CN112673288A - 成角度的太阳折射表面 - Google Patents

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Abstract

集中器设备可以包括光接收器和光集中器。光集中器可以包括具有在光接收器上的第一焦点的第一集中透镜。第一集中透镜的第一侧可以比第一集中透镜的第二侧更靠近第一焦点。

Description

成角度的太阳折射表面
技术领域
太阳能集中器使用透镜(通常是菲涅耳透镜)将大面积的阳光朝向特定的焦点聚焦。这是通过弯曲穿过菲涅尔透镜的光的射线使得每条光线都被近似导向同一焦点来实现的。一些菲涅尔透镜成形为具有聚焦光线的同心棱镜环。这些特征使菲涅耳透镜将来自太阳或其它源的散射光聚焦成紧密的光束。太阳能的集中提高了焦点处的温度，这可以用于加热物体或烹饪食物。在其它示例中，菲涅尔透镜可以用于增加太阳能电池上的光，以增加转换成电的光的量。
背景技术
在授予Luigi Salvatore Fornari的美国专利第9,097,841号中公开了菲涅耳透镜的示例。在该参考文献中，提供了一种菲涅耳透镜阵列，其中透镜元件的垂直部分由倾斜表面代替，该倾斜表面被设计成将入射光聚焦到阵列中相邻透镜的焦点上。由于新表面与透镜平面形成比垂直台阶更浅的角度，所以这样的透镜元件构造可以易于用玻璃型材料模制透镜阵列。该构造不限于圆柱阵列，因为具有垂直于第一透镜阵列的透镜元件的另一阵列可以被模制在透镜片的另一侧上，产生点聚焦透镜的阵列。此外，通过以表面垂直于透镜平面在透镜阵列的边缘(或在其单个透镜的边缘)放置镜子，边缘光线可以被重定向回焦点。特别地，单个圆形透镜(其透镜元件横截面类似于上述的透镜元件横截面并且在边缘具有垂直镜子)还将准直光集中到焦点。
在授予Hiromu Nakamura的美国专利第5,410,563号中公开了菲涅耳透镜的另一个示例。在该参考文献中，公开了一种激光束光源装置，其具有菲涅尔透镜和由树脂制成的聚光透镜，菲涅尔透镜具有不等间距并面向激光二极管的光栅。聚光透镜的焦距被设定为一个值，该值消除了伴随温度变化的由激光二极管的振荡波长的波动引起的菲涅耳透镜的焦距变化，以及伴随温度变化的菲涅耳透镜的焦距变化。此外，公开了一种激光束扫描光学系统，其用于基于图像信息通过从激光光源发射的激光束经由偏转装置和光学元件在扫描线上扫描。在激光扫描光学系统中，一对变形透镜设置在偏转装置的前后以校正偏转装置的表面倾斜，变形透镜中的一个是菲涅耳透镜，变形透镜中的另一个由树脂制成。
在授予Silvia Booij的美国专利公开号20160265740中公开了菲涅耳透镜的又一个示例。在该参考文献中，公开了一种光束整形装置。在一个示例中，光束整形装置包括用于接收来自光源的光并提供更准直输出的准直器，以及用于接收更准直输出的光学板，该光学板包括在输入侧的二维透镜阵列和在相对输出侧的相应二维透镜阵列。在至少一个实施例中，在输入侧的透镜各自具有在输出侧的相应透镜处的焦点，并且在输出侧的透镜各自具有在输入侧的相应透镜处的焦点，并且在输出侧的至少一些透镜相对于光学板的一般平面倾斜。所有这些参考文献对于它们公开的所有内容通过引用并入本文。
发明内容
在一个实施例中，集中透镜包括透明材料。透明材料包括透明材料的光接收表面、与光接收表面相对的透明材料的光出射表面、并入光接收表面和光出射表面中的至少一个中的透明材料的多个折射表面、连结光接收表面和光出射表面的第一侧以及与第一侧相对并对齐的第二侧，第二侧连结光接收表面和光出射表面。多个折射表面将穿过透明材料的光导向共同的焦点，并且透明材料的第一侧比透明材料的第二侧更靠近共同的焦点。
透明材料可以是至少半透明的。
集中透镜可以包括折射表面的中性折射表面，该中性折射表面使垂直于光接收侧的光保持朝向共同的焦点的未折射路线。
至少多个折射表面的子集可以包括朝向中性折射表面的逐渐不同的折射角。
折射表面可以是同心的。
折射表面可以与透明材料的第一侧和第二侧中的至少一个对齐。
在一个实施例中，集中器设备可以包括光接收器和光集中器。光集中器可以包括具有在光接收器上的第一焦点的第一集中透镜。第一集中透镜的第一侧可以比第一集中透镜的第二侧更靠近第一焦点。
集中器设备可以包括在光集中器和光接收器之间的部分真空空间。
光接收器可以包括隔离段，该隔离段被构造成将热保持在光接收器内。
光接收器可以是太阳能板。
光接收器可以是服装物品。
光接收器可以是建筑部件。
光接收器可以是烹饪设备。
光接收器可以是液体容纳器。
光接收器可以是管道。
管道可以被构造成输送流体。
管道可以包括真空段。
管道可以包括隔离层，该隔离层被构造成将热保持在管道内。
集中器设备可以包括并入隔离层的热交换器。
集中器设备可以包括并入光接收器的散热器。
集中器设备可以包括邻近第一集中透镜的第二集中透镜。第一集中透镜可以相对于第二集中透镜偏移，并且第二集中透镜可以具有在光接收器上的第二焦点。
第一焦点和第二焦点可以在光接收器的不同位置上。
第一焦点和第二焦点可以在光接收器上的同一位置处。
第二集中透镜可以具有第一侧，该第一侧比集中透镜的第二侧更靠近第二焦点。
