非成像的光學照亮系統的製作方法

2023-09-12 15:49:15

專利名稱：非成像的光學照亮系統的製作方法
技術領域：
本發明為一種用於收集陽光的改進的固定光收集器。具體地說，本發明為一種帶有對稱或不對稱反射區，並帶有一個或多個吸收器的非成像太陽能聚集器。
背景技術：
非成像太陽能收集器已經應用很多年了，用於在高溫下聚集和利用陽光。術語「被動式」意思是收集器可在較寬角度範圍接收和使用太陽能，於是不需移動跟蹤太陽。當然，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。該專利在這裡被參照地引用。由該專利教導的發明為對稱反射器，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」幾何結構，因為其橫截面象冰淇淋圓錐。專利US5537991克服了如下現有技術的缺點如具有經由輻射而損失效率的徑向肋片，以及具有非同心設置的熱交換管。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範圍內收集的多功能性。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。這也在收集上產生了某些缺點。本領域現有技術的狀況在以下專利中進行了歸納名稱為「非成像光學照射系統」的美國專利US5586013；名稱為「非成像光學照射系統」的US5816693和名稱為「非成像輻射能裝置」的US5610768。
當使用太陽能收集器時，如果熱量不從吸收器的區域進行交換，那麼聚集的輻射流產生一個問題。如，經過收集器循環流動製冷劑用的泵失效時會發生問題。如果不迅速採取措施，收集器會被破壞或甚至被徹底毀壞。

發明內容
本發明的目的是提供更好的被動式太陽能收集器。
本發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負載處於或接近最大時，最大量地收集太陽能。
本發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，抵禦過高溫度。
本發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構。
本發明的再一個目的是提供一種改造的方法和設備，用於從自然的光源產生由使用者選擇的非成像輸出。
本發明的又一個目的是提供一種新穎的方法和設備，用於通過控制光源的邊緣光線，從光學設計中提供由使用者可選擇的光能的非成像光學輸出。
其他目的將從下面的本發明的描述中得知。
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。對於一年中具體的季節，選擇最優的不同反射器，於是就可以有冬天的收集器和夏天的收集器，或者用於不同季節的收集器。反射器和吸收器可以包在透明管內。該透明管通常盛有小於空氣壓力的氣體，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來抵禦過熱，這些系統包括吸氣劑，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，吸收性材料有可設計成在過熱時減少吸收，或者透明管可塗有一種材料，該材料會因為過熱而變暗，以減少獲得的光量。


圖1示出了用於提供非成像輸出的二維光學裝置。
圖2示出了圖1中的光學裝置一部分，該部分相關的光學光源和該裝置的直接反射面。
圖3A示出了光學系統的底部，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計尺寸以及與光源相關的角度設計參數。
圖4A示出了用於非成像照射的三維光學系統的透視圖，圖4B示出了圖4A的光學系統的一部分。圖4C和4D分別為圖4A的系統的端視圖和側視圖。
圖5A示出了本發明實施例的等強度線，圖5B示出了根據現有技術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構，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驗擬和。
圖8示出了接收角函數，該函數表示在與狹窄的一側朗伯條狀光源(二維)一定距離平面上產生恆定輻射，其中α＝1。
圖9示出了反射器輪廓，其中在一側朗伯條狀光源(二維)一定距離的平面上產生恆定輻射，其中在原點，R(φ＝π/2)＝1，α＝1。示出了CEC(內曲面)和CHC型解(外截短曲面)。
圖10示出了設計用以在靠近光源產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，該函數表明在與限定的一側朗伯條狀光源一定距離的平面上，產生恆定輻射；僅有CHC型解。
圖12示出了在與2個單位(WIDTH TWO UNITS)的限定的一側朗伯條狀光源一定距離的平面上產生恆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示出了在與光學平面垂直的一定距離的平面上的期望輻射分布，該光學平面由光源單獨沿著軸產生的輻射分開(DIVIDED)；虛線示出了截短裝置產生的輻射。
圖15示出了對應於圖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示出了對應於圖13中給出的期望輻射分布的接收角函數。
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朗伯條狀光源在一定距離的平面上，產生圖13所示的期望輻射；注意僅有CHC型解，並且被截短。
圖18示出了以與光源垂直距離為函數的反射器的斜度。
圖19示出了圖16中的反射器與真正V槽的偏差。
圖20示出了由角度表示並以反射器垂直長度為函數畫出的截短的效果，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示出了用於CEC反射器的光源、反射器、參照線和邊緣光線。
