專利名稱：非成像的光學(xué)照亮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種用于收集陽光的改進的固定光收集器。具體地說，本發(fā)明為一種帶有對稱或不對稱反射區(qū)，并帶有一個或多個吸收器的非成像太陽能聚集器。
背景技術(shù)：
非成像太陽能收集器已經(jīng)應(yīng)用很多年了，用于在高溫下聚集和利用陽光。術(shù)語“被動式”意思是收集器可在較寬角度范圍接收和使用太陽能，于是不需移動跟蹤太陽。當(dāng)然，這種收集器如果在需要時也可移動。在Winston等人在1996年7月23日申請的題為“非成像太陽能收集器”的美國專利US5537991中給出了非成像收集器的例子。該專利在這里被參照地引用。由該專利教導(dǎo)的發(fā)明為對稱反射器，帶有中央熱交換管和楔形吸收器。該吸收器從吸收管延伸或靠近對稱反射器。專利US5537991把楔形吸收器稱為“冰淇淋圓錐”幾何結(jié)構(gòu)，因為其橫截面象冰淇淋圓錐。專利US5537991克服了如下現(xiàn)有技術(shù)的缺點如具有經(jīng)由輻射而損失效率的徑向肋片，以及具有非同心設(shè)置的熱交換管。然而，專利US5537991具有對稱的反射器，該反射器限制了在陽光入射角范圍內(nèi)收集的多功能性。它還具有從中心熱交換管直接朝向反射器延伸的楔形收集器。這也在收集上產(chǎn)生了某些缺點。本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的狀況在以下專利中進行了歸納名稱為“非成像光學(xué)照射系統(tǒng)”的美國專利US5586013；名稱為“非成像光學(xué)照射系統(tǒng)”的US5816693和名稱為“非成像輻射能裝置”的US5610768。
當(dāng)使用太陽能收集器時，如果熱量不從吸收器的區(qū)域進行交換，那么聚集的輻射流產(chǎn)生一個問題。如，經(jīng)過收集器循環(huán)流動制冷劑用的泵失效時會發(fā)生問題。如果不迅速采取措施，收集器會被破壞或甚至被徹底毀壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供更好的被動式太陽能收集器。
本發(fā)明的另一個目的是提供被動式太陽能收集器，該收集器可在白天在空調(diào)負載處于或接近最大時，最大量地收集太陽能。
本發(fā)明的另一個目的是提供被動式太陽能收集器，該收集器可吸收大量的太陽能輻射，而再輻射達到最小量。
本發(fā)明的另一個目的是提供被動式太陽能收集器，該收集器可在不需要人介入情況下，抵御過高溫度。
本發(fā)明的另一個目的是提供太陽能收集器，該收集器包括作為吸收器的熱水瓶結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種改造的方法和設(shè)備，用于從自然的光源產(chǎn)生由使用者選擇的非成像輸出。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種新穎的方法和設(shè)備，用于通過控制光源的邊緣光線，從光學(xué)設(shè)計中提供由使用者可選擇的光能的非成像光學(xué)輸出。
其他目的將從下面的本發(fā)明的描述中得知。
被動式太陽能收集器具有收集器、中心管和連接到中心管上的吸收器。吸收器可以沿某些軸對稱或也可不對稱。中心管可以是加熱容納在其中液體的熱水瓶形式，或者可以是熱交換管，或者可以是熱管的一部分，或者可包含流有待加熱液體的管。對于一年中具體的季節(jié)，選擇最優(yōu)的不同反射器，于是就可以有冬天的收集器和夏天的收集器，或者用于不同季節(jié)的收集器。反射器和吸收器可以包在透明管內(nèi)。該透明管通常盛有小于空氣壓力的氣體，或如具有熱交換性能特性的氬、氙的氣體，或氣體混合物。收集器可通過一個或幾個系統(tǒng)來抵御過熱，這些系統(tǒng)包括吸氣劑，吸氣劑可在過熱時釋放氣體，以破壞真空，在冷時吸收氣體，恢復(fù)真空。吸氣劑可以是鋇、鋯或可買到的吸氣材料。收集器也可在過熱時，通過覆蓋在其上面的機械操縱的屏障所保護，吸收性材料有可設(shè)計成在過熱時減少吸收，或者透明管可涂有一種材料，該材料會因為過熱而變暗，以減少獲得的光量。
圖1示出了用于提供非成像輸出的二維光學(xué)裝置。
圖2示出了圖1中的光學(xué)裝置一部分，該部分相關(guān)的光學(xué)光源和該裝置的直接反射面。
圖3A示出了光學(xué)系統(tǒng)的底部，圖3B示出了反射面的漸開線部分，該部分具有選定的臨界設(shè)計尺寸以及與光源相關(guān)的角度設(shè)計參數(shù)。
圖4A示出了用于非成像照射的三維光學(xué)系統(tǒng)的透視圖，圖4B示出了圖4A的光學(xué)系統(tǒng)的一部分。圖4C和4D分別為圖4A的系統(tǒng)的端視圖和側(cè)視圖。
圖5A示出了本發(fā)明實施例的等強度線，圖5B示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的非成像輸出等強度線。
圖6A示出了給出cos3r照射分布的二維朗伯光源的簡圖。圖6B示出了帶有圖6A中朗伯光源的平面光源。圖6C示出了非成像反射器的幾何結(jié)構(gòu)，該反射器為圖6A的光源提供r＝40°的均衡照射，圖6D示出了給出cos4r照射分布的三維朗伯光源。
圖7A示出了光線軌跡分析的二維解，圖7B示出了三維解的三個經(jīng)驗擬和。
圖8示出了接收角函數(shù)，該函數(shù)表示在與狹窄的一側(cè)朗伯條狀光源(二維)一定距離平面上產(chǎn)生恒定輻射，其中α＝1。
圖9示出了反射器輪廓，其中在一側(cè)朗伯條狀光源(二維)一定距離的平面上產(chǎn)生恒定輻射，其中在原點，R(φ＝π/2)＝1，α＝1。示出了CEC(內(nèi)曲面)和CHC型解(外截短曲面)。
圖10示出了設(shè)計用以在靠近光源產(chǎn)生反射圖像的反射器，由兩條邊緣光線Rsin2α的分離確定了-θ方向輻射的綜合的強度。
圖11示出了接收角函數(shù)，該函數(shù)表明在與限定的一側(cè)朗伯條狀光源一定距離的平面上，產(chǎn)生恒定輻射；僅有CHC型解。
圖12示出了在與2個單位(WIDTH TWO UNITS)的限定的一側(cè)朗伯條狀光源一定距離的平面上產(chǎn)生恒定輻射的反射器輪廓。
圖13示出了圖12中的反射器與V-槽的偏差。
圖14示出了在與光學(xué)平面垂直的一定距離的平面上的期望輻射分布，該光學(xué)平面由光源單獨沿著軸產(chǎn)生的輻射分開(DIVIDED)；虛線示出了截短裝置產(chǎn)生的輻射。
圖15示出了對應(yīng)于圖13中示出的輻射分布的角度能量分布；虛線是指截短裝置。
圖16示出了對應(yīng)于圖13中給出的期望輻射分布的接收角函數(shù)。
圖17示出了反射器輪廓，該反射器輪廓從寬度為2個單位的限定尺寸的一側(cè)朗伯條狀光源在一定距離的平面上，產(chǎn)生圖13所示的期望輻射；注意僅有CHC型解，并且被截短。
圖18示出了以與光源垂直距離為函數(shù)的反射器的斜度。
圖19示出了圖16中的反射器與真正V槽的偏差。
圖20示出了由角度表示并以反射器垂直長度為函數(shù)畫出的截短的效果，達到該角度，截短裝置與期望能量分布匹配。
圖21示出了光源以及沿著參照線的帶有相同矢量的邊緣光線族。
圖22A示出了用于CEC反射器的光源、反射器、參照線和邊緣光線。
圖22B示出了用于CEC反射器的光源、反射器、參照線和邊緣光線。
圖23示出了在邊界照射的反射器終止的效果。
圖24示出了用于目標(biāo)區(qū)域兩側(cè)照射的反射器。