在一个实施例中，集中器设备可以包括光接收器和光集中器，光集中器可以包括第一集中透镜，该第一集中透镜具有在光接收器上的第一焦点。第一集中透镜的第一侧可以比集中透镜的第二侧更靠近焦点。第二集中透镜可以与第一集中透镜相邻。第二集中透镜可以具有在光接收器上的第二焦点。
第一焦点和第二焦点可以在光接收器的不同位置上。
第一焦点和第二焦点可以在光接收器上的同一位置处。
第二集中透镜可以具有第一侧，该第一侧比集中透镜的第二侧更靠近第二焦点。
在一个实施例中，集中器设备包括光接收器和光集中器。光集中器可以包括具有在光接收器上的第一焦点的第一集中透镜。第一集中透镜被构造成将光导向第一焦点，并且不对称地定位在第一焦点上方。
集中器设备可以包括在光集中器和光接收器之间的部分真空空间。
光接收器可以包括隔离段，该隔离段被构造成将热保持在光接收器内。
光接收器可以是太阳能板。
光接收器可以是管道。
该管道可以包括隔离段，该隔离段被构造成将热保持在管道内。
集中器设备可以包括邻近第一集中透镜的第二集中透镜。第二集中透镜可以被构造成将光导向第二焦点，并且可以不对称地定位在光接收器上的第二焦点上方。
在一个实施例中，集中器设备可以包括光集中器。光集中器可以包括具有第一焦点的第一集中透镜。第一集中透镜的第一侧比第一集中透镜的第二侧更靠近第一焦点。
集中器设备可以包括光接收器。焦点可以在光接收器上。
集中器设备可以包括第二光集中器。第二光集中器可以包括具有第二焦点的第二集中透镜。
第二集中透镜的第一侧可以比第二集中透镜的第二侧更靠近第二焦点。
第二焦点可以在光接收器上。
第一焦点和第二焦点可以间隔一定距离。
在一个实施例中，集中透镜可以包括透明材料。透明材料可以包括透明材料的光接收表面和与光接收表面相对的透明材料的光出射表面。光接收表面和光出射表面之间的区域限定至少一个集中平面。至少一个集中平面可以包含中点。集中透镜还可以包括并入光接收表面和光出射表面中的至少一个中的透明材料的多个折射表面。多个折射表面可以将穿过透明材料的光导向共同的焦点。从共同的焦点到中点的聚焦轴可以与集中平面形成非直角。
非直角可以在60度和89度之间。
在一个实施例中，集中器设备包括光接收器和光集中器。光集中器可以包括第一透明材料、具有在光接收器上的第一焦点的第一集中透镜、以及在第一透明材料和第一集中透镜之间的第二透明材料。第一集中透镜被构造成将光导向第一焦点，并且不对称地定位在第一焦点上方。
第二透明材料可以是流体，例如油，包括但决不限于Cargille光学油(校准液、浸液、光学凝胶或具有调整的折射率的设计油)。
集中器设备可以包括在光接收器中限定的通路，该通路被构造成容纳流体流。
该通路可以包括在光接收器中限定的第一部分和部分地由第一光透明材料和第一光集中透镜限定的第二部分。
第二透明材料可以被构造成流过该通路。
当第二透明材料位于通路的第一部分时，集中器设备可以显示出向第二透明材料的太阳热传递。
当第二透明材料位于通路的第二部分时，集中器设备可以显示出向第二透明材料的太阳热传递。
集中器设备可以包括：当第二透明材料位于通路的第一部分时，显示出向第二透明材料的第一太阳热传递的第一特性，以及当第二透明材料位于通路的第二部分时，显示出向第二透明材料的第二太阳热传递的第二特性。第一热传递比第二太阳热传递显示出更大的温度增加。
集中器可以包括其上形成有元光学器件的表面，以选择性地聚焦接收的光。
集中器可以包括保护涂层，例如脂肪族涂层。集中器可以采取任何尺寸。
附图说明
附图说明了本设备的各种实施例，并且是说明书的一部分。所示的实施例仅仅是本设备的示例，并不限制其范围。
图1示出了现有技术菲涅耳透镜的顶视图。
图2示出了根据本公开的集中透镜的示例的侧视图。
图3示出了根据本发明的集中设备的示例的侧视图。
图4示出了根据本发明的集中设备的示例的侧视图。
图5示出了根据本发明的集中设备的示例的侧视图。
图6示出了根据本公开的集中透镜的示例的侧视图。
图7示出了根据本公开的集中透镜设备的示例的侧视图。
图8示出了其上形成有元光学器件的表面的示例性扫描电子显微镜图像。
在所有附图中，相同的附图标记表示相似但不一定相同的元件。
具体实施方式
出于本公开的目的，术语“对齐”意味着平行、基本上平行或形成小于35.0度的角度。出于本公开的目的，术语“横向”意味着垂直、基本上垂直或形成55.0和125.0度之间的角度。此外，出于本公开的目的，术语“长度”意味着物体的最长维度。此外，出于本公开的目的，术语“宽度”意味着物体从一侧到另一侧的维度。通常，物体的宽度横向于物体的长度。出于本说明书的目的，集中平面通常指平行于轴的光线偏离以会聚到焦点的平面。出于本说明书的目的，聚焦轴是穿过集中平面的中点和共同焦点的轴。
在太阳能收集器中使用菲涅尔透镜来通过折射集中光。常规的菲涅耳透镜近似于曲面透镜，但具有较少的材料。因此，菲涅耳透镜的重量小于相应的曲面透镜的重量。在某些情况下，菲涅耳透镜将平行光线聚焦到焦点。通常，菲涅尔透镜包括平坦侧和倾斜侧。倾斜侧包括形成折射表面的倾斜小平面，其近似于透镜的曲率。通常，小平面越多，曲面透镜的逼近性越好。
通常，所有穿过菲涅尔透镜的光都集中到单个点。因此，菲涅耳透镜的表面积越大，越多的光集中到单个点。具有更大表面积的菲涅耳透镜通常具有更长的焦距，因为穿过菲涅耳透镜侧面的光线将聚焦到穿过菲涅耳透镜中心部分的光线穿过的同一焦点，但是穿过侧面的光线必须比穿过中心的光线行进更长的距离。因此，作为一般规律，菲涅耳透镜的表面积越大，到焦点的焦距越长。这部分地是由于菲涅耳透镜的对称性。根据这个一般规律，随着表面积增加，菲涅耳透镜被放置在离焦点更远的距离处，占据更多的空间。
