專利名稱：用陽(yáng)光照射放在目標(biāo)平面中的物體的太陽(yáng)能裝置的多小面聚光鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能技術(shù)，具體地說(shuō)涉及采用聚光的太陽(yáng)輻射測(cè)試材料和制品對(duì)陽(yáng)光和天氣因素的耐受性。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)大氣和太陽(yáng)輻射的綜合作用在各種不同的材料和制品中引起不可逆的變化、降解和自然老化。這種變化的最典型和最重要的 (與技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素有關(guān)的)實(shí)例表現(xiàn)為在結(jié)構(gòu)材料、飾面材料、油漆和清漆和紡織品染料的顏色方面的變化(被稱為褪色和變色)和作為在溫室中使用的聚乙烯薄膜在一兩個(gè)季節(jié)之后的脆化和破裂的效果能夠得到證明的聚合物材料的機(jī)械性能下降。
這些和其它的降級(jí)過(guò)程的速率取決于大氣、溫度和暴露在光線之下的綜合作用。在太陽(yáng)光譜的紫外(UV)區(qū)段(290-450nm)，暴露在光照射之下是最顯著的。在材料的降解過(guò)程中，太陽(yáng)的紫外線輻射的主要作用的物理性質(zhì)是通過(guò)陽(yáng)光中的光子能量對(duì)應(yīng)于有機(jī)化合物和有機(jī)元素化合物(organoelernentcompound)的典型的化學(xué)鍵(C-C、CN、C-O、C-″F、C-Cl等)的斷裂能量這一事實(shí)引起的。
用太陽(yáng)光譜中的長(zhǎng)波區(qū)段的光線(可見(jiàn)光和紅外線)照射材料僅僅是造成給材料加熱的原因。
對(duì)日光的在博覽會(huì)之上的在～小面的不能還原的改變的上述的在涂料和材料的著色方面不可逆的變化與暴露于陽(yáng)光下的依從關(guān)系是涉及建筑物在城市內(nèi)變換不定的復(fù)合照明條件下外表的涂層和嵌板的長(zhǎng)期行為的關(guān)鍵因素。因此，測(cè)試和確認(rèn)對(duì)天然的陽(yáng)光照射敏感的各種材料和制品在經(jīng)濟(jì)上具有非常實(shí)際的重要意義。
目前，模擬照射條件，尤其是模擬與一套影響樣品的不同的大氣因素相結(jié)合的多重聚光區(qū)域的輻射是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。這是由一系列實(shí)際的技術(shù)因素引起的即使專門(mén)為模擬天然陽(yáng)光輻射而研制的最好的金屬-鹵素?zé)舻墓庾V也表現(xiàn)出明顯的線性結(jié)構(gòu)，尤其是在感興趣的紫外線光譜范圍；因此，人們應(yīng)該預(yù)期天然陽(yáng)光和所述的燈光引起的材料降解的機(jī)理可能有顯著的區(qū)別；為了提供測(cè)試結(jié)果的高可信度，在整個(gè)目標(biāo)區(qū)域上照射通量密度的均勻性同樣應(yīng)該非常高的(在百分之幾的范圍內(nèi))；以及為了減少由于吸收陽(yáng)光中的可見(jiàn)光和紅外線部分造成的在測(cè)試條件之下樣品被過(guò)度加熱的因素，必不可少的是提供專用措施(除了樣品可能得到的冷卻)，具體地說(shuō)是把太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光和紅外線部分從入射到樣品上通量中濾掉。