圖22B示出了用於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示出了用於目標區域兩側照射的反射器。
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，以角度為函數的輻射。
圖26示出了在與圓柱光源一定距離平面上產生恆定輻射的CEC型反射器輪廓。
圖27示出了對應於圖25中指定角度的一些邊緣光線。
圖28為用於本發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的計數器225的可選擇形式。
圖30為示出了在適當位置吸氣劑的圖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中設備進行並以時間為函數。
圖33為本發明的非成像太陽能收集器的可選擇實施例的側視圖，該實施例包括用於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，該吸收器經過雙管310循環液體308。
圖37為另一種類型的熱管314的局部側視圖，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具有在區域334的平滑突脊332以及在區域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具有在區域334的平滑突脊332以及在區域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視圖，該收集器330具有在區域334的平滑突脊332以及在區域338參差不齊的突脊336。
具體實施例方式
A.較小光學光源在提供非成像照射的光學系統的設計中，其中照射使用了相對於其他系統參數較小的光源，應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。於是，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的近似值相當於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計中是關鍵的。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裡描述的小光源非成像設計進行調整，而不是通過目前的現有技術限定光源設計而實現。
我們把光源理想化成點或者線，而忽略直徑，並尋找一種類似於傳統非成像光學「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」，紐約學院出版社，紐約(1989))。如圖3A和3B所示出的，極坐標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中的幾何結構表明下面光源角度和反射角度之間的關係，D/dΦ(logR)＝tanα(1)其中α為相對於法線的入射角。於是α＝(Φ-θ)/2 (2)方程(1)容易積分得到log(R)＝∫tan a dΦ+常數 (3)於是R·常數·exp[∫(tan a dΦ)] (4)方程(4)確定了對於任何期望的函數關係式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，而在該角度範圍P(θ)≌0。根據能量守恆，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P(θ)的實例考慮為線光源。利用線光源的旋轉對稱，dP/dΦ＝常數，於是根據方程(4)，我們把θ看成是Φ的線性函數，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)並且R0為R在Φ＝0的值。
我們注意到當a＝0時(k＝2)，給出了極坐標形式的拋物線，
R＝R0/cos2(Φ/2) (8)同時當θ＝常數＝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。那麼我們以角度q修正在平面上的位置，並進行上面計算，旋轉到球面對稱點光源，考慮當常數P(Ω)的條件，其中Ω為輻射的立體角。下面根據能量守恆就得到P(Ω)dΩ＝P(Ω0)dΩ0(10)其中Ω0為由光源輻射產生的立體角度。根據點源的球面對稱，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，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)。該函數關係式用於方程(4)，然後對其中方程(4)利用傳統算術方法進行積分。
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)。這可根據反射光線的方向可非常簡單地獲得，t＝(-sinθ，cosθ).由於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)這是反射定律的結果。於是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，聚光線曲率變得極其簡單，r＝R＝t/a.(17)
根據聚光線，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。於是，反射器設計可內卷到「冰淇淋圓錐」的虛擬源。在本領域中，大家都知道如何運行該結果(例如參見R.Winston，「Appl.Optic，」卷17，第166頁，1978)。另外，參見在這裡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，就象非成像設計中的「邊緣光線」，調整光源的確定尺寸。利用附錄的電腦程式，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，當光束圖或者光源不是旋轉對稱的情況中，可採用與傳統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，當光源比其他參數較小時，本方法特別有用。
