一种适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜及其使用方法

技术领域

本发明属于光学仪器设计领域，具体涉及一种适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜及其使用方法。

背景技术

太阳能作为一种自然资源，以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势，已被国际公认为未来最具竞争性的能源之一。为了提高在太阳能的利用率，在工程中往往将光热、光伏、光催化系统进行耦合。例如在太阳能光热催化二氧化碳的反应中，将催化剂敏感谱段的太阳辐射分配给反应器；将高谱段的太阳辐射分配给太阳能集热器，并将热量传递到反应器中，两者共同进行光热催化反应。因此，太阳光谱分频装置的设计成为太阳能领域的热点研究问题。

目前，工程上较为常用的是截止滤光器作为分频器，其工作表面是一个选择性反射透射膜系。这种薄膜多层滤光器基于光的干涉原理进行设计，通过在石英片上镀有增透膜和增反膜来实现太阳光分频。然而，太阳能利用装置往往会增加聚光系统来提高太阳能接收面积，考虑到太阳能利用系统往往包括聚光装置，这种滤光器不能够适应高能流密度的光束。同时，镀膜加工会提高整个装置的成本，从而限制太阳能装置的推广。此外，还有液体吸收过滤器，其原理是使用流体吸收一部分能量用以产热。这种方法虽然成本较低，但仍有许多不足，例如，需要增加一套循环流动装置，使整套装置的设计难度增大。因此，如何设计出低成本同时兼具高可靠性的分频装置成为太阳能利用工程中亟需解决的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已被本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜及其使用方法，从而为太阳能利用装置提供一种实现太阳光谱分频利用的方案

本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜，所述分光棱镜为光学玻璃，包括入射面、出射面、第一工作面和第二工作面；入射面与出射面相对，第一工作面与第二工作面相对且平行；

入射面与第二工作面的夹角等于分光波长对应的临界角，当平行光束从入射面垂直入射后，依次经第二工作面、第一工作面、第二工作面、第一工作面、...发生若干次分光后，波长大于分光波长的光线沿第一工作面和第二工作面外侧射出，波长小于等于分光波长的光线由出射面垂直射出。

优选的，对于适用Sellmeier公式的光学玻璃，分光波长范围为302.15nm～2325.42nm，对于适用Schotto公式的光学玻璃，分光波长范围为365.01nm～1013.98nm。

优选的，设分光次数为n，入射面与第二工作面的夹角为θ，则分光棱镜的尺寸参数如下：

当n为奇数时，第二工作面的长度为(n+1)l/2cosθ，当n为偶数时，第二工作面的长度为n·l/2cosθ；当n为奇数时，出射面与第二工作面的夹角为θ，当n为偶数时，出射面与第二工作面的夹角为180°-θ。

优选的，设定入射面的长度系数k，分光波长对应的临界角为θ，则入射面的长度l与平行光束直径d的关系为l＝d·k/2sin

进一步的，平行光束的入射位置在自入射面一侧至距入射面一侧长度为k·d的范围内。

优选的，还包括相对设置的第一非工作面和第二非工作面，第一非工作面和第二非工作面用于所述分光棱镜的装夹。

优选的，第一非工作面与第二非工作面的距离大于入射面的长度。

所述的适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜的使用方法，使平行光束由入射面垂直入射，到达第二工作面时，波长小于等于分光波长的光线发生全反射，波长大于分光波长的光线发生折射与反射，实现第一次分光，经第一次反射后的光线到达第一工作面进行第二次分光，经第二次反射后的光线到达第二工作面进行第三次分光，依次类推，实现若干次分光，反射后的光线经出射面射出。

优选的，经出射面射出的光线用于光催化反应，经第一工作面和第二工作面射出的光线用于产热。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜不依靠镀膜实现分光，仅利用光以临界角或小于临界角由光密介质入射到光疏介质发生全反射，大于临界角由光密介质入射到光疏介质发生折射，实现分光；本发明中凌镜的分光波长可以根据使用需求在允许范围内任意设定，实现将光束按照分光波长分成大于该波长和小于等于该波长的两束不同波段光。本发明利用全反射的特性实现分光，可以有效减少光能损耗，本发明中棱镜的综合分光率可以达到85％，光能损失低于10％。同时，相较于现有的分光装置，本发明可满足对高能光束分光的需求，具有更好的耐用性与可靠性，适用范围广。总体而言，本发明棱镜具有结构紧凑、可靠性高、加工方便、制造成本低等优点。本发明能够适应复杂的工程运用环境，可以有效提高各种太阳能驱动的光催化、光热催化、光电催化、光伏系统的光能利用效率，可为各种太阳能利用装置提供高效、便捷的光能分频利用。

进一步的，通过选择合适的入射面长度系数，光束的入射位置可在一定范围内偏移，可以简化调试安装；

附图说明

图1为根据本发明所设计出的棱镜；

图2为波长大于分光波长的光线光路图(a)和波长小于等于分光波长的光线光路图(b)；

图3为本发明实例中分光棱镜加工尺寸图；

图4为本发明实例中分光棱镜的一种装夹方式。

附图标记说明：

1、入射面；2、出射面；3、第一工作面；4、第二工作面、5第一非工作面、6第二非工作面。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员进一步理解，下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。应当指出，在不脱离本发明构思与发明原理的前提下，都可以对本发明进行若干变形和改造，这些都属于本发明的保护范围。