圖25示出了在與均勻亮度的限定尺寸的圓柱光源在一定距離平面上，以角度為函數(shù)的輻射。
圖26示出了在與圓柱光源一定距離平面上產(chǎn)生恒定輻射的CEC型反射器輪廓。
圖27示出了對應(yīng)于圖25中指定角度的一些邊緣光線。
圖28為用于本發(fā)明實踐的裝置的透視圖。
圖29a為圖28的裝置沿剖面線28-28的剖面圖。
圖29b、29c和29d為圖28和29a的太陽能收集器的可選擇實施例的剖面圖。
圖29e和29f示出了圖29b、29c和29d的計數(shù)器225的可選擇形式。
圖30為示出了在適當(dāng)位置吸氣劑的圖28和圖29的外部管筒的一部分視圖。
圖31為示出了機械屏障以及傳感器和屏障控制系統(tǒng)的圖28和圖29的外部管筒的一部分視圖。
圖32為在陰天的日射和熱收集率的圖像，該熱收集率由圖28和圖29中設(shè)備進行并以時間為函數(shù)。
圖33為本發(fā)明的非成像太陽能收集器的可選擇實施例的側(cè)視圖，該實施例包括用于反射器表面的幾種不同類型的表面處理。
圖34為圖33的收集器的端視圖。
圖35為圖33的收集器的俯視圖。
圖36為液體吸收器306和局部剖面圖，該吸收器經(jīng)過雙管310循環(huán)液體308。
圖37為另一種類型的熱管314的局部側(cè)視圖，該熱管314把熱送到熱交換器316。
圖38為太陽能收集器330的可選擇實施例的俯視圖，該收集器330具有在區(qū)域334的平滑突脊332以及在區(qū)域338參差不齊的突脊336。
圖39為太陽能收集器330的可選擇實施例的端視圖，該收集器330具有在區(qū)域334的平滑突脊332以及在區(qū)域338參差不齊的突脊336。
圖40為太陽能收集器330的可選擇實施例的側(cè)視圖，該收集器330具有在區(qū)域334的平滑突脊332以及在區(qū)域338參差不齊的突脊336。
具體實施例方式
A.較小光學(xué)光源在提供非成像照射的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，其中照射使用了相對于其他系統(tǒng)參數(shù)較小的光源，應(yīng)該考慮到光源不能展開的受限制情況。也就是說，例如，光源的尺寸比靠近任何反射或者折射元件的最近距離要小。于是，在任何反射或者折射元件的光源所成角度可以看成很小。較小光源尺寸d和較大觀察者的距離D的近似值相當(dāng)于d＜＜R0＜＜D。這就從某種意義上說，是通常非成像問題的對立面，其中光源的限定尺寸和特定形狀在確定設(shè)計中是關(guān)鍵的。在任何實際的情況中，限定但有是很小寬度的光源最好通過這里描述的小光源非成像設(shè)計進行調(diào)整，而不是通過目前的現(xiàn)有技術(shù)限定光源設(shè)計而實現(xiàn)。
我們把光源理想化成點或者線，而忽略直徑，并尋找一種類似于傳統(tǒng)非成像光學(xué)“邊緣-光線方法”一次反射解(請參見W.T.Welford和R.Winston的“高聚集非成像光學(xué)”，紐約學(xué)院出版社，紐約(1989))。如圖3A和3B所示出的，極坐標(biāo)R和Φ將光源的作為原點、θ作為反射光線的角度使用。圖3A中的幾何結(jié)構(gòu)表明下面光源角度和反射角度之間的關(guān)系，D/dΦ(logR)＝tanα(1)其中α為相對于法線的入射角。于是α＝(Φ-θ)/2 (2)方程(1)容易積分得到log(R)＝∫tan a dΦ+常數(shù) (3)于是R·常數(shù)·exp[∫(tan a dΦ)] (4)方程(4)確定了對于任何期望的函數(shù)關(guān)系式θ(Φ)的反射器輪廓。
假定我們希望從線光源來的輻射能量具有特定的角度分布(Φ)，而其中的線源假定為軸對稱。例如，從θ＝0到θ1，P(Φ)＝常數(shù)，而在該角度范圍P(θ)≌0。根據(jù)能量守恒，P(θ)dΦ＝P(Φ)P(θ)(忽略材料反射損失)，我們僅需要保證，dθdΦ＝P(Φ)/P(θ)， (5)從而獲得期望的輻射束輪廓。為了描述該方法，把上述常數(shù)P(θ)的實例考慮為線光源。利用線光源的旋轉(zhuǎn)對稱，dP/dΦ＝常數(shù)，于是根據(jù)方程(4)，我們把θ看成是Φ的線性函數(shù)，例如θ＝aΦ。這樣方程(3)的解為R＝R0/cosk(Φ/k)(6)其中，k＝2/(1-a)，(7)并且R0為R在Φ＝0的值。
我們注意到當(dāng)a＝0時(k＝2)，給出了極坐標(biāo)形式的拋物線，
R＝R0/cos2(Φ/2) (8)同時當(dāng)θ＝常數(shù)＝θ1，得到離軸拋物線，R＝R0cos2(θ1)/cos2[(Φ-θ0)/2](9)假如我們想要以特定強度分布代替照射平面。那么我們以角度q修正在平面上的位置，并進行上面計算，旋轉(zhuǎn)到球面對稱點光源，考慮當(dāng)常數(shù)P(Ω)的條件，其中Ω為輻射的立體角。下面根據(jù)能量守恒就得到P(Ω)dΩ＝P(Ω0)dΩ0(10)其中Ω0為由光源輻射產(chǎn)生的立體角度。根據(jù)點源的球面對稱，可知P(Ω0)＝0。而且，得到dΩ＝(2π)dcosθ，以及dΩ0＝(2π)dcosΦ，這樣，我們需要使cosθ是cosΦ的線性函數(shù)，cosθ＝acosΦ+b (11)其中的邊界條件為在Φ＝θ時，θ＝0，而在Φ＝Φ0時，θ＝θ1，我們就得到a＝(1-cosθ1)/(1-cosΦ0) (12)b＝(cosθ1-cosΦ0)/(1-cosΦ0) (13)例如，因為θ1＜＜1和Φ0≌л/2，所以就得到θ≌√2θ0sin(Φ)。該函數(shù)關(guān)系式用于方程(4)，然后對其中方程(4)利用傳統(tǒng)算術(shù)方法進行積分。
描述反射器輪廓R(Φ)的有用方法是利用反射光線r(Φ)的包跡(或者聚光線)。這可根據(jù)反射光線的方向可非常簡單地獲得，t＝(-sinθ，cosθ).由于r(Φ)隨著反射光線而變化，因此，它具有下面的形式r＝R+Lt. (14)其中R＝R(sinΦ1-cosΦ)，另外RdΦ＝Ldθ， (15)這是反射定律的結(jié)果。于是r＝R+t/(dθ/dΦ). (16)在前面提到的情況中，其中θ為aΦ的線性函數(shù)，聚光線曲率變得極其簡單，r＝R＝t/a.(17)
根據(jù)聚光線，我們把反射器輪廓看成是拉緊繩的軌跡；繩從集散點處r展開，同時一端固定在原點處。
在任何實際的設(shè)計中，光源較小但是確定的尺寸變化成上面得到的較小量—“點狀”或者“線狀”角度分布。為了阻止輻射返回到光源，可以希望在θ＝0附近利用到虛擬源的漸開線“著手”解決方案。于是，反射器設(shè)計可內(nèi)卷到“冰淇淋圓錐”的虛擬源。在本領(lǐng)域中，大家都知道如何運行該結(jié)果(例如參見R.Winston，“Appl.Optic，”卷17，第166頁，1978)。另外，參見在這里被參照引用的專利號為US4230095的美國專利。同樣，通過考慮從光源到原點，不是從中心而是從周圍，就象非成像設(shè)計中的“邊緣光線”，調(diào)整光源的確定尺寸。利用附錄的計算機程序，可實施本方法，同時進行輪廓計算(參見圖2)，圖1中示出了線光源和輪廓的例子。另外，當(dāng)光束圖或者光源不是旋轉(zhuǎn)對稱的情況中，可采用與傳統(tǒng)截面為拋物線形狀的反射表面類似的截面為二維的反射器。在一些情況中，當(dāng)光源比其他參數(shù)較小時，本方法特別有用。
各種實際應(yīng)用中的光源包括較長的圓弧光源，該光源可近似看成為軸對稱的線光源。然后我們可利用反射器輪廓R(Φ)，該反射器輪廓R(Φ)在這里得到確定，這在方程(5)到(9)以及伴隨的說明中得到解釋。該分析同樣地用于光學(xué)裝置的二維和三維反射表面輪廓。