各種實際應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。然後我們可利用反射器輪廓R(Φ)，該反射器輪廓R(Φ)在這裡得到確定，這在方程(5)到(9)以及伴隨的說明中得到解釋。該分析同樣地用於光學裝置的二維和三維反射表面輪廓。
另一個應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)中表示了確定光學輪廓的細節。
圖4A、4B、4C和4D中示出了非成像光學系統20的最佳形式，同時圖5A中示出了典型非成像輸出。該輸出一般可採用傳統紅外光源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光條。反射側壁24和26收集從光源22發出的紅外輻射，並從反射側壁24和26把該輻射反射到反射側壁24和26的遠場。理想的紅外發生器把從光源22來的輻射集中在特定的角度範圍(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度的不對稱區域。從圖5B的輪廓中可以看出，現有技術的拋物面反射器系統(圖中未示出)提供了非均勻強度輸出，同時如圖5A所示，光學系統20提供了基本上是均一強度的輸出。注意在從現有技術的複合拋物線集中器(CPC)設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與改進設計的比較CPC 新設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在有用角度內輻射的百分比 0.80 0.78標準化的進入區1.00 1.02在最佳實施例中，設計實際的光學輪廓包括四個參數的說明。例如在集中器的設計中，這些參數為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之間的比例係數，及d＝最大高度計算機的程序已經用於實現該計算，從而使用者中可獲得這些數值(參見程序的第6行和第13行，該程序附加到計算機軟體附錄中，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於b。該圓弧的參數方程通過角度a表示成參數(參見圖3A)。從圖3B中可以看到，其中當Φ從0到Φ0變化時，α從α0到90度變化。角度α取決於a和b，同時在計算機軟體程序第14行中得到計算。在第15行和第101行之間，通過這些參數方程，利用步進法，計算出極坐標系中漸開線的55個點。(r，θ)點被分別讀取成數組r(i)和θ(i)。
對於比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。這就使輪廓，r(Φ)，形成了一個θ的函數式。在進行的採樣計算中，如在步驟4中，θ被看成是Φ的線性函數。在說明書中描述了其他的函數形式。在該區域中需要得到150個(r，θ)點。另外，輪廓必須截斷成具有最大高度h。我們不清楚對應於該最高點的(r，θ)點，於是，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Kunge-kutta數值積分方法實現。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組r(i)和θ(i)。
最後，我們得到兩個數組r(i)和θ(i)，每個數組都有表示反射表面的兩百個(r，θ)點的兩百個分量.這些數組於是可以作為設計說明書和光線軌跡應用。
在均勻光束設計輪廓中，(P(θ)＝常數)，一組典型參數為(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，用於θ(Φ)＝c(Φ-Φ0)。
在指數形式的光束輪廓圖(P(θ)＝ce-aθ)中，一組典型參數為a≌0英寸，b＝0.100英寸，h＝5.25英寸，及c＝4.694，用於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射率的綜合結果。如果遠距離觀察者以角度θ為看帶有反射器的光源，那麼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，那麼該圖像將被乘以因數M。理想上，光源和其反射的圖像具有相同的亮度，於是產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)必須取乘數的絕對值，因為如果反射的圖像和光源在反射器的不同側，以及如果我們看到圖像相反或者顛倒向下，那麼乘數為負數。實際上，光源和其反射的圖像可以較小角度對齊。可是觀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。遠距離觀察者將會看到位於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)由於光源反射的能量因反射而保存，於是可根據光源守恆得到證明PsdΦ＝MPsdθ對於旋轉對稱反射器，方程(19)中給出的乘數Mm與子午線方向有關。在徑向(sagittal)方向，乘數為Ms＝(d1/d2)＝(sinΦ/sinθ)(20)其中1和2在垂直於圖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，也必須位於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Mt為徑向和子午向乘數的乘積，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)也可根據能量守恆直接得到。
於是，根據情況，把方程(21)或方程(19)給出的乘數，代到方程(18)，得到了Φ和θ之間的關係，其中產生了對於給定光源角度能量分布Ps的想要的能量分布，該關係可以如方程(19)中展現的那樣，進行積分，建立了反射用的形狀，解決了該具體問題。