图1描绘了菲涅耳透镜100的现有技术示例。这里，菲涅耳透镜100包括大体平坦的光接收表面102。菲涅耳透镜100的光出射侧104与光接收表面102相对并对齐。光出射表面104包括形成折射表面的多个倾斜面106。大体垂直于平坦的光接收表面102的光进入光接收表面而没有明显的折射(如果有的话)。光出射表面104上的折射表面将光折射向焦点110。菲涅耳透镜100是大体对称的，透镜的第一侧112和第二侧114与焦点110基本上等距。透过菲涅尔透镜的侧面区域116的折射光比在菲涅尔透镜110的中心区域118处的未折射光行进到焦点110的距离更远。
菲涅耳透镜100的表面积由菲涅耳透镜100的长度和宽度决定。在现有技术的菲涅尔透镜的该描述中，仅描绘了菲涅尔透镜100的宽度120。
图2描绘了光集中透镜200的实施例。在一些示例中，光集中透镜是菲涅耳透镜，但是图2中描述的原理可以应用于其它类型的光集中透镜。
光集中透镜200包括光接收表面202和光出射表面204。光接收表面202是大体平坦的，并且光出射表面204包括多个倾斜面206，倾斜面206形成影响从透镜200出射的光线的方向的折射表面。折射表面中的每一个聚焦于将光导向单个焦点210。
光集中透镜200的第一侧212连接光接收表面202与光出射表面204。光集中透镜200的第二侧214与第一侧212相对，并且连接光接收表面202与光出射表面204。在该示例中，第一侧212比第二侧214更靠近焦点210。在该示例中，光集中透镜200具有基本上平坦的光接收表面202；因此，集中透镜200倾斜一个角度。此外，第一侧212位于比光集中透镜200的第二侧214更远离焦点的垂直距离或高度处。
光集中透镜200可以相对于水平方向倾斜到任何合适的角度。例如，光集中透镜200可以倾斜到至少5度的角度、至少10度的角度、至少15度的角度、至少20度的角度、至少25度的角度、至少30度的角度、至少35度的角度、至少40度的角度、至少45度的角度、至少50度的角度、至少55度的角度、至少60度的角度、至少65度的角度、至少70度的角度、至少75度的角度、至少80度的角度、至少85度的角度、或至少另一个合适的角度、或其组合。
光集中透镜200可以由至少部分透明的材料形成。在一些示例中，光集中透镜200的材料的特性可以具有至少20％的总透射率、至少30％的总透射率、至少40％的总透射率、至少50％的总透射率、至少60％的总透射率、至少70％的总透射率、至少80％的总透射率、至少85％的总透射率、至少90％的总透射率、至少95％的总透射率、另一适当的总透射率或其组合。在一些示例中，光集中材料可以是玻璃、塑料、树脂、金刚石、蓝宝石、陶瓷、另一种类型的材料或其组合。
当光进入接收表面202时，当进入或接收的光不垂直于光接收表面204时，光可以被折射。在这种情况下，由于入射光和光接收表面202之间的相对角度，通常朝向焦点行进但没有聚焦在焦点上的基本上平行的光线可以被折射。在光接收表面202处发生的这种折射可以是光线的第一折射角216，其将自然光线218弯曲成部分折射的光线220。倾斜面206与部分折射的光线220的相对角度可导致部分折射的光线220弯曲成在焦点上的聚焦光线222。因此，光可以在多个点被折射，同时仍然以朝向焦点的大体方向行进。
对于那些进入平坦光接收表面202的大体平行的光线，光以相同的角度被折射以形成部分折射的光线。部分折射的光线行进穿过透明材料并包含在透明材料中。当这些部分折射的光线出射透明材料时，部分折射的光线被折射成指向焦点的聚焦光线。从部分折射的光线到聚焦光线的过渡形成第二折射角224。第二折射角224可以基于透明材料的光出射表面上的倾斜面的角度来形成。从透明材料的第一侧到透明材料的第二侧，倾斜面的角度可以逐渐增加，以沿着集中透镜的长度将每条光线聚焦到焦点。因此，基于光线相对于集中透镜横截面长度的位置，折射角可以不同。对于一些倾斜面206，第二折射角224可以大体垂直于部分折射的光线220，仅导致微小的折射以形成聚焦光线222。然而，在光出射表面204的其它部分中，倾斜面206和部分折射的光线220之间的相对角度可以是锐角或钝角，以迫使更大的折射校正来形成聚焦光线222。此外，倾斜面206的相对角度可以相对于光接收表面202相对于水平方向的总体期望角度位置进行调整，以将接收的光导向期望的焦点210。
在所描绘的示例中，靠近集中透镜200的第一侧212的第一倾斜面226提供了微小的折射调节以形成聚焦光线222。倾斜面206中的每一个从第一侧212在向第二侧214方向上逐渐形成更显著的角度，这导致部分折射的光线220和聚焦光线222之间的更大角度变化。例如，靠近集中透镜200的第二侧214的最远最倾斜面228可以与部分折射的光线220形成陡峭的锐角230，导致更大的第二折射角224。在一些示例中，靠近集中透镜的第一侧的倾斜面与集中透镜的第二侧的倾斜面具有不同的折射表面角度，但是这些倾斜面中的每一个都将聚焦光线导向同一焦点210。