在現(xiàn)有技術(shù)，已揭示出一系列聚光鏡，它們代表使用聚光的太陽(yáng)輻射用于快速日光自然老化試驗(yàn)的太陽(yáng)能裝置的某些零部件。例如，在蘇聯(lián)發(fā)明家證書(shū)第139513號(hào)IPC GO1H 17/02中太陽(yáng)能裝置揭示一種包括由6個(gè)平面鏡(每個(gè)尺寸為2×1.3米)組成的聚光鏡打算用來(lái)對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試的儀器。這些平面鏡被成對(duì)地安裝在3個(gè)機(jī)械上互相連接的平臺(tái)上。這些平臺(tái)一個(gè)接一個(gè)地沿著兩條鋪設(shè)在7米半徑的圓形路徑上的軌道一起移動(dòng)。在測(cè)試條件下裝樣品的平面單元(尺寸為2×1.3)位于這條圓形路徑中心。然而，高材耗和由此帶來(lái)的大重量、復(fù)雜的太陽(yáng)追蹤運(yùn)動(dòng)學(xué)以及不可能獲得太陽(yáng)輻射的高聚光比(大約為100)是這個(gè)設(shè)計(jì)明顯的缺點(diǎn)。
在蘇聯(lián)發(fā)明家證書(shū)第1746157號(hào)，IPC F24J 2/42中揭示了作為所述的太陽(yáng)裝備的一部份的拋物面聚光鏡。這個(gè)聚光鏡是由平坦的小面組成的。然而，這個(gè)聚光鏡的設(shè)計(jì)也是以被復(fù)雜的太陽(yáng)追蹤和不可能獲得太陽(yáng)能的高聚光比為特色的。
在蘇聯(lián)發(fā)明家證書(shū)第1800243號(hào)IPC F24J 2/42中揭示了一種由平坦的小面組成的原型聚光鏡設(shè)計(jì)。這個(gè)聚光鏡設(shè)計(jì)有重要的缺點(diǎn)，即聚光比的增加也僅僅是通過(guò)在目標(biāo)平面中應(yīng)用復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)樣品運(yùn)動(dòng)學(xué)才能實(shí)現(xiàn)的。
綜上所述，確實(shí)需要不僅提供快速試驗(yàn)的性能而且模擬導(dǎo)致在幾個(gè)月到幾年期間發(fā)生的在材料的主要特征(色彩的、機(jī)械的及其它的特征)方面持續(xù)降級(jí)的過(guò)程和隨之發(fā)生的貿(mào)易質(zhì)量的損失的改進(jìn)的裝置和技術(shù)。
本發(fā)明的附加優(yōu)勢(shì)將部分地在下面的描述中予以陳述，部分地將通過(guò)描述變得明顯或者能夠從本發(fā)明的實(shí)踐中體會(huì)到。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)在權(quán)利要求書(shū)中特意指出的方法得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供允許獲得高達(dá)-100倍的聚光比的裝置。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供在單一裝置中聚光比變化小的裝置。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是在測(cè)試條件之下安排樣品的整個(gè)區(qū)域上提供被聚光的光通量的通量密度分布的最大的一致性。
本發(fā)明的第五個(gè)目的是提供盡可能接近感興趣的天然日光光譜的紫外線部分的照射光通量的光譜特性。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是在觀察這個(gè)分?jǐn)?shù)的份額組成天然日光的總通量密度的大約90％的時(shí)候減少在測(cè)試條件下由于吸收在其光譜的可見(jiàn)和紅外部份的天然日光造成的物體被過(guò)度加熱的效果。
本發(fā)明由于在測(cè)試條件下安排樣品的平面中創(chuàng)造了聚集、均勻一致、相對(duì)于光譜可選擇的光斑允許實(shí)現(xiàn)存在于用物體在廣泛多樣的測(cè)試條件下行為的非常可靠的可預(yù)測(cè)性把用來(lái)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)試所必需的時(shí)間周期減少100倍(幾天而不是幾個(gè)月或幾年)之中的必要的結(jié)果。
