CN104081115B - 日光收集系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于使用自然日光对建筑物的内部进行照明的照明设备和方法。在一些实施例中，日照装置包括：管，该管具有带有反射性内部表面的侧壁；至少部分透明的光收集器，该至少部分透明的光收集器具有一个或多个光转向元件，以及光反射器，该光反射器定位成将日光反射到光收集器中。一个或多个光转向元件能将直接及间接的日光转向到管中，使得该直接及间接的日光能用于照明建筑物。在一些实施例中，管设置在光收集器与扩散器之间，该扩散器定位在建筑物的目标区域内。在某些实施例中，管构造成将穿过光收集器传送的至少一部分日光朝向扩散器引导。

Description

日光收集系统和方法
相关申请
本申请要求于2011年11月30提交的题为“REFLECTIVE DAYLIGHTCOLLECTOR(反射日光收集器)”的美国临时专利申请No.61/565,402的优先权权益，其全部内容通过引证结合于本文中并且构成本说明书的一部分。
背景
技术领域
本公开大体涉及用在日照中的光收集器和光收集方法。
背景技术
日照系统通常包括对建筑物的内部提供自然光的窗、开口和/或表面。日照系统的实例包括天窗和管状日照设备(TDD)装置。在TDD装置中，可将透明覆盖件安装在建筑物的屋顶上或其他合适的位置中。TDD可具有各种构造。例如，内部反射管可将覆盖件连接至安装在待照亮的房间或区域中的扩散器。进入位于屋顶上的覆盖件的自然光可穿过管传播并且到达扩散器，该扩散器使得自然光分散在建筑物内的整个房间或区域中。存在用于将日光接收到TDD中的各种设备和方法。用于将日光接收到TDD内的某些当前已知的设备和方法受到各种缺点的影响。
发明内容
本文公开了用于使用自然日光来照射建筑物内部的照明设备和方法。在一些实施例中，日照装置包括：管，该管具有带有反射内部表面的侧壁；至少部分透明的光收集器，该至少部分透明的光收集器带有一个或多个光转向元件；以及光反射器，该光反射器定位成将日光反射到光收集器中。一个或多个光转向元件可使直接日光及间接日光转向到管中，使得其可用于照射建筑物。在一些实施例中，管设置在光收集器与定位于建筑物的目标区域内的扩散器之间。在某些实施例中，管构造成将穿过光收集器传输的日光中的至少一部分朝向扩散器引导。
在本文中公开的一些实施例包括照明设备和方法，所述照明设备和方法在大致通常晴朗的日子的整个白天时间收集大量的自然光。外部日光收集器可将自然光引导到光导向件中，该光导向件设置在日光收集器与位于建筑物内的扩散器或光开孔之间。光导向件可将自然日光引导至扩散器或开孔，并且自然光可对建筑物内部提供相当大量的照射。
在一些实施例中，管状日照设备包括光收集器；大体竖直的反射管，该大体竖直的反射管从光收集器的总区域延伸；以及扩散器，该扩散器设置在反射管的相对的端部或区域处。光收集器允许外部的光(诸如自然光)进入反射管的内部。管将外部的光向下引导至扩散器，该扩散器使光大体分散在建筑物内部中的整个目标房间或区域。光收集器可具有一个或多个部件。例如，光收集器可包括透明顶部覆盖件、棱形顶部覆盖件、其他棱形元件、一个或多个光转向组件、耐用覆盖件、一个或多个反射表面(例如，定位在收集器的内部或外部)、其他光学元件、其他部件或部件的组合。光收集器的至少一些部件可构造成定位在建筑物的屋顶上或定位在建筑物外部的其他合适区域中。
在一些实施例中，日照装置构造成将自然日光引导到建筑物内部中。该装置可包括：至少部分透明的光收集组件，该至少部分透明的光收集组件包括大致竖直的侧壁部分和水平收集器基部开孔；反射器，该反射器定位且构造成将自然日光朝向大致竖直的侧壁部分反射；以及光转向组件，该光转向组件定位且构造成将穿过至少部分透明的光收集组件传输的光朝向收集器基部开孔转向。日照装置可构造成，当日照装置安装在建筑物屋顶上时并且当日照开孔与形成在建筑物屋顶中的开口对准时，对建筑物内部提供自然照射。
反射器可在一个或多个维度上弯曲、可为平面的、或者可具有弯曲区段和/或平面区段的组合。反射器可具有多个段。反射器可由一个或多个支腿支撑，该一个或多个支腿构造成当反射器安装在建筑物上时将反射器的下边缘升高至建筑物屋顶之上的相当大距离。
在一些实施例中，反射器包括一个或多个光学元件，该光学元件构造成改变冲击反射器的至少一部分光的反射角。该一个或多个光学元件可包括棱形元件，诸如棱形膜。反射器可包括第一部分以及第二部分，该第一部分具有第一棱形元件并且该第二部分具有第二棱形元件。第一棱形元件和第二棱形元件可具有不同的光转向特征。
在一些实施例中，反射器包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件构造成改变冲击所述反射器的至少一部分光的反射角度。所述一个或多个光学元件可包括棱镜元件，诸如棱形膜。反射器可包括具有第一棱镜元件的第一部分和具有第二棱镜元件的第二部分。第一棱镜元件和第二棱镜元件可具有不同的光转向特征。
在某些实施例中，反射器构造成向前和/或向后倾斜。反射器可为沿着至少一个曲率轴线的大致抛物线形。反射器可定位成使得光收集组件的截面中央定位在反射器的焦点处。
在一些实施例中，反射器构造成围绕第一旋转轴线旋转。第一旋转轴线可大致位于光收集组件的中央处。反射器还可构造成围绕至少第二旋转轴线旋转。该反射器可构造成自动旋转，以大致追踪太阳方位角。追踪系统可使反射器旋转，这样使得追踪系统在5°内或在其他合适容差内追踪太阳方位角。
日照装置的光转向组件可包括棱形元件、反射元件、其他光学元件或者光学元件的组合。在一些实施例中，光收集组件包括竖直部分和顶部覆盖部分。竖直部分或顶部覆盖部分中的至少一个可包括棱形元件。例如，棱形膜可设置在光收集组件的竖直部分中。顶部部分可包括多个段(其中每个段均具有不同的外表面角)，或者可包括具有大致不变斜度的单个外部段。顶部覆盖部分可包括具有大致变化斜度的单个外部段。
某些实施例提供将自然日光引导到建筑物内部的方法。该方法可包括将反射器定位在光收集装置的外部(光收集装置设置在形成于建筑物外层中的水平日照开孔之上)，以及使用该反射器将自然日光朝向光收集装置的大致竖直的侧壁反射。该大致竖直的侧壁可为至少部分透明的。该方法可包括将反射的自然日光穿过光收集装置的大致竖直的侧壁传输，以及将反射的自然日光朝向日照开孔转向，使得反射的自然日光的相当大部分可用于照射建筑物内部。
在一些实施例中，该方法可包括将反射器自动定位，这样使得反射器的顶点在日光时候大体追踪太阳方位角。
在某些实施例中，日照装置构造成对建筑物内部提供自然光。该装置可包括透明光收集组件和构造成将自然光朝向光收集组件反射的反射器。该反射器可为大致抛物线形的并且包括至少一个顶点部分。
一些实施例提供了对建筑物内部提供光的方法。该方法可包括将反射器定位在光收集装置的外部，该光收集装置定位在形成于建筑物外层中的日照开孔之上。该反射器可为大致抛物线形的并且包括至少一个顶点部分。该方法可包括：使用反射器将自然日光朝向光收集装置反射；将反射的自然日光穿过光收集装置的透明侧壁传输；以及将反射的自然日光朝向日照开孔转向，这样使得反射的自然日光中的相当大部分可用于照射建筑物内部。在某些实施例中，该方法包括移动反射器以追踪太阳方位角。
在某些实施例中，日照装置构造成对建筑物内部提供自然日光。该装置可包括：日光收集器，该日照收集器限定日照开孔，该日照开孔构造成，当日照装置安装在建筑物上时，该日照开孔大致水平地或大致平行于建筑物表面的屋顶的平面定位；反射器，该反射器具有大体抛物线的形状，该反射器构造成反射日光，这样使得反射的日光中的相当大部分朝向日光收集器引导；以及光转向光学元件，该光转向光学元件构造成将穿过日光收集器传输的反射日光朝向日照开孔转向。
日照装置可包括追踪系统，该追踪系统构造成使反射器转向，这样使得反射器的顶点在日光时候大体追踪太阳方位角。该反射器可构造成将日光反射到日照开孔中，这样使得将反射的日光穿过从日照开孔的周界的至少一半向上延伸的表面引导。该表面可从日照开孔的周界的至少大约58％向上延伸。当相对于CIE照明体D65(CIE Illuminant D65)测量时，该反射器可具有大于或等于大约99％的光反射比。光转向光学元件可包括棱形膜，该棱形膜定位成使穿过日光收集器的光折射。光转向光学元件可包括反射器，该反射器定位成使穿过日光收集器的光反射。
附图说明
为了示意性的目的在附图中示出了各个实施例，并且这些实施例决不应当被理解为限制本发明的范围。此外，不同的公开实施例的各种特征可组合以形成额外的实施例，其为本公开的一部分。可移除或省略任何特征或元件。贯穿附图，可重复使用参考标号以表示参考元件之间的对应性。
图1为TDD装置的截面图。
图2为圆顶形光收集器的立体图。
图3为圆顶形光收集器的截面图。
图4为具有棱形元件的图3圆顶形光收集器的局部截面图。
图5为具有棱形元件的圆顶形光收集器的另一局部截面图。
图6为具有竖直部分以及顶部覆盖部分的光收集组件的截面图。
图7为光收集顶部覆盖部分的截面图。
图8为光收集竖直部分的截面图。
图9为光收集器的截面图。
图10为图9光收集器的俯视图。
图11为光收集器的立体图。
图12为包括反射器的光收集系统的立体图。
图13为包括抛物线形反射器的光收集系统的俯视图。
图14为TDD装置的截面图。
图15为包括反射器的光收集器系统的截面图。
图16为光反射器的截面图。
图17为光反射器的截面图。
图18为包括平面反射器的光收集系统的立体图。
图19为包括具有多个板的反射器的光收集系统的立体图。
图20为包括具有升高的周界部分的反射器的光收集系统的立体图。
图21为光反射器的截面图。
图22为TDD装置的立体图。
图23为包括反射器以及棱形膜的光收集系统的分解图。
具体实施方式