另一個應(yīng)用的光源為較短的圓弧光源，該圓弧光源可近似地看成球面對稱的點光源。方程(10)到(13)中表示了確定光學(xué)輪廓的細節(jié)。
圖4A、4B、4C和4D中示出了非成像光學(xué)系統(tǒng)20的最佳形式，同時圖5A中示出了典型非成像輸出。該輸出一般可采用傳統(tǒng)紅外光源22(參見圖4A)而獲得一例如，該光源為高強度弧光燈或石墨發(fā)光條。反射側(cè)壁24和26收集從光源22發(fā)出的紅外輻射，并從反射側(cè)壁24和26把該輻射反射到反射側(cè)壁24和26的遠場。理想的紅外發(fā)生器把從光源22來的輻射集中在特定的角度范圍(一般為大約為％15度的錐體)或者是在水平平面％20度、豎直平面％6度的不對稱區(qū)域。從圖5B的輪廓中可以看出，現(xiàn)有技術(shù)的拋物面反射器系統(tǒng)(圖中未示出)提供了非均勻強度輸出，同時如圖5A所示，光學(xué)系統(tǒng)20提供了基本上是均一強度的輸出。注意在從現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合拋物線集中器(CPC)設(shè)計中對強度輪廓的良好改進。這些改進可歸納為下面表I中的表格形式。
表ICPC與改進設(shè)計的比較CPC 新設(shè)計峰值與軸向輻射強度的比率 1.58 1.09方位角邊緣與軸向的比率0.70 0.68仰角邊緣與軸向的比率 0.63 0.87拐角與軸向的比率 0.33 0.52在有用角度內(nèi)輻射的百分比 0.80 0.78標(biāo)準化的進入?yún)^(qū)1.00 1.02在最佳實施例中，設(shè)計實際的光學(xué)輪廓包括四個參數(shù)的說明。例如在集中器的設(shè)計中，這些參數(shù)為a＝圓吸收器的半徑b＝間隙的尺寸c＝在方程θ＝c(Φ-Φ0)中θ與Φ-Φ0之間的比例系數(shù)，及d＝最大高度計算機的程序已經(jīng)用于實現(xiàn)該計算，從而使用者中可獲得這些數(shù)值(參見程序的第6行和第13行，該程序附加到計算機軟件附錄中，作為本說明書的一部分)。
在圖3B中，從Φ＝0到Φ＝Φ0，反射器輪廓是圓周的漸開線，其漸近的最近距離等于b。該圓弧的參數(shù)方程通過角度a表示成參數(shù)(參見圖3A)。從圖3B中可以看到，其中當(dāng)Φ從0到Φ0變化時，α從α0到90度變化。角度α取決于a和b，同時在計算機軟件程序第14行中得到計算。在第15行和第101行之間，通過這些參數(shù)方程，利用步進法，計算出極坐標(biāo)系中漸開線的55個點。(r，θ)點被分別讀取成數(shù)組r(i)和θ(i)。
對于比Φ0大的Φ，輪廓是微分方程的解，d(lnr)/dΦ＝tan{1/2[Φ-θ+arcsin(a/r)]}。其中θ是Φ的函數(shù)。這就使輪廓，r(Φ)，形成了一個θ的函數(shù)式。在進行的采樣計算中，如在步驟4中，θ被看成是Φ的線性函數(shù)。在說明書中描述了其他的函數(shù)形式。在該區(qū)域中需要得到150個(r，θ)點。另外，輪廓必須截斷成具有最大高度h。我們不清楚對應(yīng)于該最高點的(r，θ)點，于是，必須通過超過Φ0來增加Φ，直到最大高度條件得到滿足，來解上面方程。這可利用第102行和115行之間的傳統(tǒng)Kunge-kutta數(shù)值積分方法實現(xiàn)。在第116行和120行之間校對了最大高度條件。
一旦知道了最大高度處的(r，θ)點，就可設(shè)置步長來精確計算Φ0和最大高度點之間的150個(r，θ)點。這些點再次被讀取成數(shù)組r(i)和θ(i)。
最后，我們得到兩個數(shù)組r(i)和θ(i)，每個數(shù)組都有表示反射表面的兩百個(r，θ)點的兩百個分量.這些數(shù)組于是可以作為設(shè)計說明書和光線軌跡應(yīng)用。
在均勻光束設(shè)計輪廓中，(P(θ)＝常數(shù))，一組典型參數(shù)為(也可參見圖1)，a＝0.055英寸，b＝0.100英寸，h＝12.36英寸，及c＝0.05136，用于θ(Φ)＝c(Φ-Φ0)。
在指數(shù)形式的光束輪廓圖(P(θ)＝ce-aθ)中，一組典型參數(shù)為a≌0英寸，b＝0.100英寸，h＝5.25英寸，及c＝4.694，用于θ(Φ)＝0.131ln(Φ/c-1)能量可以以特定角度分布P0(θ)從光源輻射，其中光源自身以能量分布P0(Φ)輻射。光源的角度特性是光源形狀、表面亮度和每一點處的表面角度發(fā)射率的綜合結(jié)果。如果遠距離觀察者以角度θ為看帶有反射器的光源，那么將看見除了光源本身外，還會看見光源的反射圖像。如果反射器是曲面的，那么該圖像將被乘以因數(shù)M。理想上，光源和其反射的圖像具有相同的亮度，于是產(chǎn)生的能量與視尺寸成正比。觀察者觀察到的強度P0(θ)將是兩者之和，即P0(θ)＝P0(θ)＝|M| P0(θ) (18)必須取乘數(shù)的絕對值，因為如果反射的圖像和光源在反射器的不同側(cè)，以及如果我們看到圖像相反或者顛倒向下，那么乘數(shù)為負數(shù)。實際上，光源和其反射的圖像可以較小角度對齊?？墒怯^察者僅僅看到兩者中較大者。但如果M較大，觀察者可忽略從光源來的直接輻射。
這樣，觀察者要考慮反射器的乘數(shù)。遠距離觀察者將會看到位于凹進的反射器軸上的微小光源，反射器在寬度上乘以因子，Mm＝dΦ/dθ (19)由于光源反射的能量因反射而保存，于是可根據(jù)光源守恒得到證明PsdΦ＝MPsdθ對于旋轉(zhuǎn)對稱反射器，方程(19)中給出的乘數(shù)Mm與子午線方向有關(guān)。在徑向(sagittal)方向，乘數(shù)為Ms＝(d1/d2)＝(sinΦ/sinθ)(20)其中1和2在垂直于圖2中截面的徑向平面中是較小角。方程(20)可通過觀察光軸上，也必須位于光軸上的徑向圖像而容易得到驗證。原因是因為對稱，所有反射光必須與光軸共面。
總乘數(shù)Mt為徑向和子午向乘數(shù)的乘積，Mt＝MsMm＝dcos(Φ)/dcos(θ) (21)通過注意不同立體角分別與dcos(θ)成正比，實際上方程(21)也可根據(jù)能量守恒直接得到。
于是，根據(jù)情況，把方程(21)或方程(19)給出的乘數(shù)，代到方程(18)，得到了Φ和θ之間的關(guān)系，其中產(chǎn)生了對于給定光源角度能量分布Ps的想要的能量分布，該關(guān)系可以如方程(19)中展現(xiàn)的那樣，進行積分，建立了反射用的形狀，解決了該具體問題。
根據(jù)我們假定的乘數(shù)是正還是負，則有兩個定性不同的解。如果Mm＞0，則推導(dǎo)出是CEC型裝置；而當(dāng)Mm＜0。則推導(dǎo)出是CEC型裝置。術(shù)語CEC表示復(fù)合橢圓聚能器，CHC表示復(fù)合雙曲線聚能器。
現(xiàn)在有一個問題，連續(xù)反射器多長時間，或者是在什么角度范圍來描述能量分布。從方程(17)中可以看出，如果Φ-θ＝π，那么R發(fā)散。當(dāng)存在負乘數(shù)時，當(dāng)在θ＝0和θ＝θmax之間，由觀察者看到的總能量接近在Φ＝0和Φ＝π之間由光源輻射的總能量時，會發(fā)生上述情況。類似的限制條件用于相反的一側(cè)并描述θmin。反射器漸進地接近于無限的圓錐或V槽。在范圍θmin＜θ＜θmax之外沒有能量輻射。