扼要地說(shuō)，為了解決現(xiàn)有方法的問(wèn)題，按照本發(fā)明的目的，如同在本文中被具體表達(dá)和廣泛地描述的那樣，提供了一種用來(lái)使放在目標(biāo)平面之內(nèi)的物體的暴露在太陽(yáng)的輻射作用之下的太陽(yáng)能裝置的多面聚光鏡，它包括支撐框架和用下述方法區(qū)分的小面，聚光鏡的小面是用等焦距的球面聚焦反射表面和反射太陽(yáng)輻射中想要的光譜部分的選擇性涂層選定的而且是相對(duì)于聚光鏡的公共軸線對(duì)稱地安排在支撐框架上，它們的光學(xué)軸線指向在聚光鏡的光學(xué)軸線上位于聚光鏡的名義焦點(diǎn)前面用來(lái)確定安排目標(biāo)平面的位置的一個(gè)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明是用作為實(shí)例而非限制的附解說(shuō)明的，在這些附圖中相同的參考數(shù)字指示相似的要素。


圖1展示用來(lái)證明照射目標(biāo)平面中的樣品的均勻通量的形成的方框圖。
圖2展示用來(lái)證明照射目標(biāo)平面中的樣品的均勻通量的形成的光學(xué)示意圖。
圖3展示打算用于材料在天然日光下加速老化的多小面選擇聚光鏡的實(shí)驗(yàn)裝置的相片。
圖4展示與聚光鏡小面的反射特性有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖5展示與目標(biāo)區(qū)域上通量功率的分布有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明除非另外明確地定義，在本文中使用的科學(xué)技術(shù)術(shù)語(yǔ)全都具有熟悉這項(xiàng)發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的人共同理解的意義。雖然任何類似或等價(jià)于本文中描述的方法和材料都可以在實(shí)踐和檢驗(yàn)本發(fā)明時(shí)使用，但是優(yōu)選的方法和材料是現(xiàn)在描述的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1和圖2，它們一般地展示被推薦的聚光鏡，其中相同的數(shù)字代表相同的要素。聚光鏡包括搬運(yùn)框架1，在該框架上小面2(例如，K-85級(jí)的玻璃基體)相對(duì)于公用的光學(xué)軸線被對(duì)稱地放置。在這種情況下，小面的光學(xué)軸線指向公共點(diǎn)3，該點(diǎn)位于聚光鏡的光學(xué)軸線上并且被安排在聚光鏡的名義焦點(diǎn)4的前面。公共區(qū)域6在那里定位的目標(biāo)平面5的位置是由點(diǎn)3決定的。公共點(diǎn)3被安排在名義焦點(diǎn)4的前面，以便實(shí)現(xiàn)少于最大限度的集中，而且小面的名義焦距7的一個(gè)分?jǐn)?shù)，以便保持圖像形狀與小面2大體相同，大小按距離3對(duì)距離4的比例縮小。這種瞄準(zhǔn)戰(zhàn)略和聚光鏡設(shè)計(jì)提供一種在除了擴(kuò)大小面之外不對(duì)聚光鏡做任何變更的情況下通過(guò)改變公共點(diǎn)3的距離改變聚光條件的方法。在打算暴露的物體上形成均勻一致的通量密度是使本質(zhì)上相當(dāng)?shù)暮途鶆蛞恢碌男∶鎴D像重疊。
聚光鏡按下述的模式操作。對(duì)應(yīng)于整個(gè)太陽(yáng)光譜的入射輻射照射在具有特性被事先確定的選擇性反射涂層的小面2上。從具有選擇性涂層的小面2反射的那部分輻射被引向目標(biāo)平面5。在這種情況下，所有的小面都被這樣調(diào)整，以致照明程度非常均勻的光斑被收集在目標(biāo)平面5中的公共區(qū)域6上(圖2)。在這種情況下，實(shí)現(xiàn)把用來(lái)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)試的時(shí)間周期減少100倍是可能的，取決于對(duì)太陽(yáng)輻射的聚光鏡的特殊要求。