根據我們假定的乘數是正還是負，則有兩個定性不同的解。如果Mm＞0，則推導出是CEC型裝置；而當Mm＜0。則推導出是CEC型裝置。術語CEC表示複合橢圓聚能器，CHC表示複合雙曲線聚能器。
現在有一個問題，連續反射器多長時間，或者是在什麼角度範圍來描述能量分布。從方程(17)中可以看出，如果Φ-θ＝π，那麼R發散。當存在負乘數時，當在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，會發生上述情況。類似的限制條件用於相反的一側並描述θmin。反射器漸進地接近於無限的圓錐或V槽。在範圍θmin＜θ＜θmax之外沒有能量輻射。
對於正的乘數，反射的圖像位於對稱軸相對於觀察者的另一側。在這種情況下，當在觀察者一側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。對於對稱的裝置，當Φ+θ＝π時發生此種情況。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，反射器在此極限範圍內保持確定。該反射器始終以垂直的切線中止。對於對稱裝置，當θmax＝-θmin及Φmax＝-Φmin時，對於CEC型和CHC型兩個解的極端方向與下面的式子有關，Φmax+θmax＝π (22)一般地，CEC型裝置趨於更加緊密化，需要反射一定光束的反射區域與1/cos(α)成正比。對於對稱問題，和Φ的函數關係式是類似的，但除了以下情況，即對於CHC型裝置，Φ和θ有相反符號，而對於CEC型裝置具有相同符號。可是對於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值R0。在圖8中可看到接收角函數以及入射角函數a均是對於負的乘積而繪製的。
為描述上述原理，條狀光源作為例子。對於狹窄的、一側朗伯帶狀光源，輻射能量與角的餘弦成正比。為了在遠距離目標上產生恆定照射，光源的總輻射和反射應與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中顯示了對於CEC型的接收角函數θ和入射角。對於方程(24)積分獲得圖9示描繪的反射器外形。
這裡描述的分析工具用於解決包括反射器靠近光源的實際問題。通過把上述技術與邊緣光線方法結合而完成，邊緣光線法在非成像設計是非常有效的。作為第一個例子，對於平面的，朗伯條狀光源設計反射器，於是獲得了預定的遠距離輻射。反射器設計成可使反射圖像特別靠近光源。這僅在負的乘數設計中是可行的。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合。對於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)求對數的導數，並相減，得到d(log(R))/dΦ＝-tana (26)我們得到，da/dθ＝sin(2a)dlog(P0(θ))/2dθ-sin2(a) (27)這裡描述的是右側，其中θ＜0。另一側是反射圖像。
對於2a＝π，R發散，就象對於較小光源的CHC型解的情況中。於是，一般地，完全的在反射器延伸到無窮大。為了實際應用要截短。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。對於在±θτ範圍內的角度θ，截短沒有影響，因為反射器的外部在該範圍不輻射。這樣，在該範圍內，截短的反射器也會準確產生需要的反射。在該範圍內，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。在θτ輻射的總能量Pτ為P=R2xsinydy=R(1+cos(2))-----(28)]]>為了在θτ產生強度PU(θτ)，今R(θτ)為R=P0sin(2)---(29)]]>總能量守恆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(2)sin(2)=1P0maxP0d=B------(30)]]>對於任何截短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，那麼這可使我們精確計算a，並且利用它，可計算作為θ的函數的封閉形式的Φ和R。總能量的守恆表明未截短的反射器與僅有光源輻射相同的總能量。這導出標準化的條件，B(0)=1P0maxP0d=1.--------(31)]]>該條件可用於尋找θmax，這與在方程(30)中設定θτ＝0和2aτ＝π/2是相同的。解a的方程(30)，得到，B(0)=1P0maxP0d=1.--------(32)]]>把a＝(ψ-θ)/2替換進去，得到接收角函數。Φ(θ)＝θ+2α. (33)從方程(25)中得到半徑，R=P0B2+12B.-------(34)]]>對於任何期望的角度能量分布P0(θ)，這些方程以參數極坐標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)對於反射器形狀求導是不需要的。我們提出來僅僅是表明方法的一致性。
例如，為了在平行於光源的平面上產生恆定的輻射，我們令P0(θ)＝1/cos2(θ)，於是B(0)＝cos2(θ)-tan(θ)-tan(θmax)。利用方程(31)，我們發現θmax＝-π/4，於是B(θ)＝cos2(θ)(tan(θ)+1)帶有非不確定的常數。
在圖11和圖17中分別示出了求出的接收角函數和反射器輪廓。反射器形狀接近於V槽。儘管接收角函數僅僅不充分地近似直線，該直線以V槽形狀為特徵。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槽產生要與cos(θ+π/4)cos(θ)成正比的明顯非恆定的輻射分布，其中0＜θ＜π/4。
