CN1541321A

CN1541321A - 带有倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面的发射/接收器装置

Info

Publication number: CN1541321A
Application number: CNA018219160A
Authority: CN
Inventors: 本杰明·费那度·阿科斯·戈马; 图派克·阿科斯·卡斯特罗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-11-01
Publication date: 2004-10-27
Also published as: JP2005501212A; MXPA01000376A; IL156762A0; KR100822926B1; US6945660B2; KR20030070588A; US20040065319A1; BR0116799A; EP1351027A1; CA2434580A1; WO2002055943A1

Abstract

本发明公开了一种用于可从不同方向接收和发射辐射线的装置，尤其是一种由一个或多个用于从远距离的发射源收集和集中电磁辐射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面所组成的发射/接收装置。所述发射/接收装置由一个半圆或抛物线绕一垂直轴旋转360°而成，该母线向外倾斜成35°至55°的夹角放置，它旋转形成圆周半球或抛物线框架，从而形成一个接收集中部件，即镜面级的反射面，它独立于发射/接收装置的结构和形状，可以是圆形、椭圆形、三叶草形、或者层叠形等等，其在水平面有360°、在垂直面有180°的接收能力。

Description

带有倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面的发射/接收器装置

技术领域

本发明涉及到一种集中装置，例如带有凹面的太阳光收集器，更具体的说，涉及一种能从遥远的运动发射源，例如太阳，收集辐射能量并将其集中到设在该收集器附近的焦点区内的固定装置系统。

背景技术

在对用于替代炭氢化合物的能源的研究过程中，人类开发了一些能够发射和接收光波和无线波之类电磁能量的设备，例如日光反射装置。在实践中，最重要的发射源就是太阳，我们要做的就是从这个发射源收集其发射的能量，从而获取光和热。一种通用的技术就是利用透镜或反射凹面将太阳辐射的能量集中到某一位置或集中到焦点。需要解决的问题是，该能量发射源相对于用于集中能量的反射面是移动的，而集中聚焦点又会随着发射源移动。

这就需要在能量集中装置增加一个用于跟踪发射源的系统。这种装置一般是利用光或热探测器，再加上用于驱动的电机，大多数情况下，这种跟踪系统需要有精细且昂贵的装备。

如果没有跟踪系统，就很难保持将能量聚焦到的所需的目标或位置上，从而会流失一部分所集中的能量。

静态的太阳能集中器存在的一个问题是不能高效地收集太阳能，因为太阳会随着一年中不同的日子和季节而在天空中移动。

前述技术的缺陷在于，不能提供一种不带跟踪系统、不受因日子和季节变化而导致的太阳光到地球表面的入射角度的变化影响、独立、经济、高效的太阳能收集装置。

因此，需要有一种可在一个区域、一个点、或一条线上提供恒定集中效果，且不受太阳位置在不同日子和季节中的位置变化所影响的集中、收集表面。

还有必要将散射的自然光集中起来，以获得电器所需强烈能量，其集中可通过透镜、凹面集中器、以及日光反射装置来实现；但是大多数这样的装置因为受到了尺寸的限制，不能为家用或工业需要提供足够的能量。因其尺寸限制所带来的困难是需要更大的空间来安放此类装置。

一个有效的能量集中装置需要有一连串的日光反射装置来组成一个日光反射装置区，它们是一些安装在同一个地方镜子，可将太阳光聚集到共同的点或区域，即所谓的焦点或焦点区域。

在专利号为4,311,132、授权给Van Kujik、公布于1982年2月19日的美国专利中，描述并保护一种加长型日光收集器，该收集器以一个半圆横断面作为其反射面，该半圆横断面的中部有一个沿曲率中心伸展、或沿南-北方向伸展(朝着天空)的热能收集器部件。该日光收集器被放置在一个水平面上，其凹面部分为南北朝向，该收集器本身不能补偿太阳的运动，除了其收集区能延伸至贯穿其半径长度外，它没有用于集中辐射能量的唯一的焦点或焦点区。

在专利号为4,459,972、授权给Moore、公布于1984年7月17日的美国专利中，描述并保护一种带有环形镜面的日光反射装置，其相互垂直的面上有两个不同的曲率半径，并确定了一个平行于陆地轴的转轴，和一个平行于赤纬轴、也即与第一转轴垂直的转轴。所述日光反射装置中包含一个赤道仪座架和一个用来补偿太阳光方向在一天中的变化的跟踪装置。该反射器一般是椭圆形，如果其两个轴相等，则可退化为一个圆，从而能获得一个焦点线；但是为实现这一点，必须找到足够的方向，所以，对于这种类型的装置，其理想位置是不稳定的。