虽然在本文中公开了某些优选实施例和实例，然而本发明主题超出具体所公开的实施例中的实例而延伸至其他可替换实施例和/或应用，并且延伸至其修改和等同物。因此，所附权利要求的范围不受下文中描述的任何特定实施例限制。例如，在本文中公开的任何方法或过程中，方法或过程的动作或操作可以任何合适的顺序执行并且并非必须局限于任何特定公开的顺序。各个操作可描述为以可有助于理解某些实施例的方式或顺序进行的多个离散的操作；然而，描述的顺序不应当被解释为暗指这些操作是依赖于顺序的。此外，本文中描述的组件、系统和/或设备可体现为一体式部件或者体现为独立的部件。为了比较各个实施例的目的，描述了这些实施例的某些方面和优点。所有这样的方面或优点并非必要地通过任何特定实施例来实现。因此，例如，各个实施例可以这样的方式来实现，即，实现或优化如在本文中教导的一个优点或优点的集合而并非必须实现也在本文中教导或暗指的其他方面或优点。
在一些实施例中，管状日照设备包括：光收集器；大体竖直的反射管，该大体竖直的反射管从光收集器的一般区域延伸；以及扩散器，该扩散器设置在反射管的相对端部或区域处。光收集器允许外部光(诸如自然光)进入反射管的内部。该管将外部光向下引导至扩散器，该扩散器使光大体分散在建筑物内部的整个目标房间或区域中。光收集器可具有一个或多个部件。例如，光收集器可包括透明圆顶、棱形圆顶、其他棱形元件、一个或多个光转向组件、耐用覆盖件、一个或多个反射表面(例如，定位在收集器内部或外部)、其他光学元件、其他部件或部件的组合。光收集器的至少一些部件可构造成定位在建筑物的屋顶上或者定位于建筑物外部的其他合适区域中。
日照设备可包括光学准直器，该光学准直器构造成使穿过日照设备传播的光转向，使得当光(诸如例如日光、辅助光、或日光和辅助光)离开日照设备和/或进入扩散器时，相比于不具有准直器的设备而言，光增加了对准性。在一些实施例中，穿过日照设备传播的光中的相当大一部分可以与水平参考面成相对较低的仰角的方式在日照设备内传播。在一些情况下，这样的传播角可引起光在其离开日照设备时具有不理想的性能。例如，当光以与水平面成低仰角的方式入射在扩散器上时，大致可降低基本定位在水平面内的扩散器的光学效率。另举一例，以低仰角入射在扩散器上的光可导致光以与竖直线成大于或等于大约45度的离开角离开日照设备。以这些角度离开日照设备的光可在照射的区域或房间中产生眩目或可视性问题。
准直器装置可构造成使得将以不理想角度进入扩散器的光转向成更为理想的角。例如，准直器或光对准装置可确保当扩散器为水平的时，穿过日照设备的光将以与竖直线成小于或等于大约45度的离开角或者以大致或近似竖直定向离开日照设备。在一些实施例中，准直器或光对准装置可确保穿过日照设备的光将以与日照设备或日照设备的一部分的纵向轴线成小于或等于大约45度的离开角或者以大致或近似平行于日照设备或日照设备的一部分的纵向轴线的方向离开日照设备。在某些实施例中，准直器装置构造成减少或防止光以与竖直线成介于大约45度与60度之间的角的方式离开日照设备。通过这样的方式，准直器装置可减少或消除光以介于这些角之间的角离开照明固定装置而可能引起的眩目和可视性问题。
日照设备可包括辅助照明系统。例如，辅助照明系统可插入管中以在不能获得充足量阳光时从所述管向目标区域或房间提供光，以提供理想等级的内部照明。在一些实施例中，管状日照设备(其中照明固定装置从杆或线悬挂下来)可受到各种缺点的影响。例如，杆或用于支撑灯的其他装置以及灯本身可占据管内部的相当大一部分，从而降低管状日照设备的性能。如果照明装置附接至固定装置(诸如位于管的中央中的杆或线)，并且特别地如果照明装置具有附接至其后侧的热交换器，则大量的日光可被阻断而不能继续在管中向下行进。
在一些情况下，照明装置通常以允许所产生的光中的近似一半在向上返回管时损失的方式照射。此外，在一些情况下，来自灯的光中的仅一部分以提供高传输效率的入射角进入管基部扩散器。当光在扩散器上的入射角高时，光的更大部分可通过扩散器向上反射回管。该效应连同由于灯的照射方式而向上到管中的光损失一起可致使来自于灯的光的相当大一部分不会到达目标区域。而且，在一些情况下，如果照明装置面向扩散器，则其可产生非常亮的光点，该光点可需要进一步的扩散以消除眩目并减小对比度。
一些日照设备和方法可结合有辅助照明系统，该辅助照明系统连接至准直器或与准直器结合使用以实现理想的照射性能。在一些实施例中，准直器构造成增加自然光以及从一个或多个辅助光源发射的光的准直性。某些实施例构造成在较广范围的自然光条件下在目标区域或房间内提供理想的照射分布以及理想的照射等级。提供理想的照射分布以及理想的照射等级的实例包括：通过使用自然光与人造光的任何组合来提供内部光的大致均匀的分布、在日间或夜间提供大致稳定的照射等级、提供在日间和夜间大致不会改变的内部光的分布、提供至少照射的临界等级或这样的特性的任何组合。
在一些实施例中，日照设备构造成在日间或夜间提供大于或等于大约400流明、大于或等于大约450流明、大于或等于大约500流明、大于或等于大约1000流明、大于或等于大约2000流明、大于或等于大约3000流明或者其他合适的照射等级。在某些实施例中，日照设备构造成大致在整个房间中提供表面的直接照射，其照射等级大于或等于大约1流明每平方英尺、2流明每平方英尺、3流明每平方英尺、4流明每平方英尺或5流明每平方英尺；大于或等于大约1流明每平方英尺和/或小于或等于大约15流明每平方英尺；介于大约1流明每平方英尺与大约10流明每平方英尺之间；介于大约3流明每平方英尺与大约10流明每平方英尺之间；或者处于其他合适的范围内。在一些实施例中，日照设备构造成提供照射，这样使得从日照设备接收直接照射的表面的最大照射等级与最小照射等级之间的差值小于或等于临界等级。在某些实施例中，用于直接照射的表面的不同照射等级的临界等级为大约5流明每平方英尺、4流明每平方英尺、3流明每平方英尺、2流明每平方英尺或1流明每平方英尺。
术语“准直器”在本文中根据其宽泛和普通意义来使用，并且包括例如光对准组件，该光对准组件具有带有反射内部表面的一个或多个侧壁，该反射内部表面构造成使得由准直器反射的光的离开角比光的进入角更趋近于平行于光的纵向轴线(例如更趋近于竖直线)。在一些实施例中，准直器增大与参考平面所成的仰角，该参考平面垂直于穿过日照设备传播的光中的至少一部分的管的纵向轴线(例如，该参考平面为水平的)，这样使得光中的至少一部分以更竖直的角离开日照设备。光转向的程度可取决于光入射在其上的所述一个或多个反射内部表面的部分的方向及位置。
本文中公开的一些实施例提供日照设施，该日照设施包括：具有侧壁的管，该侧壁带有反射内部表面；准直组件；以及辅助照明固定装置。该管可设置在定位成接收日光的透明覆盖件与定位在建筑物的目标区域内的扩散器之间。在某些实施例中，管构造成将通过透明覆盖件传输的日光朝向扩散器引导。辅助照明固定装置可包括设置在管内的灯以及包括光控制表面，该光控制表面构造成将离开灯的光朝向扩散器反射并且构造成传输从透明覆盖件的方向穿过管传播的日光。灯可设置在管的内部侧壁上或者以允许由灯产生的光穿入至管的内部的方式定位。
如在本文中使用的，“管”以其宽泛和普通的意义来使用。例如，管包括任何管道、通道、输送管、引导件、室、管线、路径或通路(无论截面形状或构造如何)，并且在合适的情况下这样的术语可互换地使用。例如，管可为大体圆柱形的形状，或者可具有矩形、椭圆形、三角形、圆形或其他截面形状或者这些截面形状的组合。此外，提及管或管状组件可指具有任何合适长度、宽度或高度的组件。
图1示出了安装在建筑物中以用于使用自然光来照射建筑物的内部房间12的管状日照设备10的实例的截面图。在本文中公开的日照设备的某些实施例可具体地适于高挂应用。例如，如在本文中描述的日照设备可适于安装在具有近似20英尺高或更高的内部天花板的建筑物中。管状日照设备10包括安装在建筑物的屋顶18上的透明光收集器20，其允许自然光进入管24。光收集器20可使用防水板22安装至屋顶18。防水板22可包括凸缘22a以及边沿22b，该凸缘附接至屋顶18，该边沿从凸缘22a向上凸出并且可适当地成角度以使屋顶18的斜面与光收集器20接合并将光收集器保持在大体竖直直立的方向上。屋顶18和/或天花板14可由一个或多个托梁15支撑。
在某些实施例中，光收集器20为至少部分透明的并且可由任何合适的材料(例如，丙烯酸、聚碳酸酯、塑料、玻璃等)制成。光收集器20可包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件用于使进入光收集器的光的路径弯曲、转向、汇聚、发散或以其他方式改变。
管24可构造成在大体竖直的定向上跨过屋顶18与房间12的内部的天花板14之间的区域。在某些实施例中，管24连接至防水板22。管24可将进入管24的光大体向下朝向光扩散器26引导，该光扩散器使光分散在房间12中。管24可由金属、纤维、塑料、刚性材料、合金、其他合适的材料或者材料的组合制成。例如，管24的本体可由1150型铝合金构成。管24的内部可为反射的。例如，可借助于例如电镀、阳极氧化、金属化塑料膜涂层或其他合适的手段而使得管24的内部为反射的。在某些实施例中，可通过使用由美国明尼苏达梅普尔伍德的3M公司制造的多层聚合日照膜将管组件的内部表面进行层压以使得管组件24是内部反射的。可使用其他合适的反射材料使得管24的内部表面对可见光而言是高度反射的。
管24可终止于光扩散器26处。光扩散器26可包括使光以合适的方式传播或散射的一个或多个设备。在一些实施例中，扩散器26吸收相对少的可见光或不吸收可见光，并且传输大部分或全部的入射的可见光(至少以某些角度入射的)。扩散器可包括一个或多个透镜、毛玻璃、全息扩散器或任何其他合适的扩散器。可使用任何合适的连接技术将扩散器26连接至管24。例如，密封环可围绕地与管24接合并且连接至光扩散器26以将扩散器26保持到管24的端部上。
