1、PAGE 基于反射原理(yunl)使背光面獲得太陽光的設計摘要(zhiyo)：針對住房(zhfng)陰暗面可獲得太陽光的應用要求，提出了一種利用平面鏡反射實現對陰暗面獲得太陽光的方法。本文首先進行了對室內獲得太陽光的設計，此設計方案是由接受光、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行了闡述，在放大光部分采取了望遠鏡的工作原理。其次進行了模擬實驗，在實驗室模擬放大光，輸出光這兩個部分，并分析了其實驗結果。結果表明：可以將太陽光引入到背光面。關鍵詞：平面鏡；望遠鏡；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 國內外的研究現狀和目前存在的問題 PAGEREF _Toc326612793 h 1 HYPERLINK l _Toc326612794 1.2.1 國內外的研究現狀 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 PAGEREF _Toc326612796 h 1 HYPERLINK l _Toc326612797 2 背光面獲得太陽光的設計方案 PAGEREF _Toc326612797 h 1 HYPERLINK l _Toc326612798 2.1 設計總方案 PAGEREF _Toc326612798 h 1 HYPERLINK l _Toc326612799 2.2 接收光的設計原理 PAGEREF _Toc326612799 h 1 HYPERLINK l _Toc326612801 2.3 放大光的設

4、計原理 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 傳輸光的設計原理 PAGEREF _Toc326612805 h 3 HYPERLI

5、NK l _Toc326612806 2.5 輸出光的設計原理 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計方案及模擬實驗 PAGEREF _Toc326612809 h 5 HYPERLINK l _Toc326612810 3.1 接收光的設計

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 放大光的設計 PAGEREF _Toc326612813 h 6 HYPERLINK l _Toc326612814 3.3 傳輸光的設計 PAGEREF _Toc326612814 h 7 HYPERLIN

7、K l _Toc326612815 3.4 輸出光的設計 PAGEREF _Toc326612815 h 7 HYPERLINK l _Toc326612816 3.5 模擬實驗 PAGEREF _Toc326612816 h 7 HYPERLINK l _Toc326612817 3.5.1 模擬實驗 PAGEREF _Toc326612817 h 7 HYPERLINK l _Toc326612818 3.5.2 模擬實驗結果 PAGEREF _Toc326612818 h 7 HYPERLINK l _Toc326612819 3.5.3 實驗存在(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(xioji) PAGEREF _Toc326612821 h 8參考文獻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，其室內或許一天都見不到太陽(tiyng)，室內長期不見陽光務必會潮濕，甚至會繁衍細菌，如此會影響居民的身體健康，室內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，不僅能普

9、照潮濕的室內空間，殺死細菌，而且也能帶給人們陽光沐浴下的好心情1。 1.2 國內外的研究現狀和目前存在的問題1.2.1 國內外的研究現狀 近幾年，國內外對室內太陽光采光技術經行了不同層次的研究。國外主要是從住房結構方面獲得太陽光。國內通過設計將太陽光引入室內，山東大學李建鵬進行的太陽光室內照明系統的設計2，其設計用聚光器、太陽跟蹤器將太陽光引入室內。由李寶駿等對地下太陽能光導采光的實驗研究3是利用光纖傳光將太陽光引入室內進行照明。1.2.2 目前存在的問題 前人在進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、透鏡和導光管組合對光進行反射來傳輸光。李建鵬設計的跟蹤

10、系統中用到了電機、光電池，此方案復雜且不易操作。本課題是利用玻璃鏡面接受光，不需太陽跟蹤系統。1.3 課題任務本課題首先對背光面獲得太陽光的原理進行了論述，其次根據實際對獲得太陽光進行設計，接著通過模擬實驗進行驗證，最后進行總結。2 背光面獲得太陽光的設計方案2.1 設計總方案 此方案主要由接收光、放大光、傳輸光、輸出光四部分組成，接下來將詳細介紹這四個部分的工作原理及實施方案。2.2 接收(jishu)光的設計原理(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，拼合完成后在其外層加一層鋁合金作為保護層，

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到85%，經過處理的玻璃面在最高可達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十倍，且一般鏡子的反射率已經達到將近90%，反射效率已經很高了，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，從幾何的結構上看，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，物和像關于平面鏡對稱，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系，其物的大小與像相同(xin tn)，但像空間為左手坐標系，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系，像也為一個右手坐標系，此物像成一致像，叫“一致像” 。容易想到，物體經過奇數個平面鏡，成非一致像，經過偶數個平面鏡，成一致像。 由平面鏡成像原理可知要想讓物像成一致像，設計時需讓光線經過偶數個平面鏡。2.3 放大光的設計原理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。太陽光會聚于焦點后再進行光的傳輸。 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上，再經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直的作用，及發散的太陽光經過兩個透再后變為平行光，便于

14、光進行傳輸。2.3.3 消除(xioch)紫外線、紅外線原理 太陽光經過(jnggu)凸透鏡成像會產生位置色差，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的折射率函數6，介質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至可見光區，則焦點前的紫外線和焦點后的紅外線被排除在外。物點通過薄凸透鏡成像，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 傳輸光的設計原理 利用導光管進行光的傳輸，導光管主要有四種：金屬反射導光管、非金屬反射導光管、透鏡組導光管、棱鏡導光管7，考慮價格