在专利号为4,538,886、授权给Townsend等人、公布于1985年9月3日的美国专利中，描述并保护一种加长型日光集中器，其中由多个凸面组成一个面板，该面板在南北方向是凹面，在东西方向则是凸面。其中未确定圆拱的凹面与太阳光的关系，且拱形没有恒定的半径。该集中器提供了一个根据太阳光入射的角度的变化而在平面上移动的线性集中区。在该集中区内放置了一个管子，使得管子中的液体可吸收能量。所述装置需要有精确的结构来支持和定位，为了最好地集中能量，需要很大的场地以保证所述管子被安放于最佳位置，有时需占用整个建筑物的顶部来放置该装置。

在专利号为4,602,613的美国专利中，描述了一种用两个收集器来收集太阳能的装置，其中第一个为静止的拱形圆柱结构收集器；第二个为带有可水平移动的平板的可移动收集器。

在专利号为4,230,095；4,359,265；4,378,961和5,289,356，授权给Winston的美国专利中，描述了一系列以单个抛物线集中器为基础，作为主要太阳能集中器的装置。

在专利号为5,540,216、授权给Rasmusson、公布于1996年7月30日的美国专利中，描述并保护一种适用于运动发射源的能量收集器，其中包含一个第一凹面集中器，和一个第二反射器，该反射器通过一系列的涅菲耳(Fresnel)镜将辐射线发射到目标点上。由于其第二反射器可补偿发射源位置的变化，这种装置未装设用于跟踪太阳位置的跟踪系统。总体上讲，第一集中器为一个朝向天空的球形反射板，第二反射器的凹面放置在第一集中器的凹面的前面。当太阳移动时，其光线被聚焦在第二反射器的不同区域，再由其发送到一个共同的点而不是发送到焦点线。

在专利号为的5,564,410的美国专利中，描述并保护一种改良的太阳能集中系统，该系统设置了两个固定的反射部件，其中一个在另外一个前面，并设有一个用来跟踪这两个反射部件的焦点的可移动收集部件，以上部件都为凹面结构并被定位于固定的水平面。该装置中还需要用来支持上述反射和集中部件的一些结构部件，这些结构部件也具有用于移动并对收集器进行定位的自动系统。

因而，需要能有一个不带发射源跟踪系统就能获取足够的焦点的集中装置。

本发明采用简单的构造，巧妙的解决了现有技术上述问题，并可根据发射源的方向来获取焦点线或焦点。

发明内容

本发明的装置带有半球形或椭圆形的旋转收集面，其曲率半径倾斜向外，与水平面成35°至55°的夹角，这样就能从运动着的发射源例如太阳有效地收集能量。该装置有一个在所述旋转面形成的空间内的焦点圆周线，所述焦点圆周线从集中面沿斜轴的方向到凹旋转面的距离是母线直径的1/4。

本发明的另外一个目的，是根据收集器的结构和形状，提供一种带有能将电磁能集中到一个圆周或焦点圆周线上的旋转面的装置。

本发明的另外一个目的，是提供一种带有圆周旋转反射面的固定装置，使得在白天不需要随着太阳的轨迹移动集中器就能有效地集中太阳光。

本发明的另外一个目的，是提供一种带有半球形凹截面的圆周旋转面的太阳光集中装置，其完全旋转360°后可配合不同的结构，且其曲率半径与水平面成35°至55°的夹角。

本发明的另一个目的，是提供一种不受太阳位置的影响、始终将光线反射到圆周焦点区域的太阳光线集中装置(收集/发射器)。

本发明的另一个目的，是提供一种用作平行光束发射器，带有半球形圆周旋转面的装置。

本发明的另一个目的，是为带有光线导装置的应用设备，例如光导纤维，提供光源。

本发明的另一个目的，是为带有液体传导装置的应用设备工具，例如用于传导水或水蒸汽的水管，提供热源。

本发明的另一个目的，是提供一种高效、经济的太阳光集中装置，该装置有一个用来集中辐射线的狭窄的圆周区域，所述圆周线区域在由圆周旋转面形成的半球形或椭圆形空间内，并与之相距1/4直径。

本发明的另一个目的，是提供一种与曲率半径的变化相配适的圆周旋转面，该旋转面的形状可以有多种，例如堆栈形、四面体、螺旋形；并在各种情况下保持其倾斜方向和母线的形状。

附图说明

图1示出了组成本发明太阳能收集器的横截面母线(A)，圆周旋转面的曲率半径方向(y)以及能量集中焦点(AA)。

图2示出了由母线在水平面旋转360°后形成的太阳能收集器的横截结构，还示出了半圆形的圆周线或母线(A)，圆周焦点线(D)，整个收集器的中心体、以及太阳幅射线的入射角(a)。

