＝1.0。光纤涂层制取采用溶胶-凝胶法，整个制备过程在立式光纤镀膜机上完成，通过电脑操作程序控制液体流速和反应温度，确保制备的膜层结构致密、光滑均匀，光学性能良好。所需溶液和清洗液按设计的配合比配制好后，先将管内壁通过酸碱液清洗；以醇基钛酸为原料，用溶胶-凝胶法制取TiO₂膜，将一定比例的钛酸丁脂、无水乙醇和硝酸混合配制成TiO₂溶液，用电磁搅拌器搅拌12小时后，让该溶液通入PMMA管，严格控制反应温度，时间和流速，在PMMA管壁上形成TiO₂膜层。TiO₂膜制备完成后，可直接将配好的PMMA丙酮溶液通入管内，控制流速和时间可以得到光学性能良好的PMMA膜层。重复以上过程可交替制取TiO₂和PMMA膜层。本实施例只设计制取两个TiO₂高反射率膜层，其50m传输长度的光能损耗不超过20％。