作為第二個實例，對於特定非恆定輻射，反射器在圖14中示出的平面上產生輻射分布。圖15中示出了相應的角度能量分布。在圖16和圖17中可見根據方程(33)和(32)的接收角函數，以及根據方程(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生的恆定的輻射明顯不同，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。大部分結構限定成靠近光源的區域。反射器形狀上的微妙變化對裝置的能量和輻射分布上產生影響。這歸於較大入射角，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。為了描述對於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。於是，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倍的反射大於5/6的角度範圍。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，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的特徵亮度，以及G(θi)幾何因子，並且為光源幾何形狀的函數。在圖6A示出的二維朗伯光源中，對於恆定照射時，相對於角度的照射量變為cos3θ，如圖6D所示。對於三維朗伯光源，相對於角度的照射量變為cos4θ。
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，以產生選定遠場照射，注意利用符號轉換，圖6B中θ角度為負。對於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變為，Risin(Φi-θi)cos2θi＝I(θi)一般地，用於裸露的二維朗伯光源，I(θi)≌δcosθiδ≌acosθi/l，及l≌d/cosθ於是，I≌cos3θ.
在選定均勻遠場照射中，I(θi)＝C，如果在B部分第一段最後解方程，那麼d/dΦ(logRi)＝tan(Φi-θi)/2，及logRI+log sin(Φi-θi)+2log cosθi＝logC＝常數解dΦi/dθi＝-2tanθisin(Φi-θi)-cos(Φi-θi)，或者令Ψi＝Φi-θidΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨi用傳統方法，如Runge＝Katta方法根據數字解方程，對於恆定照射，開始於在θI處Ψi＝0，dΨi/dθi＝1+sinΨi-ntanθicosΨI其中對於二維光源n＝2。
圖6C中示出了對於二維解的得出的反射器輪廓，在表III中示出了表格化數據的特性。圖7A的光線軌跡擬和中清楚地示出了二維解中相當精確的特徵。用於完成這些有選擇計算的電腦程式作為附錄包括在本說明書中。對於裸露的三維朗伯光源I(θi)≌cos4θi，2＜n＜3。
圖7B中示出了用於該三維解的光線軌跡擬和，其中的n值用於均勻遠場照射的期望最終結果而進行擬和。其中最佳擬和值為大約n＝2.1。
其他對於不同照射光源的一般例子包括(1)I(θi)≌A exp(BθI)。用於二維指數照射，其中必須解下面方程，dΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨ+Bi；及(2)I(θi)≌A exp(-BθI)，對於高斯照射的二維解，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然可歸納後包括對於任何期望均照射的任何光源，其中本領域普通技術人員可以傳統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反射器可設計成多麼緊密，以在距離給定的限定尺寸光源的給定目標距離處產生期望的輻射分布。該方法是基於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。
為了把邊緣光線調整成二維，例如，可假設邊緣光線族由照明光源產生。經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和可微分的位置矢量函數。如果在該一定距離處的相同區域有由另一個連續矢量函數表達的第二假定的邊緣光線族，那麼我們就可設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。於是，以傳統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，我們可使用於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。這屬於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)為根據標量(scalar)參數t的參照線104的參數化(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輪廓相對於參照線104進行參數化。
在這裡，標量D表示從參照線104上的點經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)設計反射器108的形狀等同於規定標量函數D＝D(t)。關於D的方程從下麵條件獲得，即反射器108應該沿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)]]>在這裡圓點表示標量乘積。方程(37)為標量函數D(t)的標量微分方程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族適合於以矢量函數a為特徵的光源102。