對于正的乘數(shù)，反射的圖像位于對稱軸相對于觀察者的另一側(cè)。在這種情況下，當(dāng)在觀察者一側(cè)的反射器開始阻擋光源及其反射圖像時，就達到了反射器的極限。對于對稱的裝置，當(dāng)Φ+θ＝π時發(fā)生此種情況。還是此種情況，可以看出，極限實際上是由第一定律(law)強制決定的。然而，反射器在此極限范圍內(nèi)保持確定。該反射器始終以垂直的切線中止。對于對稱裝置，當(dāng)θmax＝-θmin及Φmax＝-Φmin時，對于CEC型和CHC型兩個解的極端方向與下面的式子有關(guān)，Φmax+θmax＝π (22)一般地，CEC型裝置趨于更加緊密化，需要反射一定光束的反射區(qū)域與1/cos(α)成正比。對于對稱問題，和Φ的函數(shù)關(guān)系式是類似的，但除了以下情況，即對于CHC型裝置，Φ和θ有相反符號，而對于CEC型裝置具有相同符號。可是對于CHC型來說，a增加更快，這就需要較大反射器——假定具有相同的函數(shù)值R0。在圖8中可看到接收角函數(shù)以及入射角函數(shù)a均是對于負的乘積而繪制的。
為描述上述原理，條狀光源作為例子。對于狹窄的、一側(cè)朗伯帶狀光源，輻射能量與角的余弦成正比。為了在遠距離目標(biāo)上產(chǎn)生恒定照射，光源的總輻射和反射應(yīng)與1/cos2(θ)成正比。得到cosθ+|cos(Φ)dΦ/dθ|＝a/cos2(θ) (23)此時邊界條件是在Φ＝±π/2時，θ＝0，因為我們假定條狀光源一側(cè)向下輻射，方程(11)僅可對a＝1時積分，sinΦ＝1-|tan(θ)-sin(θ)|(24)圖8中顯示了對于CEC型的接收角函數(shù)θ和入射角。對于方程(24)積分獲得圖9示描繪的反射器外形。
這里描述的分析工具用于解決包括反射器靠近光源的實際問題。通過把上述技術(shù)與邊緣光線方法結(jié)合而完成，邊緣光線法在非成像設(shè)計是非常有效的。作為第一個例子，對于平面的，朗伯條狀光源設(shè)計反射器，于是獲得了預(yù)定的遠距離輻射。反射器設(shè)計成可使反射圖像特別靠近光源。這僅在負的乘數(shù)設(shè)計中是可行的。如圖10示出的，由兩條邊緣光線劃定光源與其反射圖像的結(jié)合。對于照射某一方向的單位亮度的光源，綜合的角度能量密度通過邊緣光線隔離而獲得，Rsin(2a)＝P0(θ) (25)通過對方程(25)求對數(shù)的導(dǎo)數(shù)，并相減，得到d(log(R))/dΦ＝-tana (26)我們得到，da/dθ＝sin(2a)dlog(P0(θ))/2dθ-sin2(a) (27)這里描述的是右側(cè)，其中θ＜0。另一側(cè)是反射圖像。
對于2a＝π，R發(fā)散，就象對于較小光源的CHC型解的情況中。于是，一般地，完全的在反射器延伸到無窮大。為了實際應(yīng)用要截短。因我們假定在點T處截去反射器，從該點邊緣光線反射到方向θτ。對于在±θτ范圍內(nèi)的角度θ，截短沒有影響，因為反射器的外部在該范圍不輻射。這樣，在該范圍內(nèi)，截短的反射器也會準確產(chǎn)生需要的反射。在該范圍內(nèi)，光源和反射器的組合就象由點T和光源相對邊緣界定的扁平光源。其角度能量密度由方程(13)給出，其中R＝Rτ＝常數(shù)。在θτ輻射的總能量Pτ為Pτ=R(θτ)∫2θτxsinydy=R(θτ)(1+cos(2ατ))-----(28)]]>為了在θτ產(chǎn)生強度PU(θτ)，今R(θτ)為R(θτ)=P0(θτ)sin(2ατ)---(29)]]>總能量守恒表明截短的反射器在以θτ外輻射與未截短反射器相同的總能量，1+cos(2ατ)sin(2ατ)=1P0(θτ)∫θmaxθτP0(ψ)dψ=B(θτ)------(30)]]>對于任何截短θ＝θτ，該方程一定是成立。如果B(θτ)即P0(θ)的積分給定為封閉形式，那么這可使我們精確計算a，并且利用它，可計算作為θ的函數(shù)的封閉形式的Φ和R?？偰芰康氖睾惚砻魑唇囟痰姆瓷淦髋c僅有光源輻射相同的總能量。這導(dǎo)出標(biāo)準化的條件，B(0)=1P0(θ)∫θmaxθP0(ψ)dψ=1.--------(31)]]>該條件可用于尋找θmax，這與在方程(30)中設(shè)定θτ＝0和2aτ＝π/2是相同的。解a的方程(30)，得到，B(0)=1P0(θ)∫θmaxθP0(ψ)dψ=1.--------(32)]]>把a＝(ψ-θ)/2替換進去，得到接收角函數(shù)。Φ(θ)＝θ+2α. (33)從方程(25)中得到半徑，R(θ)=P0(θ)B2+12B.-------(34)]]>對于任何期望的角度能量分布P0(θ)，這些方程以參數(shù)極坐標(biāo)表達式描述反射器的形狀。直接計算表明方程(32)是真正的微分方程(27)的解。實際上，方程(27)對于反射器形狀求導(dǎo)是不需要的。我們提出來僅僅是表明方法的一致性。
例如，為了在平行于光源的平面上產(chǎn)生恒定的輻射，我們令P0(θ)＝1/cos2(θ)，于是B(0)＝cos2(θ)-tan(θ)-tan(θmax)。利用方程(31)，我們發(fā)現(xiàn)θmax＝-π/4，于是B(θ)＝cos2(θ)(tan(θ)+1)帶有非不確定的常數(shù)。
在圖11和圖17中分別示出了求出的接收角函數(shù)和反射器輪廓。反射器形狀接近于V槽。盡管接收角函數(shù)僅僅不充分地近似直線，該直線以V槽形狀為特征。在圖13中，我們示出了圖12中的反射器形狀與真實的V槽之間的偏差。注意真實V槽產(chǎn)生要與cos(θ+π/4)cos(θ)成正比的明顯非恒定的輻射分布，其中0＜θ＜π/4。
作為第二個實例，對于特定非恒定輻射，反射器在圖14中示出的平面上產(chǎn)生輻射分布。圖15中示出了相應(yīng)的角度能量分布。在圖16和圖17中可見根據(jù)方程(33)和(32)的接收角函數(shù)，以及根據(jù)方程(34)得到的反射器形狀。
雖然在本實例中的期望輻射與前面實例中產(chǎn)生的恒定的輻射明顯不同，然而反射器形狀又在表面上類似V槽以及前面例子中的反射器。在圖18和圖19中可見在實例中反射器形狀和真正V槽之間的細微差別，其中我們給出了反射器的斜度以及到真正V槽的距離。大部分結(jié)構(gòu)限定成靠近光源的區(qū)域。反射器形狀上的微妙變化對裝置的能量和輻射分布上產(chǎn)生影響。這歸于較大入射角，利用該角度，邊緣光線射在反射器的外部。
如上所述，通常反射器具有無限尺寸，然而截短僅僅使外部的分布改變。為了描述對于本實例的反射器截短的效果，在圖20中給出的角度直到截短裝置與期望能量分布匹配，該角度為反射器的垂直長度的函數(shù)。于是，在圖17中示出的截短裝置具有圖14和圖15中虛線示出的輻射分布和能量分布。注意，垂直長度截成光源亮度3倍的反射大于5/6的角度范圍。B、一般光源假如對反射器的幾何限制可通過同時解決(sovle)一對系統(tǒng)來限定，非成像照射也可通過一般光源而得到。前面提到的方程(1)和(2)與光源角度和從反射器表面光反射時的角度有關(guān)，d/dΦ(logRi)＝tan(Φi-θ)/2以及遠場照射器的第二個一般表達式為，
L(θi)Risin(Φi-θi)G(θi)＝I(θi)其中L(θi)為在角度θi的特征亮度，以及G(θi)幾何因子，并且為光源幾何形狀的函數(shù)。在圖6A示出的二維朗伯光源中，對于恒定照射時，相對于角度的照射量變?yōu)閏os3θ，如圖6D所示。對于三維朗伯光源，相對于角度的照射量變?yōu)閏os4θ。
考慮圖6B中示出的二維朗伯光源和平面光源的實例，可以容易地描述出利用一般光源的原理，以產(chǎn)生選定遠場照射，注意利用符號轉(zhuǎn)換，圖6B中θ角度為負。對于利用二維朗伯光源的均一遠場照射，同時解方程(18)和(19)。在該實例中，方程19變?yōu)?，Risin(Φi-θi)cos2θi＝I(θi)一般地，用于裸露的二維朗伯光源，I(θi)≌δcosθiδ≌acosθi/l，及l(fā)≌d/cosθ于是，I≌cos3θ.