第一折射角216可以是任何合适的角度。例如，可与第一折射角兼容的角度的非穷举列表可包括小于90度、小于60度、小于50度、小于45度、小于40度、小于35度、小于30度、小于25度、小于20度、小于15度、小于10度、小于5度或小于另一适当角度的角度。
任何单个倾斜面的第二折射角224可以是任何合适的角度。例如，可以与倾斜面的折射角兼容的角度的非穷举列表可以包括小于90度、小于60度、小于50度、小于45度、小于40度、小于35度、小于30度、小于25度、小于20度、小于15度、小于10度、小于5度或小于另一个合适角度的角度。
第二折射角224可以受到第一折射角216的影响，并且每个倾斜面206的相对横向距离被期望相对于焦点。例如，许多倾斜面可以在部分折射的光线220和聚焦光线222之间形成负角度。另一方面，其它倾斜面可以被定向成在部分折射的光线220和聚焦光线222之间形成正角度。
在所描绘的示例中，集中透镜200的第一侧212比集中透镜200的第二侧214更靠近焦点210。结果是，集中透镜200围绕焦点偏移或不对称定向。因此，每个倾斜面206是成角度的，以将每个光线不对称地聚焦到偏心焦点210。
使集中透镜200相对于焦点成一定角度定向的一个优点是，具有相同表面积的更多集中透镜可以装配到相同的占地区域(footprint)中。例如，成角度的集中透镜可以增加可用于集中光的总表面积，因为在相同的占地区域内可以包括另外的集中透镜。随着表面积的增加，更多的光可以集中在更小的区域，从而提高透镜的热效率。
与图1中由线234表示的菲涅耳透镜的宽度相比，在图2中，线232表示集中透镜200的宽度。如可以看到的，线234比232短，导致净宽度差变量(delta)(Δ)。这个额外的空间可以用来提供额外的集中透镜。例如，如果倾斜的集中透镜在提供相同量的集中光的情况下导致20％的空间减少，则第五个集中透镜可以被装配到之前只有四个集中透镜被装配的占地区域中。
在图2的示例中，光出射表面204包括倾斜面206，并且光接收侧202是大体平坦的。然而，在替代示例中，光出射表面可以是大体平坦的，并且光接收侧可以包括倾斜面。在又一替代示例中，光接收表面和光出射表面中的每一个可以包括倾斜面和大体平坦区域的混合。
图3描绘了光集中设备300的示例。在该示例中，集中器设备300包括光接收器302和具有多个光集中透镜的光集中器304。为了清楚起见，图3中未示出每个集中透镜的具体透镜几何细节。光集中器304包括具有在光接收器302上的第一焦点308的第一集中透镜306。第一集中透镜306的第一侧310比第一集中透镜306的第二侧312更靠近第一焦点308。因此，第一光集中透镜306偏移，并将光线聚焦到偏心焦点。在第一光集中透镜306围绕第一焦点308不对称地定位的情况下，第一光集中透镜的占地区域小于传统的菲涅耳透镜的占地区域，传统的菲涅耳透镜将关于焦点对称地定向。
光集中设备300还包括第二光集中透镜314。在该示例中，第二光集中透镜314也关于第二焦点316不对称地定向。因此，第二光集中透镜314的第一侧318比光集中透镜314的第二侧320更靠近第二焦点316。在该示例中，第二光集中透镜314相对于第一光集中透镜306横向定向。因此，第一光集中透镜和第二光集中透镜306、314形成非180度的角度。
第一光集中透镜和第二光集中透镜306、314之间形成的角度可以是任何合适的角度。在一些示例中，该角度大于5度、大于10度、大于15度、大于20度、大于25度、大于30度、大于40度、大于45度、大于50度、大于60度、大于70度、大于80度、大于90度、大于100度、大于105度、大于110度、大于120度、大于130度、大于140度、大于150度、大于160度、大于170度、大于另一个合适的角度或其组合。
在图3所示的示例中，第一焦点308和第二焦点316彼此间隔开一段距离。第一焦点和第二焦点308、316可以以任何合适的距离间隔开。在一些示例中，第一焦点和第二焦点306、316以小于1.0英寸、小于2.0英寸、小于3英寸、小于5英寸、小于7英寸、小于10英寸、小于15英寸、小于20英寸、小于25英寸、小于另一合适距离或其组合的距离间隔开。在一些示例中，第一光集中透镜和第二光集中透镜306、314将光聚焦在光接收器302上的完全相同的点。
在第一光集中透镜和第二光集中透镜306、314都偏移的那些示例中，倾斜透镜的占地区域减少是累加的。因此，益处是更大量的光可以在更小的区域中集中到光接收器302。可以向光接收器302周围可用的自由空间添加另外的光集中透镜，这增加了集中到光接收器302的光的总量。
在所描述的示例中，多个光集中透镜形成之字形横截面。虽然图3中的示例描绘了光集中透镜中的每一个定向成形成对称横截面，但是光集中透镜中的至少一个可以定向成使得其与多个光集中透镜中的至少两个其它透镜相比以不同的偏斜角定向。此外，虽然图3中的示例描绘了光集中透镜中的每一个具有相同长度或尺寸，但是在替代示例中，光集中透镜中的至少一个具有与其它光集中透镜中的至少一个不同的长度。