該方法也可用於把邊緣光線107族滿足於反射器外的其他折射材料，方程(36)於是可由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。外面通過調整可真正地產生邊緣光線族107，但邊緣光線族107不能由一個物理光源產生。這可通過下列現象而確認，即曲面鏡不僅產生光源的歪曲圖像，而且還產生當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之間的區域，或者是完全在該區域外。這些可選擇項的第一項作為CEC型解的特徵，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的朗伯光源發出的輻射由其投射的立體角或視角因數給出。在傳統的已知方式中，視角因數通過首先把光源102投射到觀察者周圍的一個半球面上(產生立體角)，然後把光源102再次投射整圓到參照平面的切線上。視角因數由光源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分別是垂直於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，那麼方程(38)可用於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)。於是外面可知以觀察者位置為函數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。現在我們就可設計反射器108，於是就可把特定輻射分布反覆反射到給定參照線104上。
在該反覆的過程中，如果觀察者沿參照線112從右到左反覆進行，那麼對於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引導邊緣光線114』的作用，左邊緣光線118』追隨其後，如圖22A所示，作為反射的追隨邊緣光線。對於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。於是可解方程(37)，以使反射器輪廓的下一個部分適合該引導邊緣光線130。
考慮到邊界條件，如果反射器116或126終止，那麼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。在該區域，前面的引導邊緣是處於反射器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132存在於反射器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，在這兩區域存在重要的概念區別，在於輻射的「增強」區可通過修改反射器116或126適應引導邊緣而改型，同時「衰弱」區不受影響，一且反射器116或126終止。這樣，用這種區別的方式，我們就可在反覆修改反射器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)，於是從反射器140每一側來的反射的輻射覆蓋反射器140的整個目標區域(見圖24)。同時，垂直於反射器表面的光線不與光源110相交。這樣，反射器140的左側部分142和右側部分143在尖點連在一起。在目標區域的觀察者於是可看見來自光源110兩個不同反射區的輻射，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、並確定反射器表面是連續和可微分的(除了對稱平面中的尖點外)，那麼我們需要的是，從對稱平面可以看出，兩個可見的反射是相同的。對於在目標區域中的所有其他點，我們現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，兩個反射位於目標空間和反射器140之間。這樣當觀察者移動，兩個反射圖像在相對方向移動。當觀察者靠近被照亮目標區域的最外部分時，在相同一側的反射首先在中心尖點處消失。這樣，正對觀察者的反射經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的另外反射器部分的外邊緣遮蔽。這些結果確定了反射器140的端點，因為目前在目標區域中的總輻射與由光源110發生的輻射相同。D、用於恆定輻射的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生恆定輻射。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的必要能量，於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設計成從對稱軸中尖端開始。注意每個反射區幾乎在相反端輻射，而也從另一側看到。在圖12中通過字母A到E特別設計了一些角度。在圖27中也示出了對應的邊緣光線。
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，來自與觀察者同側的反射緩慢消失在尖點154，同時另外的反射補償地在尺寸上增加。從C開始，光源152被反射器150末端逐漸遮掩。可獲得恆定輻射的最大角度用D表示，光源152不可見。能量由相對側反射區獨自產生。把反射器截短，於是在D和E之間，反射在反射器150末端逐漸消失。
輻射同一側(same side)的反射器150內部，在某些程度是任意的。在示出的實例中，我們設計成漸開線，因為這可避免截留輻射，同時可獲得更緊湊的設計。在中心，來自每個反射區的能量非常接近於光源152本身的能量。一旦確定了輻射到同一側的能量，反射器150設計成使兩個反射區的分布之和與光源152與期望的分布匹配。開始不知道反射器150遮蓋光源152，因為取決於端點，所以向外進行。這個問題要通過重複整個設計程序幾次來解決。
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。該準則也是把內部設計成漸開成的原因。