在選定均勻遠場照射中，I(θi)＝C，如果在B部分第一段最后解方程，那么d/dΦ(logRi)＝tan(Φi-θi)/2，及l(fā)ogRI+log sin(Φi-θi)+2log cosθi＝logC＝常數(shù)解dΦi/dθi＝-2tanθisin(Φi-θi)-cos(Φi-θi)，或者令Ψi＝Φi-θidΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨi用傳統(tǒng)方法，如Runge＝Katta方法根據(jù)數(shù)字解方程，對于恒定照射，開始于在θI處Ψi＝0，dΨi/dθi＝1+sinΨi-ntanθicosΨI其中對于二維光源n＝2。
圖6C中示出了對于二維解的得出的反射器輪廓，在表III中示出了表格化數(shù)據(jù)的特性。圖7A的光線軌跡擬和中清楚地示出了二維解中相當(dāng)精確的特征。用于完成這些有選擇計算的計算機程序作為附錄包括在本說明書中。對于裸露的三維朗伯光源I(θi)≌cos4θi，2＜n＜3。
圖7B中示出了用于該三維解的光線軌跡擬和，其中的n值用于均勻遠場照射的期望最終結(jié)果而進行擬和。其中最佳擬和值為大約n＝2.1。
其他對于不同照射光源的一般例子包括(1)I(θi)≌A exp(BθI)。用于二維指數(shù)照射，其中必須解下面方程，dΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨ+Bi；及(2)I(θi)≌A exp(-BθI)，對于高斯照射的二維解，其中必須解下面方程，dΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨi-Bθi。
B部分的第一段中的方程當(dāng)然可歸納后包括對于任何期望均照射的任何光源，其中本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以傳統(tǒng)方式獲得會聚性的解。
在下面表II中以輸出的表格形式示出了圖1光學(xué)裝置的均勻光束輪廓的光線軌跡。
表II
表III
C、擴展的限定尺寸的光源在本部分，我們證明CEC反射器可設(shè)計成多么緊密，以在距離給定的限定尺寸光源的給定目標(biāo)距離處產(chǎn)生期望的輻射分布。該方法是基于使反射器適合邊緣光線族，但同時反射的光源圖像的邊緣光線也得到控制。
為了把邊緣光線調(diào)整成二維，例如，可假設(shè)邊緣光線族由照明光源產(chǎn)生。經(jīng)過照明光源外一定距離的每一點都是精確的一條邊緣光線。邊緣光線的方向是連續(xù)和可微分的位置矢量函數(shù)。如果在該一定距離處的相同區(qū)域有由另一個連續(xù)矢量函數(shù)表達的第二假定的邊緣光線族，那么我們就可設(shè)計精確地把一族光線反射到另一族的反射器。在空間的每一點是每一族光線的一元的交點。于是，以傳統(tǒng)已知的方式計算在空間每一點期望反射器的斜度。這樣，一旦選擇起始點可獲得唯一表示反射器的微分方程。
例如，我們可使用于假定邊緣光線族僅僅是沿參照光線給出情況的想法的正式化，其中參照線不一定是直線。這屬于在解決照射必要條件中碰到的通常問題。
參照圖21，令a＝a(x)為從點X指向光源102邊緣的二維單元矢量100，其中k＝k(t)為根據(jù)標(biāo)量(scalar)參數(shù)t的參照線104的參數(shù)化(parameterization)。令u(t)為在邊緣光線107光線的單元矢量106，指向期望由t表示的參照位置。
我們通過把在反射器108上的點寫成R(t)＝K(t)+Du(t) (35)來把反射器108輪廓相對于參照線104進行參數(shù)化。
在這里，標(biāo)量D表示從參照線104上的點經(jīng)過該點沿著期望邊緣射線107到反射器108的距離。
以該表達式(notation)設(shè)計反射器108的形狀等同于規(guī)定標(biāo)量函數(shù)D＝D(t)。關(guān)于D的方程從下面條件獲得，即反射器108應(yīng)該沿u(t)反射期望光線107到實際邊緣光線a(R(t))，反之亦然。dR(t)dtis perpendicular to(a(R(t))-u(t)).-----(36)]]>把方程(35)插入上式，得到，dDdt=dk/dt•(a-u)+D(du/dt)-a(1-a)•u.----(37)]]>在這里圓點表示標(biāo)量乘積。方程(37)為標(biāo)量函數(shù)D(t)的標(biāo)量微分方程D(t)。通過解該方程，我們可確定反射器108，該反射器108使由一元矢量106表達的期望邊緣光線107族適合于以矢量函數(shù)a為特征的光源102。
該方法也可用于把邊緣光線107族滿足于反射器外的其他折射材料，方程(36)于是可由Snell定律替代。
因此，在該實施例中解存在的條件是反射器108上的每點與假定邊緣光線族的一條精確地相交。為了確定沿參照線104的邊緣光線族107，在參照線104上的每一點也一定由一條假定的邊緣光線精確地相交。這是假定邊緣光線限定產(chǎn)生光線的物理表面的必要條件。物理輪廓的邊緣光線族107(例如右邊邊緣光線)也必須滿足另外的必要條件，即一條邊緣光線族107精確地穿過在輪廓整個外面空間的每一點。外面通過調(diào)整可真正地產(chǎn)生邊緣光線族107，但邊緣光線族107不能由一個物理光源產(chǎn)生。這可通過下列現(xiàn)象而確認，即曲面鏡不僅產(chǎn)生光源的歪曲圖像，而且還產(chǎn)生當(dāng)觀察者移動時也移動的圖像。
在反射器108上的每一點，以及參照線104上的每一點應(yīng)通過一條期望邊緣光線107而相交，這意味著這些邊緣光線107形成的聚散線不與反射器108或參照線104相交。聚散線限定為光線的切線。聚散線或者必須是完全在反射器108和參照線104之間的區(qū)域，或者是完全在該區(qū)域外。這些可選擇項的第一項作為CEC型解的特征，而第二項則確定了CHC型解。
為了確定期望的邊緣光線107，例如，從均一亮度B的朗伯光源發(fā)出的輻射由其投射的立體角或視角因數(shù)給出。在傳統(tǒng)的已知方式中，視角因數(shù)通過首先把光源102投射到觀察者周圍的一個半球面上(產(chǎn)生立體角)，然后把光源102再次投射整圓到參照平面的切線上。視角因數(shù)由光源102的輪廓確定。這可由觀察者看到。例如在二維的情況下，輻射E為，E＝B(sinrR-sinrL)， (38)其中rR和rL分別是垂直于參照線和射在觀察者右邊緣光線和左邊緣光線之間的角度。如果已知亮度B，期望輻射E和一條邊緣光線，那么方程(38)可用于確定另一條邊緣光線的期望方向。
下面考慮到給定形狀的光源110的例子(見圖22)。于是外面可知以觀察者位置為函數(shù)的由觀察者可見到的邊緣光線的方向。光源110的形狀可由其所有切線來限定?，F(xiàn)在我們就可設(shè)計反射器108，于是就可把特定輻射分布反復(fù)反射到給定參照線104上。
在該反復(fù)的過程中，如果觀察者沿參照線112從右到左反復(fù)進行，那么對于看到的反射就在相對方向移動。如圖22A中所示，正如觀察者所看到的，右邊緣光線114是右邊緣的反射，這從反射器116中可以看到，同時還起到沿反射器116引導(dǎo)邊緣光線114’的作用，左邊緣光線118’追隨其后，如圖22A所示，作為反射的追隨邊緣光線。對于CHC型反射器126(見圖22B)，光源110的反射圖像以與觀察者的同一方向移動，觀察者看到的右邊緣是左邊緣的反射，如果已知反射器106的一部分，則由反射器126的已知部分反射的追隨邊緣光線128’可計算成在參照線112上位置的函數(shù)。于是可解方程(37)，以使反射器輪廓的下一個部分適合該引導(dǎo)邊緣光線130。
考慮到邊界條件，如果反射器116或126終止，那么反射的輻射也不會終止，在其中從來自反射器116或126的末端的引導(dǎo)邊緣光線在參照線112上的地方。更準確地說，反射的輻射終止在從反射器106或126來的追隨邊緣射在參照線112上(見圖23)。這樣，在參照線112上存在一個衰弱區(qū)130，從反射器116或126的末端可以看出，其中在該參照線對者在光源110的相同角度。在該區(qū)域，前面的引導(dǎo)邊緣是處于反射器116或126的末端位置131，同時追隨邊緣逐漸靠近。類似的“增強”區(qū)132存在于反射器116或126的另一端，其中，追隨光線開始固定在反射器116的“起始”位置134上。然而，在這兩區(qū)域存在重要的概念區(qū)別，在于輻射的“增強”區(qū)可通過修改反射器116或126適應(yīng)引導(dǎo)邊緣而改型，同時“衰弱”區(qū)不受影響，一且反射器116或126終止。這樣，用這種區(qū)別的方式，我們就可在反復(fù)修改反射器116或126中進行。
如果光源在所有方向輻射，則我們希望避免截流輻射(即輻射反射回光源110)，于是從反射器140每一側(cè)來的反射的輻射覆蓋反射器140的整個目標(biāo)區(qū)域(見圖24)。同時，垂直于反射器表面的光線不與光源110相交。這樣，反射器140的左側(cè)部分142和右側(cè)部分143在尖點連在一起。在目標(biāo)區(qū)域的觀察者于是可看見來自光源110兩個不同反射區(qū)的輻射，除了從光源110來的直接輻射外，還有來自反射器140的每個部分142和143。