通过光收集器20进入管24的光的量可至少部分地取决于管开孔相对于太阳辐射的有效区域以及阳光的密集度。相比于中午的等级，在清晨和/或傍晚的这些参数均可大幅度降低。相对于某些TDD实施例，这可导致整天中的内部照射的较大变化，这些变化可能需要早上/晚上的补偿照明和/或在中午某些时间的荫蔽。在某些实施例中，可结合TDD使用光学元件，以便增加由TDD在早上/晚上的时间或者在太阳处于相对低的太阳高度角时所捕捉的阳光的量。
管24可包括任意数量的段或部分。例如，在图1中描述的实施例示出了包括上段24a、中间段24b以及下段24c的管24。上段24a可与防水板22接合并且被光收集器20覆盖。中间段24b可邻接至上段24a，并且可相对于上段成角度。在某些实施例中，管24包括多个中间段。例如，管24可包括上中间段，该上中间段构造成与下中间管段可滑动地接合，从而允许管24中的热压力的吸收。下段24c可邻接至中间段24c，并且可连接至管24。管24的一个或多个段可构造成使得管24在光收集器20与扩散器26之间提供理想的路径。在某些实施例中，连续的管段之间的连接部或接头由带或其他装置覆盖或密封，以便防止穿过管24传播的阳光的泄漏。
为了将冲击光收集器20的光的较大部分引导到管中，可将光学元件结合到光收集器中，以使阳光沿着大体朝向管开孔的方向弯折或定向。在某些实施例中，使用棱镜来实现光的弯折。使用棱镜实现的阳光弯折可由斯涅耳折射定律来描述，该定律陈述入射角与折射角之间的关系，该入射角为日光在光收集器20的表面上的入射角，该折射角为光在穿过光收集器20的表面与围绕光收集器的空气(或其他物质)之间的界面之后的折射角。收集器20使光弯折的程度可取决于因子数。例如，构造收集器20的材料的折射系数影响折射角。通常，覆盖件的折射系数与周围空气的折射系数之间的差值越大，折射角越大。此外，光的相对于系数改变界面的入射角影响最终的折射角。通常，相对于界面的入射角越大，折射角越大。进入较高系数材料的光将朝向界面的表面法线折射。相反地，进入较低系数材料的光将远离界面的表面法线折射。
对于进入较大系数材料的光的情况，穿过光收集器20传输的光的量可由第一表面反射损失影响；并且对于进入较低系数材料的光的情况，穿过光收集器传输的光的量可由全内反射损失影响。
上文描述的各个参数影响穿过收集器20并且进入管24的光的量和方向。在某些实施例中，光收集器20构造成优化所收集的光的量以及传播到管24中的光的方向。
在某些实施例中，管状日照设备10包括热绝缘子系统(未示出)或热绝缘部分，该热绝缘子系统或热绝缘部分基本抑制建筑物的内部12与外部环境13之间的热交换。该热绝缘子系统可具有任何合适的构造，例如，在美国专利申请公开No.2011/0289869中公开的任意构造或构造组合，其全部内容通过引证结合于本文中并且成为本说明书的一部分。
管状日照设备还可在日照设备的具有高热导率的任何材料或部件中包括热敏断开部。例如，管24的侧壁中的间隔件或间隙可靠近热绝缘部分定位，并且热绝缘部分和热敏断开部可构造成在建筑物内部12与外部环境13之间形成大致连续的层。在某些实施例中，绝缘部分和热敏断开部设置在与其他建筑物绝缘材料(诸如纤维玻璃等)相同的平面中。
下文的表A-表D提供了与使用两种不同光收集覆盖件的四种不同日照设备构造的性能相关的数据。在本文中称为反射器圆顶的第一覆盖件为大致透明的圆顶，该圆顶包括在其内部表面的一部分上固定至其的反射器。这样的圆顶与US RE36,496和/或US7,322,156中描述的光收集覆盖件实施例类似，其全部内容通过引证结合于本文中并且成为本说明书的一部分。第二覆盖件为棱形圆柱体圆顶，其在下文中更详细描述。所测量的参数包括性能、太阳增热(“SHGC”)以及内部热损失(“U-因子”)。在表A-表D中呈现的各种日照设备构造包括开放式天花板设计(在屋顶高度处设计有绝缘物)以及光扩散器，诸如由美国加利福尼亚维斯塔的索乐图国际公司制造的OptiviewTM扩散器。各种构造的性能可相对于在不同太阳高度角处的阳光来测量。具体地，每个TDD构造的性能可相对于30°和40°的太阳高度角来测量。
表A提供了用于包括直管的日照设备构造的性能数据，该直管在其基部处具有单个扩散器并且不具有热敏断开部或间隙。如由数据所表明的，这样的构造在相对低的太阳高度角处可提供增大的光传播以及降低的效率。表A中的性能数据以及在下文中讨论的后续表格中的性能数据是根据光通量相对于任意基值的相对单位，而不是根据SI导出单位(流明)而表示的。这样做是为了强调本文中描述的各个实施例的相对性能。光通量性能数据可通过使用测角光度计来获得。
表A
表B提供了用于包括准直器的TDD构造的性能数据，该准直器在管的基部具有单个扩散器并且不具有热敏断开部或间隙。如由数据表明的，这样的构造在相对低太阳高度角处可提供降低的光传播和较高的效率。
表B
表C提供了用于包括准直器的TDD构造的性能数据，该准直器在屋顶绝缘物的高度处具有扩散器热敏断开部。这样的热敏断开部可包括透明的和/或珠状玻璃，其由带有密封件的刚性绝缘材料(例如塑料部件)支撑和分离。
表C
表D提供了用于包括准直器的TDD构造的性能数据，该准直器在屋顶绝缘物的高度处具有扩散器“蜂窝”热敏断开部。这样的热敏断开部包括带有蜂窝的透明且珠状的玻璃，其由带有密封件的塑料部件支撑和分离。
表D
上文的表均示出了棱形圆柱体圆顶相对于反射器圆顶实施例而言可提供性能方面的提高以及太阳增热方面的降低。此外，当与某些可替换的构造相比时，包括热敏断开部的构造可显著降低太阳增热以及内部热损失。上文相对于表A-表D所考虑的构造可与在此描述的日照系统的某些其他特征、部件或实施例组合或结合，其可影响上文测得的性能值。
图2示出了图1中示出的光收集器20的实施例。在某些实施例中，光收集器20构造成使冲击其表面的光中的至少一部分转向，这样使得光向下朝向管24的水平开孔定向。光收集器20的各种特性和特征影响收集器的光转向性能。如在美国专利No7,546,709中公开的，包括与内部棱镜组合的光滑外部弯曲表面的光收集器可产生理想的光转向效应，其全部内容通过引证结合于本文中并且成为本说明书的一部分。在某些实施例中，这样的构造提供阳光入射在覆盖件的外部表面上的双重折射。
光收集器20可形成任何合适的形状和/或尺寸。例如，光收集器20可为大体圆柱形形状，带有平面的或弯曲的顶部部分。在某些实施例中，诸如在图2中示出的实施例中，光收集器20可为大体半球形形状。图2的收集器限定闭合顶点240以及与顶点240相对的开放的大体圆形的基部242。虽然基部242在图2中示出为圆形的，然而在某些实施例中其可为椭圆形、矩形或多边形的，或者任何其他合适的形状，或者形状的组合。收集器20可构造成具有连续的弯曲形状或一系列弯曲和/或平面的侧段。
图2描绘了形成在收集器20上的棱形图案。这样的图案可例如模制到收集器20的内部和/或外部表面中。在某些实施例中，棱形膜或其他棱形元件可粘结至、连接至或以其他方式关联至收集器20。如在下文中更加详细描述的，在某些实施例中，棱镜可由圆形凹槽244建立，该凹槽平行于基部242并且由可具有平坦或弯曲截面形状的相对面限定。此外，如也在下文中公开的，凹槽244在深度及斜度方面和/或其他方面是可变化的。凹槽244可围绕收集器20的整个周界，并且在覆盖件的整个高度上以及围绕其整个周界为大致均匀的。在某些实施例中，凹槽244在不同高度处或在沿着收集器20的周界的不同点处相对于一个或多个参数变化。例如，取决于高度和/或位置，凹槽244可包括具有不同角度、形状、和/或宽度的面。在某些实施例中，收集器20的部分不包括棱形元件。尽管沟槽244示出以大体水平线定向，然而沟槽的一部分、全部或者大致全部可相对于水平线以任何合适的非零角定向，或者以其他方式定向。
如在图3中所示，收集器20在基部224处的直径可大于管24在水平开孔处的直径。例如，收集器20在基部224处的直径可介于管外部直径的100％至150％(或更多)之间。此外，收集器高度h可介于管直径的26％(或更少)至管直径的100％(或更多)之间。
收集器20可形成有可变棱镜，该棱镜将低角度光引导到天窗管24中并且将较高角度光中的至少一部分反射开。这样的构造可在一天中实现更为恒定的光输出。在某些实施例中，更靠近覆盖件的顶点240的凹槽具有与更靠近基部242的凹槽244不同的特征。例如，图4和图5提供分别位于收集器20的靠近顶点240以及基部240的部分中的棱形凹槽的实施例的截面图。
凹槽244可由相对面(对于图4而言的相对面46、48，以及对于图5而言的相对面50、52)限定。如在图4-图5中所示，收集器20在每个相应区处的斜度的角度(即收集器的弯曲部的切线与水平面之间的角度)标为“α”。在某些实施例中，收集器20的斜度在靠近收集器的顶点240的一点处比在更靠近收集器的基部242的一点处更小。因此，当构造收集器20的材料始终具有恒定的折射系数时，冲击覆盖件的光朝向图4中详细示出的区中的管相比于在图5中详细示出的区可做出更大程度的转向。
光Ls以太阳高度角θ(例如图4-图5中示出的20°)冲击覆盖件240的表面。因此，光冲击收集器20的入射角等于90°-(θ+α)。在其中θ＝20°且α＝22.5°的情况下(如在图4中所示)，入射角将为47.5°。在某些实施例中，覆盖件20的位于覆盖件与周围空气之间的界面处的材料具有比空气更大的折射系数。因此，取决于入射角以及在界面处折射系数的差值，光的至少一部分以一定量朝向表面的法线折射。在图4-图5中，所折射的光在穿过外部空气/覆盖件界面之后相对于水平面(即非棱镜折射)的角表示为“β”。所述光进一步穿过收集器20的壁传播，直到其冲击棱镜壁为止。在某些实施例(其中覆盖件的折射系数大于包含在收集器中的空气或其他材料的折射系数)中，穿过收集器20的光将从棱镜表面的法线折射开。位于收集器20的内部表面上的棱镜可设计成使光朝向管24的开孔进一步转向。棱镜面48、50与管的竖直轴线之间的角表示为“γ”。光Ls由于其横过棱镜界面48、50而经历的额外的折射角表示为“δ”。进入收集器20的阳光Ls由于其穿过覆盖件的两个界面因此可经历双重折射，由此潜在性地允许覆盖件的光转向容量的增加。如在图4中所示，阳光Ls在20°的太阳高度角下冲击收集器20的表面，在该点处其向下折射例如18°。光Ls然后冲击棱镜面48，在该点处其再次向下折射例如额外的7°。因此，在经历双重折射之后，取决于收集器的构造(例如在光转向组件中使用的任何棱镜的构造)，相对于水平面以20°角度进入收集器的光可以例如朝向管与水平线成45°或其他角度定向。