光接收器302可以是任何合适的物体或流体。在一个示例中，光接收器302是将光能转换成电能的太阳能电池。通过将更多的光在一个区域内聚焦在太阳能电池上，太阳能电池可以在同一区域转换更多的电。因此，可以提高太阳能电池的生产率，而不增加太阳能电池和/或集中设备的占地区域。在其中集中设备是太阳能场的一部分的那些示例中，太阳能场可以在不增加太阳能场占地区域的情况下更有生产力。
在另一个示例中，光接收器302可以是能够容纳和/或输送气体或流体的管道或另一种类型的导管。在一些示例中，流体是气体。在其它示例中，流体是水基液体和/或油基液体。个人住宅、建筑或社区可以使用光集中器设备来加热水。这种热水可用于运行淋浴器、洗碗机、洗衣机或其它基于家用的应用或基于工业的应用。在又一个示例中，水可以被转化成蒸汽，蒸汽可以用来驱动涡轮机以发电。在又一示例中，热水可用于热交换器，该热交换器可用于加热或冷却建筑物、发电、加热游泳池、加热人行道、加热车道或道路、调节建筑物内的气候、加热其它物体、调节其它物体的温度或其组合。
在另一个实施例中，光接收器302可以是需要传递热能的任何物品。例如，光接收器可以是服装物品；建筑元件，如屋顶、窗户或墙；帐篷表面；汽车表面；船表面；或任何其它结构元件。此外，光集中器设备可以采取任何合适的尺寸，以有效且高效地将热能传递到期望的物品。在一个实施例中，光集中器设备包括多个光集中器透镜或光集中器透镜阵列。光集中器透镜可以是透镜的微阵列，其可以并入任何环境(包括服装)中。
图4描绘了光集中器设备400的示例。在该示例中，光集中器设备400包括集中透镜402，集中透镜402以彼此偏移的角度交替。在该示例中，每个偏移交替透镜402将光导向到光接收器406上的偏移焦点404。然而，在替代示例中，集中透镜402可以将焦点中的至少两个指向相同的位置。
在所描述的示例中，光集中透镜402和光接收器406之间的空间是封闭的。在一些示例中，该封闭空间407填充有控制光传播环境的惰性气体或其它气体。在这些示例中，外壳可以防止灰尘、碎片或其它光学干扰粒子降低从光集中透镜402到光接收器406的光传输效率。虽然已经用外壳描述了该示例，但是在替代实施例中，光集中设备不包括外壳，并且空气或其它气体可以穿过光集中透镜和光接收器之间的空间。
在另一个示例中，光集中透镜402到光接收器406之间的空间可以处于部分真空下。在这个示例中，部分真空可以保持尽可能不受可以干扰光的传播的气体分子干扰的环境，或者至少使气体的量从该环境条件减少。光穿过真空行进的速度比光穿过固体、液体或气体透明介质行进的速度快。光穿过透明介质的这种减速是一种能量传输的形式，并且涉及到物质原子对光能的吸收和再发射。光的一些能量在穿过透明物质的分子的吸收和再发射中损失。在某些情况下，这种能量损失可以通过透明材料的温度升高来证明。
在地球表面很难实现完全真空。因此，在某些情况下，可以使用部分真空。为了产生至少部分真空，可以用真空泵除去至少部分由集中透镜和光接收器形成的外壳中的空气，以获得低于环境压力并且在一个示例中低于1个大气压的减压环境。外壳可以由任何合适类型的材料制成。可以使用的材料的非穷举列表包括不锈钢、铝、低碳钢、黄铜、高密度陶瓷、玻璃、亚克力、其它类型的材料或其组合。
光集中器设备400还可以包括保护性透明屏障408，该保护性透明屏障408保护光集中透镜402免受碎片或其它至少部分不透明的材料的影响，这些碎片或其它至少部分不透明的材料会降低光集中透镜的透明度。根据一个实施例，保护性透明屏障408可以包括在本文公开的任何系统上，并且可以包括增加耐化学性、柔韧性、耐候性和紫外线稳定性的涂层。在一个实施例中，透明屏障是脂肪族涂层，更具体地说，是脂肪族氨基甲酸乙酯涂层或脂肪族聚氨酯涂层。该涂层可以增加光集中器设备400的表面的耐候性能，并防止可能降低光集中器设备的效率和光透射率的雾度或其它模糊因素。光可以在有或没有折射变化的情况下穿过保护性透明屏障408。虽然图4中描绘的示例是基本上平坦的屏障，但是该屏障可以包括任何合适的形状或定向。
在图示的示例中，光接收器406也可以是输送动态或静态流体的管道。在一些情况下，光接收器406可以是具有保持热的高热容量的材料。在光接收器406将热传递到流动的动态流体的那些示例中，流体可以在其行进穿过管道内部时被加热。加热的流体在离光接收器406之后可以用于有用的应用。在某些情况下，光接收器是流体可以穿过的多孔材料。多孔材料可以增加流体与流体的表面积，以改善热传递。在其它实施例中，光接收器406包括光接收器406内的多个管道和/或多个流体流动路径，以增加热传递。
光接收器406可以是任何合适的颜色。在一些示例中，光接收器406包括黑色或至少深色表面以吸收光。可替代地，光接收器406可以是透明的，以允许由光集中透镜聚焦的所有热能被传递到包含在其中的流体。
散热器可以被并入光接收器406中。散热器可以由导热材料制成，使得光接收器406上的热点最小化。通常，整个散热器的温度相对均匀，因为热可以在整个材料中扩散。在某些情况下，散热器由金属或导热陶瓷制成。在其它示例中，整个光接收器406由通过将来自焦点的热能扩散到整个光接收器材料来最小化热点的导热材料制成。
隔离层410可以围绕光接收器以将热截留在光接收器402中。隔离层410可以由任何合适的材料制成并具有任何合适的厚度。在一些情况下，隔离层包括反射表面，以进一步将热反射回光接收器406中。