如圖24所示，如果我們假定是對稱、并確定反射器表面是連續(xù)和可微分的(除了對稱平面中的尖點外)，那么我們需要的是，從對稱平面可以看出，兩個可見的反射是相同的。對于在目標(biāo)區(qū)域中的所有其他點，我們現(xiàn)在具有另外的選擇反射器140的每個部分142和143的相對分布的自由度。在CEC型解中，兩個反射位于目標(biāo)空間和反射器140之間。這樣當(dāng)觀察者移動，兩個反射圖像在相對方向移動。當(dāng)觀察者靠近被照亮目標(biāo)區(qū)域的最外部分時，在相同一側(cè)的反射首先在中心尖點處消失。這樣，正對觀察者的反射經(jīng)過相對的反射器的外邊緣開始消失，同時光源本身被在觀察者一側(cè)的另外反射器部分的外邊緣遮蔽。這些結(jié)果確定了反射器140的端點，因為目前在目標(biāo)區(qū)域中的總輻射與由光源110發(fā)生的輻射相同。D、用于恒定輻射的CEC型反射器CEC型反射器150可在距均一亮度的限定尺寸圓柱光源152的一定距離平面上產(chǎn)生恒定輻射。這需要角度能量分布與1/cos2(θ)成正比。在圖25中，示出了來自兩個反射區(qū)的必要能量，于是總能量就是所需要的能量。在圖26中示出了反射器150。反射器150設(shè)計成從對稱軸中尖端開始。注意每個反射區(qū)幾乎在相反端輻射，而也從另一側(cè)看到。在圖12中通過字母A到E特別設(shè)計了一些角度。在圖27中也示出了對應(yīng)的邊緣光線。
在-A和+A角度之間，反射緊靠光源152。在中央的尖點154不可見。在A和B角之間，來自與觀察者同側(cè)的反射緩慢消失在尖點154，同時另外的反射補償?shù)卦诔叽缟显黾?。從C開始，光源152被反射器150末端逐漸遮掩?？色@得恒定輻射的最大角度用D表示，光源152不可見。能量由相對側(cè)反射區(qū)獨自產(chǎn)生。把反射器截短，于是在D和E之間，反射在反射器150末端逐漸消失。
輻射同一側(cè)(same side)的反射器150內(nèi)部，在某些程度是任意的。在示出的實例中，我們設(shè)計成漸開線，因為這可避免截留輻射，同時可獲得更緊湊的設(shè)計。在中心，來自每個反射區(qū)的能量非常接近于光源152本身的能量。一旦確定了輻射到同一側(cè)的能量，反射器150設(shè)計成使兩個反射區(qū)的分布之和與光源152與期望的分布匹配。開始不知道反射器150遮蓋光源152，因為取決于端點，所以向外進行。這個問題要通過重復(fù)整個設(shè)計程序幾次來解決。
截短點是通過這樣準則來確定，即反射器150與來自尖點154的B表示的邊緣光線相交。該準則也是把內(nèi)部設(shè)計成漸開成的原因。
圖25和圖27中的角度衰弱范圍D到E只取決于端點到光源152的距離。根據(jù)從尖點154到光源152的起始距離，裝置可設(shè)計成或者要更緊湊，但有寬的衰弱區(qū)，或者是較大而帶有更窄衰弱區(qū)。示出的反射器150具有2.85倍光源直徑的尖點距離。端點處在8.5倍光源直徑的距離處。這確保了在-43度和43度之間產(chǎn)生恒定輻射。衰弱區(qū)僅7度。選擇了這樣設(shè)計，于是光源152恰好在截去的角度之前被遮掩。如果設(shè)計為最小量的反射的話，反射器150不能做得更緊湊。在圖27中所示的，在角度D，開口幾乎充滿了輻射。反射器150從光源152向上延伸的距離也由在角度D需要產(chǎn)生的最大能量來確定。尖點154的距離也不能減少，否則，反射器150的末端靠得太近，反射器150必須截短，產(chǎn)生的最大能量也就減少了。
上面描述的實施例，包括至多一個反射區(qū)。然而，在本發(fā)明的其他形式中，可利用這里提供的教導(dǎo)，設(shè)計出基于多個反射區(qū)的不同系統(tǒng)。
這個自由度可用于使反射器適合于其他準則，如緊湊的需要。在某些情形中，與反射區(qū)能量無關(guān)，一旦確定了一般結(jié)構(gòu)，使反射器適合一組邊緣光線，即確定了形狀，而沒有近似值的需要或最優(yōu)化。我們強調(diào)的是，在該技術(shù)中，總的內(nèi)部反射具有重要的角色。
圖28是用于本發(fā)明應(yīng)用的太陽能收集器208的透視圖，圖29a是圖28的收集器208沿剖面線28-28的剖面圖。在圖28和29a中，管筒210封閉于第一端212和第二端214，管筒210、第一端212和第二端214結(jié)合形成了殼體215，于是可保持殼體215內(nèi)的真空。放置有第一反射器216和第二反射器218，把入射光反射到中央管224上。吸收器226以較大端228固定到中央管224上。有尖的末端230延伸或靠近反射器216或218其中之一。反射器216和218基本上在中心線232的相對兩側(cè)，該中心線在當(dāng)需要最大強度時，基本上指向太陽。管筒210可以部分地或完全透明，但當(dāng)反射器216和218為透明管筒210的一部分，該管筒鍍銀或鍍鋁，或者進行其他處理，以提供可反射的涂層時，通常是部分地透明。反射器216和218也可以是固定在殼體215內(nèi)部需要的反射結(jié)構(gòu)的金屬片。反射器216和218其中之一可鍍銀，或者在管筒210內(nèi)常有可反射涂層，而其中另一個可以是金屬片。
如果反射器216和218不是如它們可能是的圓筒剖面結(jié)構(gòu)，它們也可以設(shè)計成根據(jù)已知的應(yīng)用計算過的曲面。這些計算在美國專利US3,959,041、US4,002,499、US4,003,638、US4,230,095、US4,387,961、US4,359,625和US5,289,356中一些或全部中詳細描述過，在這里參照地引用。反射器216和218的目的是把太陽能反射到中心管224以及吸收器226上，以待從光源太陽能收集器208中取出，用于加熱物體。在上面提到的專利US4,230,095中描述過，吸收器226沿中心線232或垂直于該中心線設(shè)置。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收器226處于與中心線232成大約90度角朝反射器216、218傾斜，或兩種情形都有時，太陽能收集器最有效率。如果收集器的幾何結(jié)構(gòu)不對稱，那么中心線232一般處于光源太陽能收集器208在使用時瞄準的方向，并作為光源太陽能收集器208的軸234?？赡苊闇实慕嵌劝?，但不限于的是春分時太陽正午時的位置，角度在春分的和冬至的太陽正午位置之間，或者角度在春分的和夏至太陽正午位置之間，或任何其他選擇的以滿足特定目的的角度。
圖29b、29c和29d為圖28和29a太陽能收集器的可替代實施例的橫截面，同時反射器216和218由溝帶隔開，該溝帶具有溝帶損失阻止結(jié)構(gòu)221。溝帶損失阻止結(jié)構(gòu)221包括與反射器216和218相近的幾個V形部分。圖29c具有帶較多V形部分的溝帶損失阻止結(jié)構(gòu)223的可替代實施例。對可用在溝帶損失阻止結(jié)構(gòu)中的V形區(qū)的數(shù)量沒有限制，這些結(jié)構(gòu)不是需要V形的，而是滿足前面描述設(shè)計規(guī)則的任意形狀。在圖29b、29c和29d中，反射器216和218不需要是平滑的，而是可以是隆起帶有垂直于接收器225軸的V形，或者其他給定的不規(guī)則、不對稱的幾何結(jié)構(gòu)。圖29e和29f示出了圖29b、29c和29d的接收器225的可替換形式。
在圖30中，沉淀材料240為傳統(tǒng)的吸氣劑，該吸氣劑在低溫吸氣、高溫放氣。低溫的選擇成在該溫度下，被動式太陽能吸收器208可操作，高溫是吸收器208由于過熱燒壞的溫度范圍。從沉淀材料240中釋放氣體將減少殼體215內(nèi)的真空度，并減少收集器208的熱效應(yīng)，因而減少收集器208的溫度。
圖31為圖28和29的外管的一部分，示出了機械遮光物和傳感器以及遮光物的控制系統(tǒng)。在圖31中，卷輥250支持卷在卷輥250上的柔性不透明材料板。溫度傳感器254連接到被動式太陽能收集器210上，以感覺其溫度。當(dāng)溫度傳感器254探測到對于太陽能吸收器208太高的溫度時，在光源太陽能收集器208由于過熱燒壞前，溫度傳感器254使控制系統(tǒng)釋放遮光板252遮蓋被動式太陽能吸收器208?？刂葡到y(tǒng)可以是展開板252的電機。被動式太陽能吸收器208也可由硬覆蓋物258保護，該硬覆蓋物258應(yīng)從溫度傳感器254來的信號并在控制系統(tǒng)256控制下移動到位，或者覆蓋物258也可通過易熔連接件260而懸掛，如果光源太陽能收集器208過熱，連接件使硬覆蓋物258落到位。圖32是類似于圖28和圖29a的裝置在晴天的熱性能。