如在图5中描绘的，α在更靠近基部242的点处可比在更高的点处更大。可能理想的是，将覆盖件20构造成使得在更靠近顶点240的一点(例如，点“A”)处进入收集器的光比在更远离顶点的一点(例如，点“B”)处进入收集器的光以更大的程度转向，以便将这样的光引导到竖直方向的管24中。下文的表E提供了对于某些实施例而言穿过顶部覆盖件20的光的总方向改变，如在下文中描述和在图4-图5中示出的。(注意：除非另有指明，角是以水平线作为参照的)。
表E
在圆顶形覆盖件的某些实施例(诸如在图2-图3中描述的实施例)中，例如在点“A”处进入覆盖件的上部的低角度阳光(例如具有近似20°的太阳高度角的光)进入管，从而增大管的有效开孔。如果不存在图2-图3中示出的棱形元件，则应该向下反射到管24中的光中的至少一部分可离开覆盖件20而不会进入管。
当与某些可替换的光收集组件构造相比，图2-图3中示出的圆顶形光收集器可具有减小的竖直阳光捕捉区域。例如，美国专利申请公开No.2010/0325979公开了具有顶部覆盖件和竖直侧壁部分的光收集器，其全部内容通过引证结合于本文中并成为本说明书的一部分。结合有顶部收集器部分与竖直收集器部分的光收集组件可通过提供用于阳光捕捉的大的竖直目标区域而增大竖直阳光捕捉区域。图6示出了光收集组件的截面图，该光收集组件包括跨过下区651的竖直部分636以及占据上区640的顶部覆盖部分638两者。在某些实施例中，棱形膜设置在竖直部分636内部和/或外部，以提供光的双重折射。例如，如在图6中示出的，棱形膜648可包括面向外的棱镜656以及片的平面表面，该面向外的棱镜用以提供光的第一折射，该片的平面表面提供第二折射。在某些实施例中，这个棱形图案模制成薄的聚合物片，该聚合物片能放置在保护性透明覆盖件的内部。在某些实施例中，棱镜形成在收集器636的外部表面或内部表面中。顶部覆盖部分638(例如在图2中示出的棱形覆盖件)可设置在竖直部分636之上。
在某些实施例中，收集器组件620为对称的，提供360度阳光捕捉区。收集器组件620的有效光捕捉区域可为收集器的直接暴露于阳光的区域加上顶部覆盖件的表面区域的直接暴露于阳光的部分。在某些实施例中，在存在不受阻的大致准直的光的情况下，收集器的有效捕捉区域可为收集器的360度周界中的近似90度，或者为收集器的总表面区域的近似25％。在某些实施例中，带有面向外的棱镜656的棱形膜648沿着收集器620的下区651的至少一部分650延伸。在某些实施例中，如果阳光处于相对于收集器表面的近似+/-45度入射角内，则阳光可向下折射到管中。由于整个阳光捕捉区包括全部360度周界，因此在存在透明准直阳光的情况下可使用可利用区域的仅90度或25％。
在一些实施例中，顶部覆盖部分638与竖直部分636成一体地制成，并且可从开放基部641延伸至远离开放基部641的闭合顶点642，形成连续壁。顶部覆盖部分638可为球形、半球形、平面形、弯曲的或可具有一些其他闭合形式，诸如金字塔形、锥形或任何其他合适的形状。竖直部分636可为中空的，并且可从圆顶638的开放基部641向下延伸，终止于可被光穿过的开放下端646中。
如在图6中描绘的，光收集器620可包括一个或多个棱形膜648，所述棱形膜可围绕竖直部分651的轴向段650。棱形膜648可为单个一体式构件，或者可包括多个不同的段。在包括棱形膜648的某些实施例中，棱形膜648可跨过光收集器620的整个竖直部分651。可替换地，如在图6中所示，棱镜环648可跨过竖直部分651的第一轴向段650，但是并不跨过与第一轴向段650连续的第二轴向段652。
顶部覆盖部分638可形成有通常以654表示的棱形元件，该棱形元件可为蚀刻、模制在顶部覆盖部分638中或以其他方式与顶部覆盖部分成一体或者附接至顶部覆盖部分的棱镜线。在某些实施例中，棱镜元件通过捕捉源于收集器620之外的光并且使其向下转向穿过开放周界641、经过竖直部分651并且进入管组件中来增加光吞吐量。棱镜线654可平行于水平面定向，并且能够以同心圆的形式全部地围绕顶部覆盖部分638。棱镜线654的实例实施例在下文中更详细描述。
在某些实施例中，片648可包括构造成对光进行折射的通常由656表示的棱镜。棱镜656可包括位于棱形膜648的外表面658上的棱镜凹槽，并且当片处于平坦构造中时可为线性的，并且因此当片648成形为图6中示出的构造时形成弯曲区段。棱形膜648的外表面658可抵靠或邻近竖直部分636的轴向段650的内表面660定位。棱镜凹槽656可为面向外的(如在图6中所示)，或者以其他方式构造。在某些实施例中，棱镜656与顶部覆盖部分638的实施例中的棱镜元件类似，因为该棱镜捕捉来自收集器620外部的光并且使其向下转向进入管组件中，从而增加光吞吐量。
在某些实施例中，与顶部覆盖部分638关联的棱镜654跟上文中相对于图2描述的与圆顶关联的棱镜的实施例类似。例如，取决于棱镜元件654与圆顶的哪个部分关联，棱镜元件可具有变化的棱镜角。在某些实施例中，棱镜元件654在整个顶部覆盖部分638上具有一致的棱镜角。
在某些实施例中，位于顶部覆盖部分640或竖直部分651的相同部分内的棱镜具有变化的棱镜角度。图7示出了具有多个棱镜756的透明圆顶的段的截面图。在某些实施例中，棱镜756的棱镜角可相对于彼此而变化。例如，表示棱镜756b的棱镜角的γ1(例如20°)不同于表示棱镜756a的棱镜角的γ2(例如9°)。对于邻近的棱镜或邻近的棱镜组而言可能理想的是包括不同的棱镜角，以便将穿过光收集器传播的光混合。例如，如果大致准直的光进入光收集组件(该光收集组件包括带有相等棱镜角的棱镜)的棱形部分，进入管的光可在某些区中集中。这样的光集中可在目标区域中引起不理想的“热点”。通过改变棱镜角，可减小这样的热点的影响。
图8提供了图6中示出的棱形膜648的一部分848的截面图。图8中示出的棱形膜648的该部分848包括多个棱镜856。图8中示出的组件包括图6的光收集组件620的外部透明竖直部分636。棱镜856可沿着透明竖直部分636的内部表面660定位，并且可面向穿透竖直部分636的阳光Ls的方向。在某些实施例中，棱镜856面向内，其中背部表面849内衬于外部竖直部分636或邻近外部竖直部分。在某些实施例中，棱形膜848在其不只一个侧部上包括棱镜。该棱镜可构造成将冲击光收集组件的竖直部分的阳光中的至少一部分朝向管的水平开孔向下转向。
在某些实施例中，棱镜856包括两个面846、848。在图8的实施例中，面848具有相对于水平线的棱镜角度γ1(例如50°)，而面846具有在水平线以下的棱镜角度γ2(例如30°)。取决于棱形膜850的构造，棱镜角度γ1和γ2可为相等的或者可为不同的。此外，与上文描述的棱镜756类似，相邻的棱镜856或棱镜组可具有变化的棱镜角度。这样的变化的棱镜角度可促进穿过光收集器传播的光的混合。在某些实施例中，棱形膜850包括具有一致棱镜角度的棱镜。
进一步参照图6，圆顶638以及棱形膜648的棱镜角度可设计成对太阳提供这样的入射角，该入射角增大或最大化可能捕捉到的并且在光收集组件620的基部朝向开孔646转向的太阳高度辐射的范围。在某些实施例中，圆顶638和棱形膜648包含相同的一种或多种材料或包含具有大致类似折射系数的材料。在某些实施例中，棱形膜648可包括具有比圆顶638更高的折射系数的一种或多种材料。
竖直部分636可构造成捕捉相对低角度的阳光，例如，处于大约20°的太阳高度角的阳光。在某些实施例中，竖直部分651具有大于约0.91的纵横比(竖直高度比水平开孔)。竖直部分651的增大的高度可有利地增加水平开孔646在相对低太阳高度角期间的有效捕捉面积，从而在早上和下午晚些时候/晚上早些时候提供增加的阳光。除了增加处于低太阳高度处的天窗的有效开孔之外，竖直部分636还可构造成减小水平开孔646在较高太阳高度角处的有效捕捉面积，以防止在中午时间期间的过度照射和/或发热。
下文的表F提供了使用带有两个不同棱镜角度的光转向组件所折射的光的折射角。表中的每一行均与处于不同太阳高度角(如在第一列中确定的)处的阳光关联。第二列和第三列提供了在光穿过棱形元件的相应部分之后光的折射角(从水平线测量)。在一些实施例中，光进入包括两个或多个棱镜角(例如，50°和70°)的光收集组件。当光在棱形表面上的入射角(例如，由太阳高度角、棱形元件的方向、将光朝向棱形元件引导的任何反射器的角度、和/或棱形元件的棱镜角度确定)超过全内反射(“TIR”)的临界角时，日光将不会穿过棱形元件。当发生TIR时，入射在棱形元件的部分上的光几乎不会进入光收集组件。当使用反射器将日光朝向棱形元件引导时，棱形元件的一个或多个角度可选择成增大或最大化被引导到管开孔中的直接和间接的(例如反射的)日光。
表F
光收集组件的顶部可为透明的或棱形的。棱形顶部覆盖部分可具有棱形元件，该棱形元件具有单个棱镜角度或多个棱镜角度。由于上空阳光的相对高的传输，透明的顶部覆盖件应用在高度扩散气候下是有益的。在某些实施例中，顶部覆盖部分638中的至少一部分可构造成反射以高于特定角度的太阳高度角冲击这样的部分的光中的一些光或全部光。例如，圆顶的位于或靠近顶点642处的部分可构造成反射上空阳光中的至少一部分，以便在中午时间期间减少光和/或热。