圖25和圖27中的角度衰弱範圍D到E只取決於端點到光源152的距離。根據從尖點154到光源152的起始距離，裝置可設計成或者要更緊湊，但有寬的衰弱區，或者是較大而帶有更窄衰弱區。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度之間產生恆定輻射。衰弱區僅7度。選擇了這樣設計，於是光源152恰好在截去的角度之前被遮掩。如果設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。然而，在本發明的其他形式中，可利用這裡提供的教導，設計出基於多個反射區的不同系統。
這個自由度可用於使反射器適合於其他準則，如緊湊的需要。在某些情形中，與反射區能量無關，一旦確定了一般結構，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化。我們強調的是，在該技術中，總的內部反射具有重要的角色。
圖28是用於本發明應用的太陽能收集器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封閉於第一端212和第二端214，管筒210、第一端212和第二端214結合形成了殼體215，於是可保持殼體215內的真空。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，該中心線在當需要最大強度時，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，以提供可反射的塗層時，通常是部分地透明。反射器216和218也可以是固定在殼體215內部需要的反射結構的金屬片。反射器216和218其中之一可鍍銀，或者在管筒210內常有可反射塗層，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構，它們也可以設計成根據已知的應用計算過的曲面。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，在這裡參照地引用。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，用於加熱物體。在上面提到的專利US4,230,095中描述過，吸收器226沿中心線232或垂直於該中心線設置。已經發現，當接收器226處於與中心線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構不對稱，那麼中心線232一般處於光源太陽能收集器208在使用時瞄準的方向，並作為光源太陽能收集器208的軸234。可能瞄準的角度包括，但不限於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構221。溝帶損失阻止結構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構223的可替代實施例。對可用在溝帶損失阻止結構中的V形區的數量沒有限制，這些結構不是需要V形的，而是滿足前面描述設計規則的任意形狀。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於接收器225軸的V形，或者其他給定的不規則、不對稱的幾何結構。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，沉澱材料240為傳統的吸氣劑，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由於過熱燒壞的溫度範圍。從沉澱材料240中釋放氣體將減少殼體215內的真空度，並減少收集器208的熱效應，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。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。當溫度傳感器254探測到對於太陽能吸收器208太高的溫度時，在光源太陽能收集器208由於過熱燒壞前，溫度傳感器254使控制系統釋放遮光板252遮蓋被動式太陽能吸收器208。控制系統可以是展開板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應從溫度傳感器254來的信號並在控制系統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是類似於圖28和圖29a的裝置在晴天的熱性能。
圖33為本發明的非成像太陽能收集器208的可選擇實施例的側視圖，該實施例包括幾個不同的用於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、端視圖和側視圖，其中該收集器具有在區域334平滑的突脊332以及區域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具有區域262，區域262具有呈現圓筒對稱的表面264。表面264可以是平滑的，或者包含在表面264上規則或不規則布置的一組突起266、凹陷268，或者兩者都有。區域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化，其中可利用計算機分析，通過Trnsys、上面提到的電腦程式、線追蹤程序或其他的結合。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可具有連續的表面，可具有溝帶結構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。熱管314部分抽空並部分充滿液體318，圖37的熱管314具有的優點是，它不需要用泵抽吸、乾燥連接、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表面上的不規則結構外，用於熱管328收集，也可以並有效利用其他不規則結構。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、端視圖和側視圖，其中該收集器在區域334具有平滑的突脊，也在區域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，並具有恆定或變化的以沿太陽能收集器330位置為函數的幅度和深度。