圖33為本發(fā)明的非成像太陽能收集器208的可選擇實施例的側(cè)視圖，該實施例包括幾個不同的用于反射器表面的處理形式，圖34為圖33的收集器的端視圖，圖35為圖33收集器的俯視圖。圖38、圖39和圖40分別為太陽能收集器330的可選擇實施例的俯視圖、端視圖和側(cè)視圖，其中該收集器具有在區(qū)域334平滑的突脊332以及區(qū)域338參差不齊的突脊336。在圖33、34、35、38、39和40中太陽能收集器260是一般的凹槽形。太陽能收集器260具有區(qū)域262，區(qū)域262具有呈現(xiàn)圓筒對稱的表面264。表面264可以是平滑的，或者包含在表面264上規(guī)則或不規(guī)則布置的一組突起266、凹陷268，或者兩者都有。區(qū)域272由非對稱表面274和276形成表面274和276中兩者都包含或者都不包含一組突起278、凹陷280，或兩者同時球形凹槽狀的表面274和276局部離開圓筒對稱凹槽，以在太陽能入射角和太陽能接收器260的角度接收之間提供超級阻抗匹配(impredance)。在圖38、39和40中，區(qū)域338具有由平面形成的突脊336，該平面折彎成圖33、34和35的光源太陽能收集器260的一般形式，區(qū)域334具有曲率增大的突脊332。突脊336具有尖的邊緣，在其中突脊連在一起，也可以是圓的邊緣。太陽能收集器260可以具有突起266、凹陷268、突脊336和332尖邊緣、圓邊緣或其他形狀的一些或全部，它們可以為了光收集而最優(yōu)化，其中可利用計算機分析，通過Trnsys、上面提到的計算機程序、線追蹤程序或其他的結(jié)合。所有的表面264、274和276可以或不具有凹口或凹陷。太陽能收集器260可具有連續(xù)的表面，可具有溝帶結(jié)構(gòu)292，或者可以在光管294終止。
在圖33、34、35、38、39和40中，反射的陽光使可以是兩種類型任何之一的吸收器304加熱。圖36是一種類型，為液體吸收器306的局部剖面圖，該收集器流有經(jīng)過雙管310的液體308。熱交換器312再提供熱以備利用。圖37是另一種類型的熱管的局部剖面圖，其中熱管314把熱量提供到熱交換器316上。液體318是熱交換器媒質(zhì)。熱管314部分抽空并部分充滿液體318，圖37的熱管314具有的優(yōu)點是，它不需要用泵抽吸、干燥連接、防漏，有過熱和冷凍安全保護。
除了上面描述過的在收集器260表面上的不規(guī)則結(jié)構(gòu)外，用于熱管328收集，也可以并有效利用其他不規(guī)則結(jié)構(gòu)。圖38、圖39和圖40分別是太陽能收集器330的可選擇實施例的俯視圖、端視圖和側(cè)視圖，其中該收集器在區(qū)域334具有平滑的突脊，也在區(qū)域338參差不齊的突脊336。在圖38、39和40中，突起332和336可以是任何方向，并具有恒定或變化的以沿太陽能收集器330位置為函數(shù)的幅度和深度。
太陽能收集器的一個效果是其為熱玻璃管或類似結(jié)構(gòu)。為了使用太陽能，有必要從玻璃管中提取熱量，該玻璃管可以是普通玻璃管、杜瓦管或其他類似的管。提取意味著建立與玻璃管的連接或類似結(jié)構(gòu)，一般地是，在管內(nèi)部用要加熱的載液管。熱連接可以是用導(dǎo)熱金屬肋或其他熱連接到載液管中的熱交換器。熱連接器也可以通過把載液管封在也與熱玻璃管連接的油脂或面團中而建立起來。
本系統(tǒng)有用的附屬物在1998年11月27日出版的第282卷的“科學(xué)”雜志中題為“絕緣全方向反射器”的文章中描述過，該文章在這里被參照地引用。在該文章中，在制造由多層膜組成的全絕緣全方向反射器中采用的設(shè)計準則是，對于在較寬可選擇頻率范圍內(nèi)所有的入射光極化中，允許真正全方向反射。該反射器反的成一疊9層可選擇的微米厚的聚苯乙烯和碲層，并證明了在10到15微米的波長范圍內(nèi)的全反向反射。因為全方向原則是通用的，可用于在許多需要的頻率范圍內(nèi)設(shè)計全方向反射器。潛在的用途取決于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)。例如，封閉件的涂層會產(chǎn)生光學(xué)空腔?？展軙a(chǎn)生低損耗、寬帶的波導(dǎo)，平面膜可在熱電裝置中用于有效的熱輻射屏障或收集器。在1999年5月的“光譜”上3M公司公布了具有相類似性能的商業(yè)收集器。
在已經(jīng)建立并測試過的本發(fā)明實施例中，管210由玻璃做成，長度大約2米，直徑10到20厘米的量級。這些尺寸為描述而提出，并不限定本發(fā)明的范圍。本實施例中的反射器216和218在其管210內(nèi)表面上鍍銀或帶有其他可反射涂層，于是它們是對稱并呈現(xiàn)圓筒剖面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)鍍銀或另外帶有大約90度的可反射涂層。吸收器為懸在中心管224上的金屬箔的一段，并沿基本上平行于中心管224的線連接，中心管224靠近或接觸反射器216和218中的兩者之一，并相對于收集器軸處于大約90度角。利用本系統(tǒng)的實驗結(jié)果表面，在到收集器的較寬入射角范圍，可進行有效的太陽能收集。
通過參照本附加的權(quán)利要求書，可以看到本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征。除了已經(jīng)描述的實施例外，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明范圍情況下，可對實踐本發(fā)明的方法進行變化，本發(fā)明的范圍僅通過權(quán)利要求書以及在權(quán)利要求書中聲明的裝置的等同物來限定。
附錄-計算機軟件程序<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[program coordinatesdimensionr(1200)，theta(1200)，dzdx(1200) dimension xx(1200)，zz(1200) real 1，k1，k2，k3，k4 parameter(degtorad＝3.1415927/180.0) write(*，*)＇Enter radius of cylindrical absorber.＇ read(*，*)a write(*，*)＇Enter gap size.＇ read(*，*)b write(*，*)＇Enter constant.＇ read(*，*)c write(*，*)＇Enter maximum height.＇ read(*，*)h]]></pre>產(chǎn)生漸開成的50個點<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ alpha0＝acos(a/(a+b)) do 100 i＝1，50，1 alpha＝((90*degtorad-alpha0)./49.0)*float(i-50)+90*degtorad x＝a*sin(alpha)-d*cos(alpha) z＝-a*cos(alpha)-d*sin(alpha) r(i)＝sqrt(x**2+z**2) theta(i)＝atan(z/x) phi＝theta(i)+(90.0*degtorad) continue theta(1)＝-90.0*degtorad]]></pre>產(chǎn)生Wimston型集中器的150個點<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ v＝0.0 h＝0.001 phi0＝theta(50)+(90.0*degtorad)+0.001 phi＝phi0 f＝alog(r(50)) do 200 while(v.eq.0.0) phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2-h-tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝b*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f-f＇(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0)rad＝exp(f) z＝rad*sin(phi-(90*degtorad)) if(z.ge.a)then phimax＝phi write(*，*)＇phimax＝＇，phi/degtorad v＝1.0 endif continue f＝alog(r(50)) phi＝(-1.0/149.0)*(Phimax-phi0)+phi0 h＝(phimax phi0)/149.0 do 300 i＝1，150，1 phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f＝f+(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) r(i+50)＝exp(f) theta(i+50)＝phi-(90.0*degtorad) continue stop end Program coordinates Dimensionr(1200)，theta(1200)，dzdx(1200) Dimension xx(1200)，zz(1200) real 1，k1，k2，k3，k4 parameter(degtorad＝3.1415927/180.0) write(*，*)＇Enter radius of cylindrical absorber.