竖直部分636可包括任何合适的形状或形状的组合。例如，光收集组件620的部分636可具有方形、圆形、椭圆形、矩形、六边形或其他形状的基部。此外，部分636的壁可为大致竖直的，或者可具有任何期望的朝内或朝外的斜度。在某些实施例中，竖直部分636的壁是倾斜的，以允许套入多个这样的部件，以用于更紧密封装。
在某些实施例中，竖直部分636提供大致竖直的目标区域以用于阳光收集，这可提供较高的纵横比以用于光收集。棱形元件可与竖直部分636的壁的至少一部分成一体。对于在竖直部分636中成一体的棱镜而言可替换或附加地，可使用上文描述的棱形膜使光向下折射。由于折射系数的界面由高至低，故在图8中示出的棱形膜的平坦背侧849可提供良好的向下折射。在包括塑料聚合物(该塑料聚合物的折射系数在近似1.49-1.65的范围中)的具体实施例中，收集器的竖直部分可具有大于或等于0.9的高度与宽度的纵横比。在一些实施例中，竖直部分的高度与宽度的纵横比大于等于1或者大于等于1.1。
下文的表G提供常规21英寸直径透明圆顶光收集组件的性能与根据本文中公开的原理构造的具有23英寸高度的圆柱形圆顶光收集组件的性能相比较的计算机模拟数据。该表提供了由处于各个太阳高度角处的相应组件中的每一个收集的光的量(以光通量的相对单位)。这些性能值包括位于每个太阳高度角处的相关直接太阳照射。这些值可使用由北美照明工程学会(IESNA)陈述的过程来获得，其记载在IESNA第9版手册第8章5.5节中。
表G
太阳高度角(度) 透明圆顶 圆柱形圆顶
20 1.0单位光通量 2.02单位
30 1.43单位 2.31单位
40 2.02单位 2.50单位
50 2.29单位 1.86单位
60 2.67单位 1.53单位
70 2.92单位 1.06单位
表G表明在40度或更小的太阳高度角处光收集的增加。因此，在某些实施例中，圆柱形圆顶光收集组件在常规光收集组件不能捕捉相当大一部分光的时期(诸如在某些早上和/或晚上时候，取决于一年的时节和/或纬度位置)提供增加的光收集。此外，在阳光暴露的量大于可能理想的量的时期(诸如中午时期)可减少光收集。在某些实施例中，当光在管中向下传播时，根据本文中公开实施例的光收集组件提供较少的光反射，这是由于光转向成更紧密地与管的纵向轴线对准。管内的较少反射可降低管内的损失。此外，穿过管传播的光能够以较小入射角到达位于管基部处的扩散器，从而提供较高的光学传输效率。此外，如由表G表明的，圆柱形圆顶构造可允许在一天中更为一致的照射供应。
如上文讨论的，光收集组件的顶部覆盖部分可为大致半球形的(如在图2中所示)，或者可为任何其他合适的形状。图9中的实例光收集组件包括锥形顶部覆盖部分938。与上文描述的实施例中的一些类似，顶部覆盖部分938可与一个或多个光转向组件(诸如棱镜)整体形成，以用于使阳光向下弯折。圆顶938的顶部区(诸如圆形区942)可构造成反射处于高太阳高度角的阳光中的一些、全部或者大致全部，从而降低中午时间的光的强度。图10提供了图9的锥形顶部覆盖部分938的俯视图。
图11示出了包括顶部覆盖部分1138的光收集组件的实施例，该顶部覆盖部分包括多个收集器段1138a、1138b、1142。一个或多个壁段的壁可为大致笔直的，或者可弯曲一定程度。每个壁段1138a、1138b的至少一部分可包括光转向元件。相对于图11中示出的实施例，收集器段1138a和1138b的壁相对于水平面具有不同的表面角度。相比于收集器段1138a，收集器段1138b可构造成使低角度光弯折更大的程度。这可能是理想的，因为在段1138b处冲击顶部覆盖部分1138的光可能需要方向上的更大改变，以便进入管下方的水平开孔。
取决于太阳高度角和/或方位角，屋顶-顶部收集器相对于直接阳光的有效光捕捉区域可能并不包含光收集器的可获得表面区域的大部分或至少一部分。例如，相对于至少低高度角的阳光，光收集器的表面区域的与太阳光线相对的至少一部分可能不能捕捉任何直接阳光。因此可能有利于使光收集器的总表面区域的更大部分暴露于阳光(无论直接或间接的)，以便增加光收集器的光捕捉特征。实现这个目的的一种方式可为以这样的方式定位可视光反射元件，所述方式为朝向光收集器的捕捉区域反射阳光的一部分。这样的反射元件可为被动的或者可构造成在一天中追踪太阳的位置。
在某些实施例中，平坦或弯曲的反射板通常定位在光收集器后方。反射器将阳光反射到光收集器的竖直目标区域上。竖直目标区域可比天窗应用中的管的水平开孔更大。连接至光收集器的光转向系统可将光朝向收集器基部开孔向下转向并且进入管中。光转向系统可包括棱形元件、折射元件、反射元件、其他光学元件或光学元件的组合。图12提供了阳光收集系统的实施例的立体图，该阳光收集系统包括靠近光收集器1220定位的光反射器1280。反射器1280可定位成与光收集器1220相距任意距离，并且反射器1280与光收集器1220之间的距离可在收集器1280的不同点处变化。
光收集器1220(与上文中讨论的某些实施例类似)可包括竖直部分1236和顶部覆盖部分1238。在某些实施例中，光反射器1280围绕光收集器1220为抛物线形弯曲的。如在图13(其提供了图12的阳光收集系统的俯视图)中所示，抛物线形光反射器可定位成使得光收集器1220的中央位于抛物线1280的对称轴线上且在焦点处。当反射器1280定位成使得冲击反射器1280的大致准直的直接阳光与抛物线1280的对称轴线大致平行或者位于相对于平行而言可接受的角度范围内时，这样的构造可提供由光收集器1220的竖直捕捉区域增加的反射阳光的捕捉。在沿着反射器的长度上的任一点处或者至少在其长度的一部分上冲击抛物线形反射器1280的光可朝向光收集器1220的竖直捕捉区域被反射。
适于与本文中公开的日照系统的实施例结合使用的反射器1280可包括由美国佐治亚亚特兰大的Almeco USA公司制造的Vega WR193型和293型的室外环境反射器和/或美国俄亥俄北里奇维尔的Alanod WestlakeMetal Ind.制造的MIRO-SUN耐候反射90型反射器和耐候85型反射器。这样的产品可形成为各种形状(诸如抛物线形)，并且可提供优良的太阳能反射性能并且经得起严苛的室外环境。在一些实施例中，当相对于CIE照明体D65来测量时，反射器具有大于或等于大约95％、大于或等于大约98％、或大于或等于大约99％的光反射。
图12的光反射器1280围绕光收集器1220弯曲。然而，如在下文中相对于图16-图18的实例性实施例所讨论的，光反射器1280可具有任何理想的形状或构造。反射器1280可收集大致或近似准直/平行的阳光光束并且将其重新引导至共用焦线。反射器1280可定位在收集器后方，其中反射器的焦点位于收集器1220的中央处或中央处附近。这样的构造可允许阳光定向至与竖直平面成一直线的竖直部分和顶部覆盖面，该竖直平面围绕收集器1220的中央旋转。这可增加阳光收集面积并且利用总面积中的更大部分和/或收集器1220中的各种透镜的光学件。
弯曲反射器1280的使用可允许从围绕光收集器1220的较大范围的周界角进行阳光捕捉。在阳光的角度捕捉方面的这种增加可提供多种益处，诸如增加光混合。例如，在阳光从宽泛范围的周界角进入管开口的实施例中，离开管的光的分布可更均匀并且可减少管的基部处的扩散器上的热点的存在。这样的光混合还可防止准直的光以这样的方式到达扩散器棱镜，该方式为致使在建筑物内部中出现彩虹。
相对于某些实施方式(其中，光定向到中央供给管中并且散布到多个分支管中)，光混合在促进阳光散布到各种分支管中的方面是重要的。在某些实施例中，每个分支管均从中央供给管接受近似等量的光。
使用光反射器(诸如弯曲反射器1280)的阳光收集和重新定向可大致增加常规管状日照设备的性能。多个参数可有助于阳光收集系统的某些实施例的性能的增加。例如，光收集器1220的竖直部分1236的阳光收集区域可影响这种系统的性能。在某些实施例中，竖直部分1236相对于管开口(光引导到该管开口中)的直径而言的高度和直径可由位于圆柱体内或与圆柱体关联的光学元件(例如整体式棱镜、棱形膜或透镜膜等)的折射转向率确定。圆柱体高度与管直径的纵横比可取决于期望捕捉并折射到管中的太阳高度角的范围。对于美国的大多数地点，该范围可为近似20至70度。例如，通过使用近似20度的下端太阳高度作为设计点以用于将光从与竖直壁圆柱体关联的光学元件折射到管中，圆柱体高度可设计成管直径的近似0.67至1.0倍的范围。这些值可尤其基于材料折射系数和棱镜角度来变化。
在一些实施例中，光收集器的竖直部分1236具有近似0.67的圆柱体高度与管直径的纵横比。可计算具有这个构造的收集器的有效阳光收集面积。在竖直平面内测量圆柱体相对于直接和反射光两者的阳光捕捉表面面积。抛物线形反射器可大致竖直地定位成平行于竖直部分1236的外壁，这样使得反射的光以近似等于太阳高度角的入射角度进入竖直部分1236。
举例而言，系统可包括近似9.125”的收集器高度以及近似13.6”的管直径。竖直部分1236的宽度可近似等于管开口的直径，或者可大于或小于管的直径。例如，竖直部分1236可具有近似15.6”的直径。圆柱体的真实有效的正面光捕捉面积与直接非反射太阳光关联，由于竖直部分以及顶部覆盖部分透镜中的光学件在偏离轴线曲率方面的限制而使得该正面光捕捉面积在某些实施例中可限于近似90度的暴露角度(近似11”的弦宽度)。收集器的有效直接阳光捕捉面积因此为：
11”x9.125”＝100.4平方英寸。
如在图13中所示，在某些实施例中，从抛物线形反射器反射的阳光可设计成覆盖收集器周界的212度(偏离圆柱体的背侧+/-106度)，根据上文描述的说明，所述收集器周界具有以下反射阳光捕捉面积：
15.6”x3.14x9.125”x(212°/360°)＝263.2平方英寸。