如上所述，建議中的技術(shù)決定與已知的設(shè)計(jì)相比具有一系列優(yōu)勢(shì)，即(1)它提供必要的高聚光比(高達(dá)100倍)；和(2)沉積在玻璃面基體上的選擇性反射涂層的應(yīng)用使下述情況成為可能，即一方面在太陽(yáng)光譜的紫外線部分(在290-450納米范圍內(nèi))提供高度均勻一致的反射性(在p＝0.93-0.95的水平)，另一方面有效地濾掉在可見(jiàn)光和紅外線光譜區(qū)域的太陽(yáng)輻射(在長(zhǎng)波光譜區(qū)域中選擇性涂層的反射率， Q650nm， Q0.05)；因此，入射到小面上的太陽(yáng)的長(zhǎng)波輻射在測(cè)試條件下絕大部分穿過(guò)涂層和玻璃刻面基體透射，不命中樣品。實(shí)例這個(gè)實(shí)例涉及本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。
圖3展示為材料在天然日光下的加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)的有選擇性多面聚光鏡的實(shí)驗(yàn)裝備的相片。
圖4和5分別展示與聚光鏡小面的反射特性和目標(biāo)區(qū)域上通量功率的分布有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
雖然本發(fā)明已被詳細(xì)地描述和圖解說(shuō)明，但是人們清楚地了解同樣僅僅是作為舉例說(shuō)明和實(shí)例而不是作為限制，本發(fā)明的精神和范圍僅僅受權(quán)利要求書(shū)的制約。例如，本發(fā)明也可能被有效地用在一系列其它的應(yīng)用中，例如 用于廢水解毒、水的消毒和純化、用天然日光輻射的激光泵、使用日光能源的化學(xué)藥品的標(biāo)的攝影和光催化合成和使用聚光的太陽(yáng)輻射的光電池供電系統(tǒng)的太陽(yáng)能裝置的部件。
權(quán)利要求
1.一種用于使放在目標(biāo)平面中的物體暴露于太陽(yáng)輻射的作用之下的太陽(yáng)能裝備的多小面聚光鏡，該聚光鏡包括(A)支撐框架；以及(B)眾多小面，每個(gè)都有光學(xué)軸線和名義焦點(diǎn)，這些小面是用眾多等焦距的球面聚焦反射表面和反射太陽(yáng)輻射中想要的光譜部分的選擇性涂層選定的并且相對(duì)于聚光鏡的公共軸線被對(duì)稱地安排在支撐框架上，小面的光學(xué)軸線指向在聚光鏡的光學(xué)軸線上用來(lái)確定目標(biāo)平面的位置的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)位于聚光鏡的名義焦點(diǎn)和小面的名義焦點(diǎn)的前面用來(lái)在目標(biāo)平面提供均勻的通量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的多小面聚光鏡，其中小面包括玻璃襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的多小面聚光鏡，其中反射涂層透射可見(jiàn)光和紅外線并且反射紫外線。
全文摘要
依照所提出的發(fā)明，這項(xiàng)技術(shù)成果是這樣實(shí)現(xiàn)的，即用于把放在目標(biāo)平面中的物體暴露在太陽(yáng)輻射的作用之下的太陽(yáng)能裝備的多小面聚光鏡包括支撐框架和用下述方法區(qū)分的小面，即聚光鏡的小面是用等焦距的球面聚焦反射表面和反射太陽(yáng)輻射中想要的光譜部分的選擇性涂層選定的而且相對(duì)于聚光鏡的公共軸線被對(duì)稱地安排在支撐框架上，它們的光學(xué)軸線指向在聚光鏡光學(xué)軸線上位于聚光鏡的名義焦點(diǎn)前面并且確定安排目標(biāo)平面的位置的一個(gè)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F24J2/10GK1420992SQ01805675
公開(kāi)日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月7日
發(fā)明者艾倫·A·萊溫道斯基, 維拉迪斯洛·亞姆波利斯基, 瓦樂(lè)里·艾歷克西弗, 瓦倫丁·桑 申請(qǐng)人:米德韋斯特研究院