太陽能收集器的一個效果是其為熱玻璃管或類似結構。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構，一般地是，在管內部用要加熱的載液管。熱連接可以是用導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麵團中而建立起來。
本系統有用的附屬物在1998年11月27日出版的第282卷的「科學」雜誌中題為「絕緣全方向反射器」的文章中描述過，該文章在這裡被參照地引用。在該文章中，在製造由多層膜組成的全絕緣全方向反射器中採用的設計準則是，對於在較寬可選擇頻率範圍內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，並證明了在10到15微米的波長範圍內的全反向反射。因為全方向原則是通用的，可用於在許多需要的頻率範圍內設計全方向反射器。潛在的用途取決於系統的幾何結構。例如，封閉件的塗層會產生光學空腔。空管會產生低損耗、寬帶的波導，平面膜可在熱電裝置中用於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收集器。
在已經建立並測試過的本發明實施例中，管210由玻璃做成，長度大約2米，直徑10到20釐米的量級。這些尺寸為描述而提出，並不限定本發明的範圍。本實施例中的反射器216和218在其管210內表面上鍍銀或帶有其他可反射塗層，於是它們是對稱並呈現圓筒剖面結構，該結構鍍銀或另外帶有大約90度的可反射塗層。吸收器為懸在中心管224上的金屬箔的一段，並沿基本上平行於中心管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，並相對於收集器軸處於大約90度角。利用本系統的實驗結果表面，在到收集器的較寬入射角範圍，可進行有效的太陽能收集。
通過參照本附加的權利要求書，可以看到本發明的其他優點和特徵。除了已經描述的實施例外，對於本領域普通技術人員，在不脫離本發明範圍情況下，可對實踐本發明的方法進行變化，本發明的範圍僅通過權利要求書以及在權利要求書中聲明的裝置的等同物來限定。
附錄-計算機軟體程序產生漸開成的50個點產生Wimston型集中器的150個點<![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]]>產生漸開成的50個點產生Wimston型集中器的150個點<![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]]>
權利要求
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，位於殼體內並反射進入到殼體內的光；d)位於殼體內的中心管；及e)吸收器，該吸收器位於殼體內，以便吸收由第一反射器反射的光，並把吸收的光提供到中心管。
2.如權利要求1所述的被動式太陽能收集器，還包括位於殼體內的第二反射器，其中設置有吸收器，以便使第二反射器接收光。
3.如權利要求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後以提供反射塗層的管筒的一部分。
6.如權利要求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後以提供反射塗層的管筒的一部分。
9.如權利要求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後以提供反射塗層的管筒的一部分，而第一和第二反射器中的另一個是成形反射器。
12.如權利要求2所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對於被動式太陽能收集器軸的零度和九十度之間的角度來設置。
13.如權利要求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度的角度來設置。
14.如權利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對於太陽能收集器的零到九十度之間的角度來設置。
15.如權利要求1所述的被動式太陽能收集器，其中吸收器以相對於太陽能收集器的大約九十度的角度來設置。
16.如權利要求2所述的被動式太陽能收集器，還包括位於殼體內的吸氣劑，保護被動式太陽能收集器避免過熱。
17.如權利要求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於卷繞狀態的不透明材料板的卷輥以及連接到傳感器上的機構，該機構用於響應探測到的過高溫度，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，該支撐件用於旋轉硬的不透明材料板，以便響應探測到的過高溫度來覆蓋收集器。
20.如權利要求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，該支撐件用於旋轉硬不透明材料板，以便響應探測到的過高溫度來覆蓋收集器。
22.如權利要求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於卷繞狀態的不透明材料板的卷輥以及連接到傳感器上的機構，該機構用於響應探測到的過高溫度，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,並完全或部分透明。吸收器226收集由反射器或反射器組反射的光,並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。吸收器226位於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 優先權日1999年6月9日
發明者羅蘭溫斯頓 申請人:太陽企業國際有限責任公司