参照图14，顶部覆盖部分1438的有效阳光收集面积取决于顶部覆盖件的高度1406(除了可能的其他情况以外)。顶部覆盖件的高度1406可基于将阳光向下沿着收集器的高度1406重新引导至管开口所需的折射光学件。在包含有从圆顶的外部和内部棱镜的双重折射光学元件的某些实施例中，高度可由圆顶的斜度α、棱镜角度和/或材料折射系数或指数确定。在包括的斜度α为偏离水平线大约35度且包括的棱镜直立角度为偏离竖直线大约9度并且具有大约58度的包含角度的实施例中，圆顶可具有近似5.4英寸的高度。取决于圆顶符合锥形形状的程度，圆顶的总面积将近似等于偏离水平线35度的直角圆锥形(3.14x7.8”x9.5”＝232.7平方英寸)。在某些实施例中，圆顶的形状在某些方面与确切的锥形不同。例如，除了其他可能的变化外，圆顶的顶点1442可为倒圆的而非尖锐的。在圆顶的面向太阳的表面具有近似90度的接收角度的系统中，直接阳光捕捉面积可等于近似44.9平方英寸。反射的阳光部分(接收角度为212度)将为近似137.0平方英寸。
表H概述了相对于太阳高度角所计算的单个和总体阳光收集有效面积。该表包括处于20至70度(以10度为增量)的太阳高度角下的上述圆柱体圆顶设计的有效阳光收集面积。表中的值考虑到了偏离水平线的太阳高度角与入射到竖直圆柱体以及倾斜圆顶的平面的入射角之间的余弦差值。为了说明的目的，表中的值仅提供用于光收集的可能面积，并且未考虑到实际根据本文中公开的原理构造的照明系统可能受到的某些损失，例如材料光学传输损失。
表H
下文的表I提供了使用抛物线形反射器的透明顶部覆盖件的收集面积的计算(相对于上述包括辅助光学件的收集器)。管开口的水平开孔的有效捕捉面积可使用直角圆锥的面积来计算。类似于上文描述实施例，水平开孔(即管开口)的直径可近似为13.6”，并且具有近似145平方英寸的面积。直接太阳正面积为太阳高度角与水平面积的乘积的正弦的因数。反射的光可再次跨过管开孔的全部周界的近似212度。这个应用可代表其中仅有透明顶部覆盖件覆盖管开口的抛物线形反射器的使用。通过使抛物线形反射器竖直地定向，反射的光保留与直接阳光近似相同的太阳高度角的值。在包括以一定量向前或向后倾斜的反射器的实施例中，反射的光可具有与直接光不同的太阳高度角。
再次，以下表格概述了相对于太阳高度角的单个和总的阳光收集有效面积。表中的值为了说明的目的而仅提供用于光收集的可能面积，并且并未考虑到实际根据本文中公开的原理构造的照明系统可能受到的某些损失，例如材料光学传输损失。
表I
进一步参照图13，抛物线形反射器1280的有效阳光收集面积可取决于多个参数，诸如形状、尺寸、辅助光学元件等。在图13中描述的实施例中，反射器1280的竖直截面的形状基于用于抛物线的标准形态等式y2＝4px，其中p为距顶点v的焦距，并且x-y坐标提供该形状。在某些实施例中，可能理想的是，顶点定位成靠近收集器的外部周界或者尽量或尽可能地靠近。在某些实施例中，收集器的中央定位在抛物线形反射器1280的焦点处或附近。例如，在收集器的宽度大约为15.6”的情况下，可能理想的是使收集器的中央定位在大约9”的焦距处并且将反射器1280构造成具有横过反射器的弯曲部朝向太阳的大约48”的开孔1281。这个构造可提供收集器周界(上文的某些计算取决于该收集器周界)的近似212度的覆盖。
参照图14中示出的日照系统的实施例，收集器1220可具有任何合适的高度1401，并且这样的高度1401可取决于多个参数，诸如管开孔直径、结合于收集器中或与收集器关联的辅助光学件的规格、期望的光收集的量、成本、制造相关、和/或其他参数。在某些实施例中，收集器的高度1401为近似14.6”、大于或等于大约10”、大于或等于大约14”、或者其他合适的高度。
反射器1280可具有任何合适的高度1403。例如，反射器的高度1403可为大致等于光收集器的高度，或者可具有大于收集器的高度以适于一定范围的竖直倾斜，如在下文中更详细讨论的。例如，在包括14.6”高度的收集器的实施例中，反射器1280可具有16”的高度。此外，反射器可相对于屋顶顶部或光收集器1220的基部升高一定量1402。因此，收集器1280的顶部可位于屋顶顶部或光收集器1220的基部之上的总距离1407处。
图16提供了竖直定向的平面式反射器1680的截面图。如在图中示出的，直接光LD相对于水平面的角θ1大体等于反射光LR的角θ2的角度。在某些实施例中，可能理想的是使光反射器围绕轴线倾斜，从而改变反射光的角度。图15示出了阳光收集系统的实施例，其中光反射器1580构造成在反射器1580的基部的枢转点p处围绕水平轴线倾斜。尽管枢转点p位于反射器1580的基部处，然而反射器可构造成围绕任何合适的点倾斜或旋转。例如，反射器1580可构造成围绕近似处于反射器的顶部与基部之间的中间位置的点枢转。反射器1580可构造成向前倾斜、向后倾斜、或者向前和向后倾斜。如在图17(其提供朝向直接光LD的方向倾斜5°的平面式反射器1780的截面图)中示出的，使反射板向前倾斜将通常会通过板从竖直线每倾斜5度使得到的太阳高度角改变10度，并且从竖直线向后倾斜将根据相同的比例来降低得到的太阳高度。具体地，在图17的实施例中，反射光LR相对于水平面的角θ2比直接光LD的角θ1大10°。
在某些照明条件下，可能理想的是使得反射器1580向前倾斜以便将光向下引导。例如，图15示出了以一量θ1向前倾斜的反射器1580。在低太阳高度角的时期(诸如早上或晚上的时候)，可能理想的是使反射器1580a向前倾斜以便捕捉光收集器1520中的增加的光的量。相比于包括带有竖直光捕捉目标区域的光反射器的实施例，在包括带有水平光捕捉目标区域的透明光收集器的实施例中可期望更大程度的倾斜。
当阳光处于高太阳高度角时(诸如在中午的时候)，可能理想的是使反射器1580b向后倾斜以便使光朝向光收集器的目标光捕捉区域反射。例如，图15示出了以一量θ2向后倾斜的反射器1580b。
反射器的倾斜角可固定在某个点处，诸如根据用于性能的中间值计算的点。在某些实施例中，阳光收集系统1500包括用于使反射器1580在白天倾斜以追踪太阳的太阳高度角的机构。这样的机构可为相对宽容的。在某些实施例中，光反射器1580构造成如上文中讨论地围绕光收集器1520旋转以追踪太阳的太阳方位角并且倾斜以追踪太阳的太阳高度角。例如，光收集系统1500可包括引导轨道，光反射器在该引导轨道上旋转，其中，该引导轨道使得反射器1580倾斜一定的量，该量与反射器的旋转位置关联。
尽管在本文中描述的许多实施例是在结合有弯曲或抛物线形光反射器的光收集系统的背景下描述的，然而根据本文中描述的实施例的光反射器可为任何合适的形状、尺寸或构造，并且可包括单个反射器或多个反射器。例如，用于在阳光收集系统中使用的反射器可为平面形、圆形、球形、半球形、椭圆形、矩形或任何其他形状或者形状的组合。此外，反射器可在任何方向或维度上弯曲或成角度。在某些实施例中，反射器为沿着水平轴线、竖直轴线或两者的抛物线形。此外，反射器的形状可基于反射器的特定部分与目标(诸如光收集器)的距离而变化。图18-图20提供了用于在阳光收集系统中使用的反射器的非限制性实例性实施例。
图18示出了结合在具有大体笔直构造的光收集系统中的反射器1880的实施例。这样的反射器1880可为被动的或者可围绕光收集器1820旋转。此外，反射器1880可被升高，诸如通过设置在支柱或其他升高组件上或者与支柱或其他升高组件成一体来实现。与抛物线形反射器不同＝，反射器1680并不围绕光收集器1620弯曲。这样的反射器可在制造、运输、安装等方面更廉价和/或更有效。然而，笔直反射器不能提供与弯曲反射器同样多的捕捉的反射光。
本文中描述的静态/被动及主动反射系统可围绕这样的概念设计，即，使用反射表面捕捉阳光并且将其朝向竖直目标引导，与水平目标相比可为更有效的。这样的一个原因可基于反射板表面与直接阳光之间的入射角的降低，从而增加光在板上的密度。该概念在下文的表K中说明。下文的表J提供使用静态/被动及主动反射器设计的测角光度计连同棱形收集器以及位于管基部的分段准直器来获得的性能数据。可在五个太阳高度角下(20至60度，以10度为增量)执行测试。呈现在表J中的系统使用14”直径的管和屋顶开口、1平方英尺开孔以及位于每个设计的基部处的准直器。在某些实施例中(如在表中支持的)，根据本文中公开的构造的日照系统可提供来自屋顶中的单个平方英尺开孔的足够的光，以取代近似2个175瓦特的金属卤化物高挂灯。提供与各个光收集组件相关的数据以示出设备之间的性能差异。这些性能值包括在每个太阳高度角处的相关直接太阳照射。
表J
如在表J中表明的，棱形顶部覆盖件设计相对于透明顶部覆盖件可在较低太阳高度角处增加性能，并且在较高角度处降低性能以防止眩目和相关的增热。此外，棱形顶部覆盖件设计可对白天提供更好的平均性能。
如所示出的，被动设计可在介于至少20与60度之间的所有太阳高度角下增加性能，特别相对于用于使构造优化成将光反射到棱形收集器中的较高高度角而言。相对于主动设计而言，在某些实施例中性能可增加，这大致是因为光可反射到收集器中，该收集器围绕顶部覆盖件的360度周界中的大于212度。此外，某些实施例可构造成通过基于性能要求和/或太阳高度角来使抛物线形反射器倾斜而保持/控制所捕捉的光的量。
图19中示出的光反射器1980包括围绕光收集器1920弯折的多个反射板。板1980a、1980b、1980c中的每一个均为大致笔直的，但每个板均相对于光收集器1920的竖直轴线以不同的轴线角位于一平面中。除了具有与连续抛物线弯曲相反的离散的笔直段之外，反射器1980的形状可近似于抛物线形反射器的形状。反射器1980的各个板相对于彼此为可调节旋转的。例如，两个板之间的角θ可如所期望地手动调节或以其他方式调节。反射器1980可为被动的或者可围绕光收集器1920旋转。
