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作者：王益芳;贾晓宇;于春荣;
单位：沧州师范学院;
摘要：【目的】有效收集太阳光并通过光纤传输将其导入需要照明的区域，可以取代部分传统光源。光纤采光系统受入射光角度和入射耦合效率的影响十分明显，为了提高光纤采光系统的光能利用率，需要从太阳光方位自对准和提高空间光到光纤的耦合效率两个方面进行优化改进。【方法】针对实时对准太阳光的问题，文章设计了针对天顶角非线性响应的光纤探头结构用于跟踪太阳光的入射方向，并通过自适应机械结构控制采光结构的位姿。由于采用了多光纤探头，对应测试角度是预先固定的，解决了太阳光强随天顶角变化不均的问题。同时，多光纤探头组合可以大幅提升检测视场，保证了全时段测试精度的一致性。针对空间光到光纤耦合效率的问题，文章设计了双透镜结构与光纤球面端面封装，用于提高光纤有效数值孔径，大幅提升了入射光的角度范围。【结果】文章仿真分析了半径调制比与光纤球面半径对耦合效率的影响。仿真结果显示，当半径调制值为0.61，光纤球面半径为228.75μm时，耦合效率达到最大值。实验分别针对耦合效率与光照度进行了测试分析，结果显示，当透镜2的焦距f为8.0 mm时，光功率达到最大值352.14 mW。球面端面结构在8°以内的光功率衰减小于5%，明显优于传统平面端面型。晴天时，球面端面光纤采光平均光照度为10 392 lx，全时段光能转化率为38.82%，而平面端面型仅为23.69%。【结论】文章所提系统在太阳光方位探测和空间光耦合至光纤这两个主要环节上进行了改进与优化，仿真分析与实验结果验证了系统设计的可行性。从光照稳定性与光能转化率上看，文章所提设计可以在不改变外径尺寸的前提下进一步提高系统光能利用率。
关键词：光纤采光系统;;球面端面;;光纤耦合;;光能利用率
基金资助：河北省社科基金资助项目（HB22YJ078）;; 沧州市自然科学基金课题资助项目（221001014D）