图3示出了圆形太阳能集中器的顶部切削结构，还显示了太阳光的入射角(a)，中心体，以及圆周焦点线(D)。

图4示出了一个太阳光收集器的主视图，其中详细示出了基座形状，主体的顶部(PS)，主体较窄的部分(M)，圆周焦点线(D)，以及收集表面(C)。

图4A为图4所示的收集的俯视图。

图4B为图4所示的收集器的俯视图；不同的是其主体为椭圆形结构，该图中示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，以及集中焦点线(D)。

图4C为图4所示收集器的俯视图；不同的是其主体为三叶草结构，各个突出结构之间的夹角为120°，其中还示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，以及集中焦点线(D)。

图4D为收集器的主视图；不同的是其主体为螺旋形，其中还示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，以及集中焦点线(D)。

图4E为一个收集器的俯视图和截面示意图；不同的是其主体为圆形结构，其中还示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)，主体的颈部(M)，半球形框架的方向，以及圆盖(E)。

图5为一个收集器的顶部截面图；其主体由一对相同结构并通过基座连为一体，其中还示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)，主体的颈部(M)，以及保护圆盖(E)。

图5A为一个收集器的截面图，其主体为多个集中器的层叠式结构，其中示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)，主体的颈部(M)，保护圆盖(E)，下部基座(B)，以及上面的部分(PS)。

图5B为一个收集器的透视图；其中各个单体之间成120°夹角，其中还示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)。

图6为一个收集器的俯视图和截面示意图，其中示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)，主体的颈部(M)，带有内部反射面的防护圆盖(E)，早上9点的太阳光的入射角(a)和(β)，阴影(S)以及主体中心的顶部(PS)。

图6A为一个收集器的俯视图和截面示意图，其中示出了圆周旋转凹面(C)的轮廓线，集中焦点线(D)，主体的颈部(M)，带有内部反射面的防护圆盖(E)，早上9点的太阳光的入射角(a)和(β)，图6A中的阴影(S)的变化，以及主体中心的顶部(PS)。

具体实施方式

下面将结合上述附图，具体说明本发明的收集/发射器(日光反射装置)的的具体实施例。

本发明的装置可以用来获取太阳能或任何其他类型的电磁能射线，只需要将足够的换能放置在圆周形焦点线上以获取相关的辐射线，例如光导纤维，无线电接收器、光电元件等。同时该装置还可以用来发射辐射线，只须将发射器放置在焦点圆周区域，让发射出的辐射线覆盖在圆周形凹面上。

如图1为一个组成太阳光收集器或日光反射装置的旋转面的截面形状，所述面由母线A(即半圆)围绕Z轴旋转360°而形成，最终形成凹面半球结构的旋转面作为集中反射面。有必要指出的是，曲率半径的方位和母线的焦点轴是非常重要的，从而可从早上9点至下午3点之间，尽量多地获取最强烈的太阳的幅射，曲面半径的倾斜度最好与水平线成45°夹角；但也可采用35°至55°之间的其它倾斜角。本实施例中，其方位是一个垂直平面，其中带有坐标轴Z和坐标轴X、原点O、以及位于曲率半径的1/4处的集中焦点AA。母线A的形状为半圆形或抛物线形，将由半圆形或抛物线形母线A旋转得来的反射面或半球形面处理为镜面光亮效果，从而可得到更好的能量集中结构。所述结构的圆周反射面中，其曲率半径或焦点轴与水平面之间的夹角在35°至55°之间。所述镜面光亮效果的凹面可获取太阳射入的辐射线(平行光束)，并集中到焦点圆周线上，然后可在焦点圆周线上取出便于使用且已经加强的热能或光能。

如图2所示，将半圆形或抛物线形的母线A围绕Z轴旋转一周，可得到一个理论形状，从而形成了最简单的辐射线收集/发射器的形状。图中还示出了从太阳入射的平行光束的入射角(a)，当这些光束被集中面反射后，都被送到一个圆周焦点线(D)上，被集中到这里的幅射线可被取出用于各种不同的用途，例如加热或照明。其中的焦点线(D)是由一系列连续的焦点组成，它贯穿整个旋转面结构的圆周。这相当于有无穷多个收集器依次连接，且它们的焦点距离是相同的。这种装置或日光反射装置在水平面上的覆盖率为360°或整圆，在垂直面上的覆盖率为180°或半圆。

理想情况下，当太阳在最高点时，所述辐射线为平行射线，经过旋转集中面反射后，被送到焦点圆周线(D0上，通过这种方式，解决了前面所说的现有技术的问题，即根据一天中太阳的位置确定焦点区域以及其集中面的方位。

