太陽(yáng)光直接利用的研究與實(shí)踐

摘 要：文章敘述了太陽(yáng)能利用的三種方式，指出了光纖導(dǎo)光的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種玻璃管或者玻璃柱材料的廉價(jià)、大光通量光導(dǎo)管，并做了實(shí)驗(yàn)，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)大房間需要補(bǔ)光的問題，還設(shè)計(jì)了另一款太陽(yáng)光直接利用的裝置，在太陽(yáng)能直接利用方面做了探討。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；利用；方式

引言

為了促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，我國(guó)于2009年12月26日發(fā)布了《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，國(guó)家鼓勵(lì)和支持可再生能源的生產(chǎn)和利用。太陽(yáng)光作為重要的可再生能源，越來越受到人們的重視，太陽(yáng)能的利用方法越來越多。

太陽(yáng)能的利用方式主要分為光熱利用、光電利用、光直接利用。

（1）在太陽(yáng)能的光熱利用方面，開發(fā)最早，利用最普及。其工作原理是將太陽(yáng)光收集起來，轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。目前使用最多的是太陽(yáng)能熱水器，近5年來以每年30%-35%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2015年，全國(guó)住宅用太陽(yáng)熱水器將達(dá)到2.32億平方米，行業(yè)產(chǎn)值超過1000多億元。

（2）在太陽(yáng)能的光電利用方面，主要有兩種：第一種，光-熱-電轉(zhuǎn)換。通過太陽(yáng)能集熱器將熱能轉(zhuǎn)換為蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動(dòng)氣輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這種發(fā)電適用于大型的太陽(yáng)能聚光鏡場(chǎng)使用。第二種，光伏發(fā)電。通過太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體材料上產(chǎn)生電能，自從1980年以后，政府加大了對(duì)光伏發(fā)電的支持力度，在2002年至2010年，中國(guó)光伏裝機(jī)容量從20.3MW增加到500MW，到2012年底，中國(guó)光伏發(fā)電容量己經(jīng)達(dá)到了7982.68MW，截至2013年上半年，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)建設(shè)容量己經(jīng)達(dá)到10.77GW，其中大型光伏電站5.49GW，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)5.28GW。

（3）在太陽(yáng)光的直接利用方面，因?yàn)橛性S多空間需要照明，可以直接將用之不竭的太陽(yáng)光導(dǎo)入，例如地下室，大型商場(chǎng)的背陰面等等。這種照明系統(tǒng)均是由聚光裝置、導(dǎo)光光纖和光輸出裝置三部分組成。淘寶上有杭州艾特森公司產(chǎn)品，約12平方米房間照明，每套3.2萬(wàn)。從產(chǎn)品價(jià)格、使用面積來看，市場(chǎng)上的產(chǎn)品性價(jià)比很低，應(yīng)用難以普及。

文章就太陽(yáng)光直接的傳導(dǎo)及應(yīng)用做了初步的探究。

1 一種太陽(yáng)光傳導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)

光纖的直徑很細(xì)，約1mm左右，傳導(dǎo)光強(qiáng)度不高，大面積的太陽(yáng)光強(qiáng)度大，需要多路光纖傳播，這就加大了太陽(yáng)光傳導(dǎo)系統(tǒng)的成本。找一種粗的透光材料，來代替多路光纖。傳播太陽(yáng)光傳導(dǎo)管的介質(zhì)，分別使用了三種材料：透明亞克力板、透明KT板、玻璃。前兩種的硬度、分子密度偏低，折射率較小，相比而言，玻璃的折射率要高。因?yàn)檎凵渎试礁?，越容易產(chǎn)生全反射。普通光纖就是玻璃這種材料容易制作的，工藝簡(jiǎn)單，直接高溫加熱拉成絲，外加包層就行了。將玻璃管內(nèi)部加上透明液體，這種透明液體選用的是純水，為了增加折射率，防止冬天凍壞，在純水添加了氯化鈉。實(shí)驗(yàn)將一束光線射入該管，分別測(cè)出射入前后的光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表1。

表1 太陽(yáng)能光導(dǎo)管實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)可知，這種光導(dǎo)管是可行的。如果將光導(dǎo)管用透明度高的化工材料做成可以彎曲的。因?yàn)楣饩€僅在光密媒質(zhì)中進(jìn)行全反射，如果將外表面鍍上一層折射率低的透明材料，可以防塵。

2 太陽(yáng)光傳導(dǎo)窗簾

在一個(gè)大的房間，局部的太陽(yáng)光需要補(bǔ)充，例如：在容納200人左右的大的教室，在北方的冬季，靠近窗戶的同學(xué)由于太陽(yáng)光照到課本上刺眼不得不拉上普通窗簾，他（她）們由于靠近窗戶也有這個(gè)便利，而遠(yuǎn)離窗戶的同學(xué)由于光線暗不得不大白天打開燈，浪費(fèi)了電能。這種關(guān)著窗簾開著燈的情景很不協(xié)調(diào)，這種浪費(fèi)現(xiàn)象還比較普遍。

為了解決上述技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)光傳導(dǎo)裝置，如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)光窗簾

長(zhǎng)條葉片2的至少一面涂有反光材料，圖1中的箭頭所畫為太陽(yáng)光線，經(jīng)過長(zhǎng)條葉片2的反射進(jìn)入到室內(nèi)。在圖1所畫的長(zhǎng)條葉片2的數(shù)量是6個(gè)，具體設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況確定。長(zhǎng)條葉片2的四周是方形框架1，為了便于觀察，圖1右側(cè)的方形框架1沒有畫出。方形框架1的上方有電機(jī)3、電路板6。當(dāng)電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)繩5、傳動(dòng)輪4使長(zhǎng)條葉片2轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠電路板6控制的，電路板6控制長(zhǎng)條葉片2反射光的強(qiáng)度。簡(jiǎn)易的控制裝置可以使用手動(dòng)去掉電路板、電機(jī)。

該設(shè)計(jì)的有益效果是，將太陽(yáng)光線由窗前轉(zhuǎn)移到了房頂，補(bǔ)充了室內(nèi)光線不足，在大教室推廣使用時(shí)，能夠起到節(jié)能環(huán)保的示范作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)光是一種取之不竭，用之不盡的綠色能源，直接利用太陽(yáng)光，減少照明用電的電能消耗需要我們進(jìn)一步開發(fā)利用。目前我國(guó)在光直接利用方面，剛剛開始起步，通過合理設(shè)計(jì)開發(fā)導(dǎo)光管技術(shù)，設(shè)計(jì)光直接利用的設(shè)備，是非常有必要的。

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作者簡(jiǎn)介：門立山（1958-），男，副教授，主要從事太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域的研究。