在一些情况下，热交换器412和/或吸收器可以被并入隔离层410中。热交换器412可用于将光接收器406中的热传递到生产应用。在一些示例中，热交换器412是通过传导传递热的传导热交换器。这些类型的热交换器可以是并入隔离层410中的金属。在其它示例中，热交换器可以通过对流传递热。
虽然所描述的示例是参照单个光接收器描述的，但是光集中透镜可以将焦点投射到光集中设备内的多个光接收器上。
图5描绘了在第一光集中透镜504和第二光集中透镜506上方具有透明保护屏障502的光集中设备500的示例。第一光集中透镜和第二光集中透镜504、506中的每一个将它们各自的焦点指向光接收器510上的同一位置508。在这个示例中，光接收器510是烹饪锅。来自光的热可以用于在烹饪锅中烹饪食物。在这个示例中，光集中透镜504、506和光接收器510之间没有封闭的外壳。
图6描绘了光集中透镜600的替代示例。在该示例中，光集中透镜600包括光接收表面602和光出射表面604。光集中透镜600的第一侧606连接光接收表面602和光出射表面604。光集中透镜600的第二侧608与第一侧相对，并且也连接光接收表面602和光出射表面604。光出射表面604包括形成折射表面的倾斜面610。
光接收表面602包括将第一平坦表面612和第二平坦表面614分开的弯曲611，第一平坦表面612和第二平坦表面614是连续的但是仍然是单片材料。第一平坦表面612部分地限定第一焦平面，并且第二平坦表面614部分地限定第二焦平面。弯曲611形成一个角度。结果是，随着平行光线进入光接收表面602，进入第一平坦表面612的光线经历与进入第二平坦表面614的光线不同的折射变化。因此，相比于与第二平坦表面614相对的倾斜表面，与第一平坦表面612相对的倾斜表面具有不同的折射角集合，以将所有光线聚焦在单个焦点上。
弯曲611可以形成任何合适的角度。例如，弯曲可以形成小于5度、小于10度、小于15度、小于20度、小于25度、小于30度、小于35度、小于40度、小于45度、小于55度、小于65度、小于75度、小于90度、小于另一合适度的角度或其组合的角度。
虽然该实施例被描述为仅具有第一平坦表面和第二平坦表面，但是根据这里描述的原理，可以使用任何数量的平坦表面。例如，光接收表面可以包括第一弯曲和第二弯曲，这使得光接收表面的相对斜面变得越来越陡。
图7描绘了替代光集中器设备700的示例。在该示例中，光集中器设备700包括集中透镜702，如上所述，集中透镜702相对于彼此以偏斜角交替。在该示例中，偏移交替透镜702中的每一个将光导向光接收器706上的偏移焦点704。
光接收器706可以是光电池、衣服、容器、建筑部件等。然而，如图7所示，光接收器706可以是形成被构造成容纳流体流的通路的一部分的管道。光接收器706可以从任何合适的源接收流体，例如油、水、气体或另一种类型的流体。该通路可以通过任何合适的通路输送流体。在图示的示例中，通路的第一部分708形成在光接收器706中。通路的第二部分710部分地由交替的集中透镜702限定。通路的第二部分710也可以部分地由透明材料限定，共同限定流体通路。
透明材料712和集中透镜702可以限定构成通路的第二部分710的空间。第一阀714可以控制进入通路的第二部分710的流体流，并且第二阀716可以控制离开通路的第二部分710的流体流。第二部分710内的流体压力可以足以减少第二部分710内的未填充空间，并且可以包括排气口(未示出)或旨在消除任何气泡或其它杂质的其它特征，这些气泡或其它杂质可能影响光集中器设备700的效率。第二部分710内的每个光学边界可以引起至少少量的折射。此外，当液体的表面进入通路的第二部分710时会发生折射，因为液体进入第二部分710的惯性会导致表面角度动态变化。通过控制第二部分710内的流体压力使得不存在未填充的间隙，可以减少光学边界的数量，并且可以控制它们的角度，并且液体在第二部分710中形成透镜的整体部分。
当流体处于通路的第二部分714中时，穿过透明材料712传输的太阳能可以加热流体。当流体到达通路的第一部分708时，由于太阳能集中在光接收器706上，流体的温度会升高得更多。以这种方式，流体可以在至少两个阶段中被加热。
虽然上面的示例已经描述了倾斜表面在集中透镜的光出射表面上，但是在一些示例中，倾斜表面被并入光接收表面中。在这些类型的示例中，倾斜面被并入光接收表面和光出射表面两者中。在其它示例中，倾斜面仅并入光接收表面中。
可替代地，尽管在使用成角度的折射表面来可控地将光穿过透镜引导到期望的物体上的上下文中描述了上述示例，但是可以使用任何数量的光折射或修改几何形状或表面来可预测地引导由光接收表面接收的光。根据一个示例性实施例，根据本示例性系统，可以使用元光学器件来可控地引导光，以用于太阳能板、用于加热，或者用于其它光聚焦目的。元光学器件可以包括一个或多个超薄的微小波导阵列，称为元表面，该元表面在可见光通过其中时至少弯曲可见光。图8示出了示例性元光学器件的扫描电子显微镜图像。如图8所示，元光学器件透镜800可以形成为平板，如上所述，可以形成或不形成用于多级加热的腔室。波导元表面可以由可以强有力地限制具有高折射率的光的任何数量的材料制成，这些材料包括但绝不限于二氧化钛、二氧化银或石墨烯。此外，元表面可以被形成和组织或调整，以选择性地且精确地将接收的光聚焦在期望的表面上。元表面可以使用任何数量的增材或减材方法形成，包括但不限于图案化、干法或湿法蚀刻、电子束光刻和/或三维打印。因此，与传统的透镜系统相比，重量和厚度可以减小，同时提供增加的效率。