根据本文中公开的实施例的光反射器的一个或多个部分或段可相对于反射器的其他部分或段升高。在图20的实施例中，光反射器2080的周界端部部分2080a、2080c相对于中央部分2080b升高h2的量。在某些实施例中，反射器的周界端部部分(诸如抛物线形反射器的周界部分)定位成与更靠中央的部分相比更远离相关透明覆盖件的中央。反射器与透明覆盖件之间的距离上的这个变化可导致光的不均匀的收集和分布。例如，在某些实施例中，从更远距离反射的向下成角度的光必须大体源于竖直较高位置，以便在光从较近位置反射的情况下到达透明覆盖件。因此，可能理想的是升高反射器的周界端部，以便促进光的均匀收集和分布。反射器的部分的高度方面的变化可包括一个或多个大体离散的台阶(诸如在图20中示出的实施例)，或者可为逐级的。在某些实施例中，反射器的顶部在某些部分(诸如周界端部部分)处是升高的，而底部边缘保持连续竖直位置。在这样的实施例中，反射器2080的高度h可在其宽度上变化。
如上文所述，光反射器的部分的高度或尺寸方面的相关变化可降低在反射器与光收集器之间的距离方面变化的潜在的不理想的效果。在某些实施例中，在反射器中整体形成的或与反射器关联的光学元件可帮助减少这样的效果。例如，光反射器的周界端部部分或反射器的任何其他部分可包括棱镜，以用于改变从反射器的表面反射的光的角度和/或方向。相对于图20，取代升高周界端部部分2080a和2080c或者除其之外，这样的部分可包括使光向上弯折一定量的光学元件，以便补偿从这样的部分反射的光所必须行进的较大距离。在某些实施例中，与反射器的底部部分关联的光学元件使光向上弯折，和/或与一个或多个顶部部分关联的光学元件使光向下弯折。相对于图18的矩形反射器1880，反射器1880可包括光学元件，该光学元件使光逐渐向内移动远离反射器的中央的方式弯折。此外，相比于下区中的光学元件，反射器1880的上区中的光学元件可使光转向更大的程度。在某些实施例中，与反射器1880关联的光学元件近似地模拟与抛物线形式的反射器或其他形式弯曲或构造的反射器的特征类似的光反射器特征。通过将光学元件与反射器关联，平坦的或以其他方式成形的反射器可增加所反射光的有效捕捉区域。
图21提供了包括用于反射光的光学元件的反射器2180的截面图。在某些实施例中，反射器2180为竖直反射棱形板。反射器2180的一个或多个表面或者一个或多个表面的部分可相对于反射器2180的平面成角度。例如，反射器2180的背部表面2156可包括一个或多个成角度的表面区2156a、2156b，该成角度的表面区相对于反射器1280的平面以成角度的方式偏离θ3(例如5°，如在图21中所示)。表面2156可为反射的，这样使得冲击表面的直接光LD朝向光捕捉目标反射。类似于使反射器倾斜的效果(如上文参照图17所描述的)，提供成角度的表面2156a、2156b对于相对于反射器的平面的每5度角度偏差将大体使得得到的太阳高度角或反射的光LR改变10度，无论所述偏差是负的还是正的。具体地，在图21的实施例中，在光反射器2180具有大体竖直的方向的情况下，反射的光LR相对于水平面的角θ2比直接光LD的角θ1大10度。表面2156可包括一个或多个递减区2157，以允许多个成角度的区段2156a、2156b，同时将反射器2180厚度保持在期望范围内。
在某些实施例中，反射器2180包括透明聚合物，该反射器具有为反射的表面，诸如表面2156。例如，表面2156可通过蒸汽涂层(例如，铝、银等)而具有反射性。将一个或多个光学元件结合到反射器中(诸如通过用具有该斜度的透明材料制造棱镜)可用作对反射器倾斜的替换或者可与反射器倾斜技术组合，以便加强反射器的转向能力。在某些实施例中，在反射器中结合有一个或多个反射性棱镜允许将反射板维持在竖直方向上，其中反射棱镜构造成改变二等分角。
在某些实施例中，抛物线形反射器包括一个或多个光学元件，该光学元件设计成当人开始进一步远离抛物线顶点时补偿与光反射器的距离。例如，反射板在顶点处或附近可为平坦的(例如不具有棱镜)，并且当人更靠近边沿角时连续地或以离散增量的方式增加角度。这可允许反射板高度的降低，以覆盖收集器的高度。参照图13，在某些实施例中，具有与抛物线的顶点v相距近似9英寸的焦点p的抛物线形反射器定位在与顶点v处的光收集器1220的外表面相距近似1.2英寸处，但是在反射器的周界部分1283的某些位置处可与光收集器相距17.5英寸远或更远(例如对于具有48英寸开孔1281的抛物线形反射器1280而言)。因此，如果光以例如30度向下反射，则其可在顶点v处的反射点之下的近似0.7英寸的点处冲击光收集器，但在某些周界部分1283处在反射点之下的大于10英寸的点处冲击光收集器。
在某些实施例中，面向直接光LD的方向的棱形元件在光被反射表面反射之前使光弯折。在这样的实施例中，反射表面可大致为平面的或者可包括一个或多个成角度偏离部分。此外，根据在本文中公开的实施方式的反射器可包括除了(或代替)上文所讨论的那些光学元件之外的任何合适的可替换的光学元件。
图22提供了根据本文中讨论的原理的阳光收集系统2200的立体图。系统2200包括光收集器2220和反射器2280。图23提供了系统2200的反射器及光收集器2220的分解图。棱形膜2348嵌套地设置在光收集器2220内。上文结合图6讨论了可与图23中示出的棱形膜类似的棱形膜。
反射器2280上的阳光强度将取决于阳光相对于反射器2280的面的入射角(除了其他情况以外)。举例而言，如果具有的强度为1,000流明的光以30度的入射角从反射板反射，则单位面积的强度可减小至近似866流明(1,000x cos(30°))。通常，入射角越小，光强度越高。表K提供了在20与70度之间的增量高度角下对反射器表面相对于阳光所计算的光强度值。该表提供了相对于反射器板的变化倾斜角而言的反射板光强度值。
表K：反射性板光强度(100％为最大值)
可能理想的是来自反射器的光以近似为30至40度的太阳高度角进入收集器组件，以便有效利用收集器组件的光学件。因此，如由表K表明的，在存在具有60度太阳高度角的阳光的情况下，可能理想的是反射器向后倾斜15至20度，以便使太阳高度角降低至30至40度。另一方面，在存在具有20度太阳高度角的阳光的情况下，可能理想的是使反射器向前倾斜5至10度以实现相同的结果。
应当注意的是，使反射板向前倾斜对于板从竖直线的每5度的倾斜而言可使得到的反射角度改变10度，而使板从竖直线向后倾斜可使得到的反射角度减小相同的比例。包括反射板的阳光收集组件可构造成使得保持任何期望的反射角(例如20度)。
参照图12，为了保持抛物线的顶点与太阳方位角的竖直平面大致成一直线，可能理想的是，使反射器1280围绕收集器组件1220旋转。例如，反射器可在某一程度的容差内以与太阳的方位运动近似相同的速率围绕收集器旋转。将阳光直接聚焦到开口中的反射集中器或折射集中器通常要求小于一度的追踪误差，以便保持性能。在某些实施例中，连续大目标(例如收集器1220的宽度)的使用可允许相当大的误差而不会损失实质的聚焦和相关的性能。相对于包括收集器目标(具有大致竖直的光收集表面)的某些实施例TDD系统，下文的表格示出了性能的降低相对于方位追踪误差的关系：
表L
方位追踪误差(度) 系统性能 与0度相比的性能降低
0 100％ ------
5 88％ 12％
10 83％ 17％
15 70％ 30％
20 55％ 45％
25 42％ 58％
如在表L中示出的，在某些实施例中，收集器组件的折射透镜构造成以在某一范围(例如近似+/-5度)内偏离轴线的入射角将光引导到日照开孔中。相比于要求的精度在例如一度内的追踪机构，设计和制造能以+/-5度的误差操作的追踪机构可显著地更为简单和/或成本更低。这还可有利于操作这样的系统，该系统能够以大于20度的误差来保持50％的性能水平，如在表L中示出的。
表M提供了处于各种太阳高度角和反射器板倾斜角下的不具有抛物线形反射板的透明圆顶阳光收集系统的计算有效面积(如与实例圆柱形收集器组件的有效面积以及具有反射板的透明圆顶组件的有效面积相比)。
表M
上文呈现的数据表示结合有反射板的阳光收集系统的潜在性能。如在表M中示出的，对于某些太阳角而言，来自具有圆柱形收集器组件的抛物线形反射器的有效收集面积可比不具有反射器的水平管开口的有效收集面积大300％。此外，由于当阳光强度等级降低时处于低太阳角的收集面积增加以及当阳光强度等级较高时处于高太阳角的收集面积降低，故收集器组件可在白天的延长的期间中提供近似恒定的照射水平。
如示出的，当与圆柱形收集器组件相比时，由于阳光的反射器收集减少，故包括反射板的透明圆顶系统可具有减小的有效收集面积。这可由于使光向下反射至水平开口中所需的太阳至反射器板平面的较高入射角而发生。当与圆柱形收集器组件的较大竖直捕捉面积相比时，水平开孔的面积也可为限制性参数。
可使用一系列计算机模型来测试引导到水平管开口中的光的量，该水平管开口位于结合有抛物线形反射器的系统中。这些测试可包括两个抛物线形反射器系统设计与包括不带有反射器的常规透明圆顶的系统的性能的比较，该两个抛物线形反射器系统设计中的一个使用圆柱形圆顶光收集器并且另一个使用常规透明圆顶。表N中提供了尺寸以及其他参数：
表N
使用上文的收集器透镜的设计规格及相关光学件、材料的传输/反射、以及几何特性，在阳光可以介于20度至70度范围(以10度为增量)内的太阳高度角投射到系统上之后，使准直光图案化。对于每个太阳高度角而言，光的强度可基于北美照明工程协会(“IES”)的用于直接日照的标准而变化。这些结果并未考虑扩散的内容。这些结果列举在表O中。
表O
表P提供了透明圆顶与具有圆柱形收集器的抛物线形反射器的计算机模拟比例(表N)与从上文对有效阳光收集面积的分析得来的相同比例(表L)的比较。这个分数可被认为是圆顶的光学效率。
表P
如在表P中示出的，对于每个增量式太阳高度角的测量而言，效率均大于100％。在最大值处，预期的结果应当不超过100％效率。因此，在本文中公开的原理产生了远超预期或预料的性能及结果，高达143％或更高。这些结果可为这样的指示，即，上文执行的有效光捕捉面积分析没有完全呈现如在本文中公开的反射器的增加对日光收集系统可具有的性能增加效果。表O中的大于100％的效率值可归于一个或多个未知或未预见到的因数。例如，非预期的性能可由于反射的光与反射器的周界的高度角的增加而产生。例如，如果抛物线形反射器为竖直的，则在抛物线的中央或顶点处反射的任何光能够以相同的入射角反射。由于反射器的曲率，故在远离反射器中央的位置处存在额外的转向角，该转向角可通过转向角的余弦函数来增加反射的角度。