＇ read(*，*)a write(*，*)＇Enter gap size.＇ read(*，*)b write(*，*)＇Enter constant.＇ read(*，*)c write(*，*)＇Enter maximum height.＇ read(*，*)h]]></pre>產(chǎn)生漸開成的50個點<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ alpha0＝acos(a/(a+b)) do 100 i＝1，50，1 alpha＝((90*degtorad-alpha0)/49.0)*float(i-50)+90*degtorad d＝(alpha-alpha0)*a+sqrt((a+b)**2-a**2)x＝a*sin(alpha)-d*cos(alpha) z＝-a*cos(alpha)-d*sin(alpha) r(i)＝sqrt(x**2+z**2) theta(i)＝atan(z/x) phi＝theta(i)+(90.0*degtorad) continue theta(1)＝-90.0*degtorad]]></pre>產(chǎn)生Wimston型集中器的150個點<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ v＝0.0 h＝0.001 phi0＝theta(50)+(90.0*degtorad)+0.001 phi＝phi0 f＝alog(r(50)) do 200 while(v.eq.0.0) phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2-h-tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝b*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f-f＇(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) rad＝exp(f) z＝rad*sin(phi-(90*degtorad)) if(z.ge.a)then phimax＝phi write(*，*)＇phimax＝＇，phi/degtorad v＝1.0 endif continue f＝alog(r(50)) phi＝(-1.0/149.0)*(phimax-phi0)+phi0 h＝(phimax phi0)/149.0 do 300 i＝1，150，1 phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f＝f+(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) r(i+50)＝exp(f) theta(i+50)＝phi-(90.0*degtorad) continue stop end]]></pre>
權(quán)利要求
1.一種被動式太陽能收集器，包括a)至少是部分透明的管筒；b)第一端和第二端，該第一端和第二端與管筒連接，以形成使其保持部分真空的殼體；c)第一反射器，位于殼體內(nèi)并反射進入到殼體內(nèi)的光；d)位于殼體內(nèi)的中心管；及e)吸收器，該吸收器位于殼體內(nèi)，以便吸收由第一反射器反射的光，并把吸收的光提供到中心管。
2.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，還包括位于殼體內(nèi)的第二反射器，其中設(shè)置有吸收器，以便使第二反射器接收光。
3.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中管筒是玻璃的。
4.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中管筒是玻璃的。
5.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中第一反射器是表面處理后以提供反射涂層的管筒的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中第一反射器是成形的反射器。
7.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中第一反射器是成形金屬反射器。
8.權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中第一和第二反射器是表面處理后以提供反射涂層的管筒的一部分。
9.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中第一和第二反射器是成形的反射器。
10.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中第一和第二反射器是成形金屬反射器。
11.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中第一和第二反射器之一是表面處理后以提供反射涂層的管筒的一部分，而第一和第二反射器中的另一個是成形反射器。
12.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對于被動式太陽能收集器軸的零度和九十度之間的角度來設(shè)置。
13.如權(quán)利要求12所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對太陽能收集器的大約90度的角度來設(shè)置。
14.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對于太陽能收集器的零到九十度之間的角度來設(shè)置。
15.如權(quán)利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對于太陽能收集器的大約九十度的角度來設(shè)置。
16.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，還包括位于殼體內(nèi)的吸氣劑，保護被動式太陽能收集器避免過熱。
17.如權(quán)利要求2所述的被動式太陽能收集器，還包括a)不透明材料板；b)可對被動式太陽能收集器的溫度做出響應(yīng)的溫度傳感器；及c)移動不透明材料板的裝置，使該板覆蓋被動式太陽能收集器，從而如果溫度傳感器探測到過高溫度時，遮蓋該被動式太陽能收集器。
18.如權(quán)利要求17所述的被動式太陽能收集器，其中不透明材料板是柔性的，同時移動該不透明材料板的裝置包括帶有處于卷繞狀態(tài)的不透明材料板的卷輥以及連接到傳感器上的機構(gòu)，該機構(gòu)用于響應(yīng)探測到的過高溫度，釋放不透明材料板，以覆蓋收集器。
19.如權(quán)利要求17所述的被動式太陽能收集器，其中不透明材料板基本是硬的而且移動該不透明材料板的裝置包括鉸接支撐件，該支撐件用于旋轉(zhuǎn)硬的不透明材料板，以便響應(yīng)探測到的過高溫度來覆蓋收集器。
20.如權(quán)利要求16所述的被動式太陽能收集器，還包括a)不透明材料板；b)可對被動式太陽能收集器的溫度做出響應(yīng)的溫度傳感器；及c)移動不透明材料板的裝置，以使該板覆蓋被動式太陽能收集器，從而如果溫度傳感器探測到過高溫度時，遮蓋該被動式太陽能收集器。
21.如權(quán)利要求20所述的被動式太陽能收集器，其中不透明材料板基本是硬的而且移動該不透明材料板的裝置包括鉸接支撐件，該支撐件用于旋轉(zhuǎn)硬不透明材料板，以便響應(yīng)探測到的過高溫度來覆蓋收集器。
22.如權(quán)利要求17所述的被動式太陽能收集器，其中不透明材料板是柔性的而且移動該不透明材料板的裝置包括帶有處于卷繞狀態(tài)的不透明材料板的卷輥以及連接到傳感器上的機構(gòu)，該機構(gòu)用于響應(yīng)探測到的過高溫度，放開不透明材料板，以覆蓋收集器。
全文摘要
一種被動式太陽能收集器208,在管筒210中具有一個反射器或一組反射器216、218,該管筒為部分真空,并完全或部分透明。吸收器226收集由反射器或反射器組反射的光,并從收集的光中把能量傳送到中心管中,該中心管加熱如水或其他液體的物質(zhì)。吸收器226位于與被動式太陽能收集器的軸成一定角度的位置。被動式太陽能收集器208通過如吸氣劑或透明屏障件的一個或多個裝置來抵抗過熱而得到保護,吸氣劑240釋放氣體以減弱真空;透明屏蔽件所處位置可響應(yīng)過熱指示覆蓋反射器。太陽能收集器的反射表面可以是對稱或不對稱的,可以是平滑的或可具有凹陷。
文檔編號F24J2/46GK1378633SQ00813977
公開日2002年11月6日 申請日期2000年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月9日
發(fā)明者羅蘭溫斯頓 申請人:太陽企業(yè)國際有限責(zé)任公司