如图1，本发明所述的适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜，由入射面1、出射面2、第一工作面3、第二工作面4、第一非工作面5和第二非工作面6围成；入射面1与出射面2相对，第一工作面3与第二工作面4相对且平行，第一非工作面5与第二非工作面6相对。

入射面1与第二工作面4的夹角等于分光波长的光线对应的临界角，当平行光束从入射面1垂直入射后，经第二工作面4、第一工作面3、第二工作面4、第一工作面3、…发生若干次分光后，最终，波长大于分光波长的光线沿第一工作面3和第二工作面4两侧射出，波长小于等于分光波长的光线由出射面2垂直射出；第一非工作面5和第二非工作面6可用于棱镜的装夹。

本发明的分光棱镜为光学玻璃，根据尺寸要求及效率要求，选择合适的光学玻璃牌号，使用光学玻璃进行简单的机械加工即可得到本发明分光棱镜。对于适用Sellmeier公式的光学玻璃，分光波长范围为302.15nm～2325.42nm，对于适用Schotto公式的光学玻璃，分光波长范围为365.01nm～1013.98nm。可以根据实际工作需要，选择分光波长。

设定长度系数k，分光波长对应的临界角为θ，则入射面1的长度l与光束直径d的关系为l＝d·k/2sin

根据尺寸要求及效率要求，选择合适的分光次数，2≤分光次数≤8，根据分光次数设计分光棱镜。设分光次数为n，则棱镜的尺寸参数如下：当n为奇数时，第二工作面4的长度为(n+1)l/2cosθ，当n为偶数时，第二工作面4的长度为n·l/2cosθ；入射面1与第二工作面4的夹角为θ；当n为奇数时，出射面2与第二工作面4的夹角为θ，当n为偶数时，出射面2与第二工作面4的夹角为180°-θ。

本发明所述的适用于太阳能分频的平行光全反射分光棱镜不依靠镀膜实现分光，仅用到光以临界角或小于临界角由光密介质入射到光疏介质发生全反射这一特性；利用波长大于分光波长的光线折射，波长小于等于分光波长的光线发生全反射，从而实现分光。本发明适用条件为平行光束，且入射方向垂直于入射面1。

实施例

现针对太阳能光热催化反应装置设计一分光棱镜，将波长大于750nm的红外光部分用于产热，将波长小于750nm的可见光及紫外光部分用于光催化反应。因此在本实例中分光波长为750nm。

本实例为提高分光率，选择分光次数为7。

考虑到本实例需要使用红外光部分，而且分光次数为7，光线在棱镜内光程较长，因此选择内透射比高的光学玻璃。综合价格等因素，这里选择成都光明光电股份有限公司生产的牌号为HFK61B氟冕光学玻璃。

假设经聚光装置得到的平行光束直径为12mm，选择长度系数1.5。

下面进行分光棱镜的设计。根据Sellmeier色散公式计算出HFK61B玻璃对于波长为750nm光线的折射率为1.49330026，并由此计算出每次分光的入射角为42.040650°。根据该角度、分光次数、光束直径、长度系数可以设计出本实例中的分光棱镜，如附图3所示。

当光束从入射面1垂直入射时，入射角为0，光线方向不发生改变。当光线首先到达第二工作面4时，波长小于等于750nm的光线在棱镜内的折射率大于1.49330026，因此其所对应的临界角小于等于入射角，故发生全反射；同理，波长大于750nm的光线所对应的临界角大于入射角，故发生折射与反射。其中，由折射射出的光线为大于750nm的光线，由反射继续保留在棱镜内的光线为全光谱。经第一次反射后的光线到达第一工作面3，继续上述分光工作。当完成7次折射、反射分光后，未折射的波长小于等于750nm的光线和一小部分由反射保留的波长大于750nm的光线由出射面2垂直射出。

其中要指出，当分光次数为奇数次时，出射光线与入射光线的夹角为2倍入射角，即在本例中的84.0813°；当分光次数为偶数次时，出射光线与入射光线平行。

整个装置会产生的光损耗主要会产生在以下几个过程中：1)垂直入射时的部分反射光；2)垂直射出时的部分反射光；3)光在棱镜内传播的损耗。可由菲涅尔公式计算出反射损失；由光学玻璃牌号表内的透射率结合光程长度计算出传播损失。

整个装置的分光率可由菲涅尔公式结合分光次数算出。对于波长越长的光线，分光率越高。

为保证达到较高的分光率，可以选择折射率越低的光学材料制造棱镜，或增加分光次数。然而若分光次数越多，光在棱镜内的光程也会增加，从而导致传播损失增加。因此，在设计时应充分考虑上述因素，结合实际工况需要，灵活选择分光次数。

在本实例中，可以实现分光率大于90％，光能损失低于10％的分光。

为了验证本发明的正确性，使用COMSOL 5.6光学部分的射线追踪模块对本实例中所设计出的分光棱镜进行光路仿真模拟，其结果如图2所示。图2(a)为波长大于750nm光线的传播路径；图2(b)为波长小于或等于750nm光线的传播路径。从仿真结果中可以看出，与理论分析是一致的。

图3为本实例中棱镜的加工图纸。依据本发明设计出的棱镜截面为一等腰梯形，在加工时以底面为基准面进行加工，只需进行简单机械加工即可获得，具有便于加工的优点。

棱镜的厚度应充分考虑装夹，棱镜厚度即第一非工作面5与第二非工作面6的距离应大于入射面1的长度。图4为给出的一种装夹方式，其中光线由箭头所指方向入射。

综上所述，本发明能够通过的低成本的方法对平行光束进行分光，具有一定的工程实用价值。