本文中公开的各个实施例的讨论通常遵循在图中示出的实施例。然而，构想的是，在本文中讨论的任何实施例的具体特性、组件或特征可以任何合适的方式组合在未明确示出或描述的一个或多个单独的实施例中。例如，可以理解，辅助照明固定装置可包括多个光源、灯、和/或光控制表面。还可以理解，本文中公开的辅助照明固定装置可用在至少一些日照系统和/或除了TDD以外的其他照明装置中。
应当认识到的是，为了使本公开条理化的目的以及辅助各个本发明方面中的一个或多个的理解的目的，在上文的实施例的描述中，各种特性有时一起组合在单个实施例、图或其描述中。然而，本公开的该方法不应当被解释为反映出这样的意图，即，任何权利要求主张比在该权利要求中清楚描述的更多的特征。此外，本文中具体实施例中示出和/或描述的任何部件、特性或步骤可应用于任何其他实施例或者与任何其他实施例一起使用。因此，在本文中公开的本发明的范围旨在不应当被上文描述的具体实施例限制，而是应当仅仅通过对所附权利要求的公正解读来确定。

Claims (33)

1.一种日照装置，所述日照装置构造成将自然日光引导到建筑物的内部中，所述装置包括：
至少部分透明的光收集组件，所述至少部分透明的光收集组件包括大致竖直的侧壁部分和水平的日照开孔；
反射器，所述反射器定位且构造成将自然日光朝向所述大致竖直的侧壁部分反射，其中，所述反射器定位在所述光收集组件的外部，所述反射器构造成将日光朝向至少部分在所述光收集组件中的焦线反射；以及
光转向组件，所述光转向组件包括至少一个棱形元件，所述至少一个棱形元件定位且构造成将穿过所述至少部分透明的光收集组件传输的光朝向所述日照开孔转向；
其中，所述日照装置构造成当所述日照装置安装在所述建筑物的屋顶上并且当日照开孔与形成在所述建筑物的屋顶中的开口对准时对所述建筑物的内部提供自然照明。
2.根据权利要求1所述的日照装置，其中，所述反射器在一个或多个维度上为弯曲的。
3.根据权利要求1所述的日照装置，其中，所述反射器为平面的。
4.根据权利要求1所述的日照装置，其中，所述反射器由一个或多个支腿支撑，所述支腿构造成当所述反射器安装在所述建筑物上时将所述反射器的下边缘升高至所述建筑物的屋顶之上的一距离。
5.根据权利要求1所述的日照装置，其中，所述反射器包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件构造成改变冲击所述反射器的至少一部分光的反射角。
6.根据权利要求5所述的日照装置，其中，所述一个或多个光学元件包括棱形元件。
7.根据权利要求6所述的日照装置，其中，所述反射器包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一棱形元件，所述第二部分具有第二棱形元件，其中，所述第一棱形元件和所述第二棱形元件具有不同的光转向特性。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的日照装置，其中，所述反射器包括多个段。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的日照装置，其中，所述反射器构造成向前和/或向后倾斜。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的日照装置，其中，所述反射器为沿着至少一个曲率轴线的大致抛物线形反射器。
11.根据权利要求10所述的日照装置，其中，所述光收集组件的截面中央定位在所述抛物线形反射器的焦点处。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的日照装置，其中，所述反射器构造成围绕第一旋转轴线旋转。
13.根据权利要求12所述的日照装置，其中，所述第一旋转轴线大致位于所述光收集组件的中央处。
14.根据权利要求12所述的日照装置，其中，所述反射器构造成围绕至少第二旋转轴线旋转。
15.根据权利要求12所述的日照装置，其中，所述反射器构造成自动旋转，以大致追踪太阳方位角。
16.根据权利要求1至7中任一项所述的日照装置，其中，所述光收集组件包括竖直部分和顶部覆盖部分。
17.根据权利要求16所述的日照装置，其中，所述竖直部分或者所述顶部覆盖部分中的至少一个包括棱形元件。
18.根据权利要求16所述的日照装置，进一步包括棱形膜，所述棱形膜设置在所述光收集组件的所述竖直部分内。
19.根据权利要求16所述的日照装置，其中，所述顶部覆盖部分包括多个段，其中，所述多个段中的每个均具有不同的外部表面角。
20.根据权利要求16所述的日照装置，其中，所述顶部覆盖部分包括单个外部段，所述单个外部段具有不变的斜度。
21.根据权利要求16所述的日照装置，其中，所述顶部覆盖部分包括单个外部段，所述单个外部段具有变化的斜度。
22.一种将自然日光引导到建筑物的内部的方法，所述方法包括：
将反射器定位在光收集装置的外部，所述光收集装置设置在形成于建筑物外层中的水平日照开孔之上；
使用设置在所述光收集装置的直接阳光捕捉面积中的至少一个棱形元件将自然日光朝向所述日照开孔转向，使得一部分所述日光能用于照亮建筑物的内部，其中，所述直接阳光捕捉面积定位成接收直接非反射太阳光；
使用所述反射器使自然日光朝向所述光收集装置的大致竖直的侧壁反射，其中，所述大致竖直的侧壁为至少部分透明的，其中，反射阳光捕捉面积定位成接收由所述反射器反射的日光，所述直接阳光捕捉面积并没有完全覆盖所述反射阳光捕捉面积；
穿过所述光收集装置的大致竖直的侧壁传送反射的自然日光；以及
使用设置在所述光收集装置的所述反射阳光捕捉面积内的至少一个棱形元件使所述反射的自然日光朝向所述日照开孔转向，使得一部分的所述反射的自然日光能用于照明所述建筑物的内部。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括使所述反射器自动重新定位，以使得所述反射器的顶点在日照期间大体追踪太阳方位角。
24.一种用于对建筑物的内部提供自然光的日照装置，所述装置包括：
透明的光收集组件，所述光收集组件包括侧壁部分和日照开孔，所述日照开孔构造成当所述日照装置安装在所述建筑物上时定位在所述建筑物的屋顶上；以及
反射器，所述反射器构造成使自然光朝向所述光收集组件反射，所述反射器定位在所述日照开孔的外部，所述反射器构造成将日光朝向至少部分在所述光收集组件中的焦线反射；以及
光转向棱形元件，所述光转向棱形元件构造成将穿过所述光收集组件传输的反射光朝向所述日照开孔转向；
其中，所述反射器为大致抛物线形的并且包括至少一个顶点部分，其中，所述光转向棱形元件包括位于所述光转向棱形元件的第一表面的棱形表面和位于与所述第一表面相对的所述光转向棱形元件的第二表面上的非棱形表面，所述光转向棱形元件定位成在反射的日光入射到所述光转向棱形元件的所述非棱形表面上之前，反射的日光入射到所述棱形表面上。
25.一种对建筑物的内部提供光的方法，所述方法包括：
将反射器定位在光收集装置的外部，所述光收集装置定位在形成于建筑物外层中的日照开孔之上，其中，所述反射器为大致抛物线形的并且包括至少一个顶点部分；
使用所述反射器使自然日光朝向至少部分在所述光收集装置中的焦线反射；
穿过所述光收集装置的透明侧壁传送反射的自然日光；以及
使所述反射的自然日光朝向所述日照开孔转向，使得一部分的所述反射的自然日光能用于照明所述建筑物的内部。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括移动所述反射器以追踪太阳方位角。
27.一种用于对建筑物的内部提供自然日光的日照装置，所述装置包括：
日光收集器，所述日光收集器限定日照开孔，所述日照开孔构造成当所述日照装置安装在所述建筑物上时以大致水平的方式或大致平行于建筑物表面的屋顶的平面的方式定位；
反射器，所述反射器具有大致抛物线形状，所述反射器构造成反射日光以使得一部分的反射的日光朝向所述日光收集器被引导，所述反射器定位在所述日照开孔的外部，其中，所述反射器构造成将日光朝向至少部分在所述日光收集器中的焦线反射；以及
光转向棱形元件，所述光转向棱形元件构造成使穿过所述日光收集器传送的反射的日光朝向所述日照开孔转向，
其中，所述光转向棱形元件包括位于所述光转向棱形元件的第一表面的棱形表面和位于与所述第一表面相对的所述光转向棱形元件的第二表面上的非棱形表面，所述光转向棱形元件定位成在反射的日光入射到所述光转向棱形元件的所述非棱形表面上之前，反射的日光入射到所述棱形表面上。
28.根据权利要求27所述的装置，进一步包括追踪系统，所述追踪系统构造成使所述反射器转向，以使得所述反射器的顶点在日照期间大体追踪太阳方位角。
29.根据权利要求27所述的装置，其中，所述反射器构造成将日光反射到所述日照开孔中，使得所述反射的日光被引导穿过一从所述日照开孔的周界的至少一半向上延伸的表面。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述从所述日照开孔的周界的至少一半向上延伸的表面从所述日照开孔的周界的至少58％向上延伸。
31.根据权利要求27所述的装置，其中，当相对于CIE照明体D65来测量时，所述反射器具有的光反射比大于或等于95％。
32.根据权利要求27所述的装置，其中，所述光转向棱形元件包括棱形膜，所述棱形膜定位成使穿过所述日光收集器的光折射。
33.根据权利要求27所述的装置，其中，所述光转向棱形元件包括定位成使穿过所述日光收集器的光反射的反射器。
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