虽然上面已经单独描述了本系统的各种用途和构造，但是这些系统和构造中的每一个可以组合以创建混合系统。例如，图7所示的流体填充的第二部分710可以在单个系统中与光伏光接收器706结合。根据该系统，流体可以在流体填充的第二部分710中被加热，同时有效地将光传输和聚焦到光伏光接收器706。此外，所描述的部件可以以各种构造和尺寸(从宏观水平到微观尺度)组合，以应用于任何数量的环境和目标，包括但决不限于加热衣服、帐篷、建筑物和建筑部件、窗户、车辆、烹饪器具、热泵、消毒系统和任何其它热能消耗系统。
其它示例和实施方式在本公开和所附权利要求的范围和精神内。例如，实现功能的特征也可以物理地位于不同的位置，包括被分布使得部分功能在不同的物理位置实现。此外，如本文(包括在权利要求中)所使用的，在以“至少一个”开头的项目列表中使用的“或”表示分离列表，使得例如，“A、B或C中的至少一个”的列表表示A或B或C或AB或AC或BC或ABC(即，A和B和C)。此外，术语“示例性”并不意味着所描述的示例比其它示例更优选或更好。
出于解释的目的，前面的描述使用特定的术语来提供对所描述的实施例的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，为了实施所描述的实施例，不需要特定的细节。因此，本文描述的特定实施例的前述描述是出于说明和描述的目的而呈现的。它们并非旨在穷举或将实施例限制于所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员来说明显的是，鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (48)

1.一种集中透镜，包括：
透明材料，所述透明材料包括：
所述透明材料的光接收表面；
与所述光接收表面相对的所述透明材料的光出射表面；
多个折射表面，所述多个折射表面被并入所述光接收表面和所述光出射表面中的至少一个；
第一侧，所述第一侧连结所述光接收表面和所述光出射表面；和
第二侧，所述第二侧与所述第一侧相对并且对齐，所述第二侧连结所述光接收表面和所述光出射表面；
其中，所述多个折射表面将穿过所述透明材料的光导向共同的焦点；并且
其中，所述透明材料的所述第一侧比所述透明材料的所述第二侧更靠近所述共同的焦点。
2.根据权利要求1所述的集中透镜，其中，所述透明材料是至少半透明的。
3.根据权利要求1所述的集中透镜，进一步包括所述多个折射表面中的中性折射表面，所述中性折射表面使垂直于所述光接收侧的光保持朝向所述共同的焦点的未折射路线。
4.根据权利要求3所述的集中透镜，其中，至少所述多个折射表面的子集包括从所述集中透镜的所述第一侧到所述集中透镜的所述第二侧逐渐不同的折射角。
5.根据权利要求1所述的集中透镜，其中，所述多个折射表面是同心的。
6.根据权利要求1所述的集中透镜，其中，所述多个折射表面与所述透明材料的所述第一侧和所述第二侧中的至少一个对齐。
7.一种集中器设备，包括：
光接收器；
光集中器，所述光集中器包括具有在所述光接收器上的第一焦点的第一集中透镜；
其中，所述第一集中透镜的第一侧比所述第一集中透镜的第二侧更靠近所述第一焦点。
8.根据权利要求7所述的集中器设备，进一步包括在所述光集中器和所述光接收器之间的部分真空空间。
9.根据权利要求7所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括隔离段，所述隔离段被构造成将热保持在所述光接收器内。
10.根据权利要求7所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括太阳能板。
11.根据权利要求7所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括烹饪设备。
12.根据权利要求7所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括流体容纳器、服装物品、建筑部件或车辆中的一种。
13.根据权利要求7所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括管道。
14.根据权利要求13所述的集中器设备，其中，所述管道被构造成输送流体。
15.根据权利要求14所述的集中器设备，其中，所述管道包括真空段。
16.根据权利要求13所述的集中器设备，其中，所述管道包括被构造成将热保持在所述管道内的隔离层。
17.根据权利要求16所述的集中器设备，进一步包括并入所述隔离层的热交换器。
18.根据权利要求7所述的集中器设备，进一步包括并入所述光接收器的散热器。
19.根据权利要求7所述的集中器设备，进一步包括：
邻近所述第一集中透镜的第二集中透镜；
其中，所述第一集中透镜相对于所述第二集中透镜偏移；并且
其中，所述第二集中透镜具有在所述光接收器上的第二焦点。