15、及效率本文選用金屬反射導光管 。金屬反射導光管傳輸光的原理：在塑料圓筒內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 輸出光的設計原理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處，可以照射到室內.2.5.2 光線均勻分布從導光管進入的光線不完全均勻，本文運用凹透鏡制成的漫射器9重新分配光線，凹透鏡具有發散光的特性可以均勻的分散由導光管傳輸來的光線,光線經凹透鏡后分散照射到室內。3 背光面獲得太陽光的設計方案及模擬實驗3.1 接收光的設計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，這樣設計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。 在喇叭的中間構造一個由玻璃片組成倒三角形，這樣做是為了接收由外側大喇叭玻璃鏡面反射的光，在此基礎上再反射到喇叭的底部。這樣做還偶一點

17、作用是接收來自太陽照射的光，當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。其構造形狀如下圖3.1所示。 圖 3.1 喇叭式鏡面接收光構造圖3.1.2 喇叭式鏡面的制作(zhzu)工藝 為使太陽光經鏡面(jn min)反射(fnsh)后最大程度入射到喇叭內，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。入射光線經喇叭外側反射到倒三角的一條邊上，再反射后入射到喇叭內，若太陽光兩次反射后恰好從喇叭外側最底

18、端出射，則其他入射到外側的光都會出射到喇叭內，這個狀態稱為臨界狀態。由反射定律可求得=60，由余弦定理求C,進而求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 放大光的設計在煙囪內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、透鏡會產生位置色差，調整第二個凸透鏡的焦距位置使可見光通過透鏡，焦點前的紫外線與焦點后的紅外線排除在外，進入室內的光線為經過消除有害射線后的太陽光。3.3 傳輸光的設計用導光管傳輸光，市場上的導光管有兩種：主動式導光管、被動式導光管。主動式導光管配有采光器10，價格昂貴，本文用被動式導光管進行光的傳輸。實際住房安裝時需要彎曲導光管進入室內，其內部鍍有高反射膜，可以將經放大的光傳入室內。3.4 輸出光的設計在塑料煙囪底端安裝一個可以旋轉的平面玻璃鏡片，在反射玻璃鏡片前方安裝一個放大光的裝置，旋轉玻璃鏡片后安裝一個漫射器，光經重新均勻分配后照射到室內，根據室內對太陽光的需要可以旋轉平面鏡照射到所需

20、位置。3.5 模擬實驗3.5.1 模擬實驗在實驗室進行(jnxng)背光面獲得太陽光的模擬實驗，實驗光路圖如圖3.4所示，其中兩透鏡的距離為兩透鏡的焦距和。實驗中所用的照明光源(gungyun)為白光替代太陽光，其實驗光路圖如圖，一束白光燈發出的光照射到反射鏡面上，經反射后到達(dod)透鏡面上，光線在第一個透鏡的焦平面上會聚，再經第二個透鏡后光束變為平行光，平面光束照射到第二個平面鏡上，經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 模擬實驗結果經實驗可以在白屏上看到放大的白光，但白光與實驗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 實驗存在的問題實驗中的光學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，白光通過光學系統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系統的光學元件的成分存在色散，光學系統的光學元件例如實驗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 模擬實驗光路圖3.5.4 解決(jiju)存在的問題運用雙膠合(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，膠合后正負相消可以消除像差、色差。4 小結太陽光作為人類生產生活中重要的新型能源，它不僅是人類生長發育必不可少的因素，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用，不被普及的原因主要是因為利用太陽能的設備成本較高、效率低，如果能解決這些問題則可以在室內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加工的工藝相對的簡

23、單，成本較低，效率相對比較高，運輸、儲存、維修及安裝都很方便。本文的設計工作總結如下：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，設計用喇叭式平面鏡多方位接受太陽光，其設計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散的太陽光準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）利用導光管傳輸光利用光在導光管內(un ni)反射(fnsh)將太陽光引入室內。4）模擬實驗只模擬了放大光、輸出光部分，實際中能否實現(shxin)尚需驗證。 參考文獻1 陳新東，鄭立功，羅霄，張學軍.

24、校正低階像差的9點促動變形鏡設計與實驗J.光學學報，2012（3）.2 李建鵬.太陽光室內照明系統的設計J.光學學報，2012（4）.3 李寶駿，曹文濟， 王巧玉，劉曉晰， 穆存運，楊世龍。地下建筑太陽能光導采光的實驗研究J.太陽能學報，1993（1）.4 石順祥，王學恩，劉勁松.物理光學與應用光學M.2版.西安：西安電子科技大學出版社，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.導光管系統的應用與展望J.光學學報，2012.7.8 王建平，張磊.兩次反射的多鏡面太陽能聚光器設計方法探討J.能源技術，2009(3).9 王建華.太陽能發電系統的結構和工作原理J.農村電氣化，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設計