20.根据权利要求19所述的集中器设备，其中，所述第一焦点和所述第二焦点在所述光接收器的不同位置上。
21.根据权利要求19所述的集中器设备，其中，所述第一焦点和所述第二焦点在所述光接收器上的同一位置处。
22.根据权利要求19所述的集中器设备，其中，所述第二集中透镜具有第一侧，所述第一侧相对于所述第二集中透镜的第二侧更靠近所述第二焦点。
23.一种集中器设备，包括：
光接收器；
光集中器，所述光集中器包括：
第一集中透镜，所述第一集中透镜具有在所述光接收器上的第一焦点；
其中，所述第一集中透镜的第一侧比所述第一集中透镜的第二侧更靠近焦点；和
第二集中透镜，所述第二集中透镜邻近所述第一集中透镜；
其中，所述第二集中透镜具有在所述光接收器上的第二焦点。
24.根据权利要求23所述的集中器设备，其中，所述第一焦点和所述第二焦点在所述光接收器的不同位置上。
25.根据权利要求23所述的集中器设备，其中，所述第一焦点和所述第二焦点在所述光接收器上的同一位置处。
26.根据权利要求23所述的集中器设备，其中，所述第二集中透镜具有第一侧，所述第一侧比所述第二集中透镜的第二侧更靠近所述第二焦点；并且
其中，所述多个折射表面包括元光学器件阵列。
27.一种集中器设备，包括：
光接收器；和
光集中器，所述光集中器包括具有在所述光接收器上的第一焦点的第一集中透镜；
其中，所述第一集中透镜被构造成将光导向所述第一焦点，并且不对称地定位在所述第一焦点上方。
28.根据权利要求27所述的集中器设备，进一步包括设置在所述光集中器和所述光接收器之间的部分真空空间。
29.根据权利要求27所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括隔离段，所述隔离段被构造成将热保持在所述光接收器内。
30.根据权利要求27所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括太阳能板。
31.根据权利要求27所述的集中器设备，其中，所述光接收器包括管道。
32.根据权利要求31所述的集中器设备，其中，所述管道包括被构造成将热保持在所述管道内的隔离段。
33.根据权利要求27所述的集中器设备，进一步包括邻近所述第一集中透镜的第二集中透镜；
其中，所述第二集中透镜被构造成将光导向第二焦点，并且不对称地定位在所述光接收器上的所述第二焦点上方。
34.一种集中器设备，包括光集中器，所述光集中器包括具有第一焦点的第一集中透镜；
其中，所述第一集中透镜的第一侧比所述第一集中透镜的第二侧更靠近所述第一焦点。
35.根据权利要求34所述的集中器设备，进一步包括光接收器；
其中，所述第一焦点在所述光接收器上。
36.根据权利要求35所述的集中器设备，进一步包括第二光集中器；
所述第二光集中器包括具有第二焦点的第二集中透镜。
37.根据权利要求36所述的集中器设备，其中，所述第二集中透镜的所述第一侧比所述第二集中透镜的第二侧更靠近所述第二焦点。
38.根据权利要求37所述的集中器设备，其中，所述第二焦点在所述光接收器上。
39.根据权利要求38所述的集中器设备，其中，所述第一焦点和所述第二焦点间隔开一段距离。
40.一种集中透镜，包括：
透明材料，所述透明材料包括：
光接收表面；
光出射表面，所述光出射表面与所述光接收表面相对；
所述光接收表面和所述光出射表面之间的区域，其限定至少一个集中平面，所述至少一个集中平面包括中点；
多个折射表面，所述多个折射表面被并入所述光接收表面和所述光出射表面中的至少一个；
其中，所述多个折射表面将穿过所述透明材料的光导向共同的焦点；并且
其中，从所述共同的焦点到所述中点的聚焦轴与所述至少一个集中平面形成非直角。
41.根据权利要求40所述的集中透镜，其中，所述非直角在60度和89度之间。
42.一种集中器设备，包括：
光接收器；
光集中器，所述光集中器包括：
第一透明材料；
第一集中透镜，所述第一集中透镜具有在所述光接收器上的第一焦点；
第二透明材料，所述第二透明材料在所述第一透明材料和所述第一集中透镜之间；
其中，所述第一集中透镜被构造成将光导向所述第一焦点，并且不对称地定位在所述第一焦点上方。
43.根据权利要求42所述的集中器设备，其中，所述第二透明材料包括流体。
44.根据权利要求42所述的集中器设备，进一步包括在所述光接收器中限定的通路，所述通路被构造成容纳流体流。
45.根据权利要求44所述的集中器设备，其中，所述通路进一步包括：
第一部分，所述第一部分被限定在所述光接收器中；和
第二部分，所述第二部分由所述第一透明材料和所述第一集中透镜部分地限定。
46.根据权利要求45所述的集中器设备，其中，所述第二透明材料被构造成流过所述通路。
47.根据权利要求46所述的集中器设备，其中，所述集中器被构造成：
当所述第二透明材料位于所述通路的所述第一部分中时，将太阳热传递到所述第二透明材料；以及
当所述第二透明材料位于所述通路的所述第二部分中时，将太阳热传递到所述第二透明材料；
其中，所述第一太阳热传递显示出比所述第二太阳热传递更大的温度增加。
48.根据权利要求1所述的集中透镜，其中，所述多个折射表面各自包括元光学器件阵列。
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