本实施例中的支撑部分以及表面被磨成镜面光亮效果的辐射线集中旋转，可以采用多种材料制成，例如塑料、铁和非铁金属、木材，其前提是反射表面都应该被磨亮，也就是说，应该具有高反光特性(镜面等级)。

在本发明的一个具体实施例中，利用加硬的铝作为制作材料，其反射表面覆盖了一层稳定的聚合物、或银之类的电镀金属，来防紫外线侵害。

如图4所示为一个真实装置的截面示意图，该图示出了由母线A形成的反射面C，其中形成了一个带有圆形平顶PS的短中心体，中心体中间高度(M)处的点组成了集中反射旋转面C的支撑结构；当幅射线照到C上时，就会被集中到焦点圆周线(D)上，该焦点圆周线与短中心体和旋转面曲率半径的内部是同心的。

图4的日光反射装置是通过下列方法构成的：

将一块硬质铝装在数控车床上，首先加工出带有短中心体的基座，然后在基座和短中心体之间加工出半圆形或抛物线轮廓，且曲率半径或焦点轴与水平面之间的夹角最好为45°。

采用45°倾斜角的理由是：在上午6:00到下午6:00间的太阳轨迹中，太阳光在上午9:00和下午3:00的倾斜角为45°，从这我们可以计算出太阳在最佳入射位置的时间为6±2个小时，即从上午9:00到下午3:00之间，也就是说，为实现本发明的目的，最好是采用倾斜角为45°的集中面。

从图4中可以看出，所述集中装置会在反射面(镜面等级)上产生一个由短中心体引起的阴影，该阴影会随着一天中时间的推移从东向西移动。由中心体所引起的收集能力的减少并不突出，因为其占整个入射光线的比例是非常小的。

本装置的圆周焦线由多个焦点连接而成，并位于反射面的1/4直径处，从而产生了可实现本发明目的的反射面的凹度和倾斜度。

本发明的反射表面是非常高效的，因为它只需要很小的空间就能集中到大量的辐射线，收集的强度越大就允许增加更多用电设备，因为更多的能量就会满足更多的用电设备需求。

非常有必要将集中装置放在一个基座上，使之与春秋平分线纬度垂直。假如把该装置放置在赤道线上，则其日照时间为上午6点到下午6点。举个例子，如果我们将集中装置放置在赤道上，则可在3月21日或9月23日获得最大这12小时的日照时间，考虑到太阳的平稳点，且其在天空的运动轨道为圆形，我们可以得到一个最高点或春秋平分点；在北方的夏至和南方的冬至，太阳的最高位置分别是在北纬23°27′和南纬23°27′，也就是说，太阳光只是在集中装置的两边移动了23°27′，由于这与集中装置的旋转形状不相关，所以采用这种方式可获得恒定的日照时间而不用跟随太阳的轨迹。

例如，在夏至日太阳光直照北纬23°27′，在冬至日则直照南纬23°27′，太阳光的倾斜度不会由于本装置的旋转结构和反射面的方位而对日照有太大的影响，而因为太阳从一个方向下去，又从另外一个方向升起；太阳的那种运动是在水平面上一小部分旋转，与集中装置的旋转面结构不相关，因为该装置成型在水平面的360°内的任何位置。

如图4A所示，这是日光反射装置或幅射集中装置的一个优选实施例，本实施例的装置中，其基座和辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)都为圆形结构。

如图4B所示为本发明的另一优选实施例，其基座和辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)都为椭圆形结构。

如图4C所示为本发明的另一优选实施例，其基座和辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)都为三叶草形结构。

如图4D所示为本发明的另一优选实施例，其基座和辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)都为螺旋形结构。

如图4E所示为本发明的另一优选实施例，其基座和辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)都为圆形结构，其上部还盖有附加圆盖，以防止热量从该系统中散出，所述圆盖的内部还涂有反射覆盖层，以防止从其内部的集中面反射回来的光再散出，通过这种方式，所述辐射线会再次照射在本集中旋转面上。

如图5所示为本发明的另一优选实施例，该装置由相同结构的上、下两个集中器通过基座(B)相互连接而成，其中辐射线集中旋转面(C)的较窄支撑体(M)被一个隔离圆盖(E)所盖住。

如图5A所示为本发明的另一优选实施例，其主体为多个集中器的层叠式结构，这种向上重叠堆放的方式减少了中心体或支撑部件的半径，但因该装置有更大的面积来获取太阳能所以增加了获取太阳能的能力。该层叠式集中装置的基本部件圆周半球形框架是由半圆形母线A形成的。该集中装置也有一个能限制红外线发散出去的透明圆盖(E)。

如图5B所示为本发明的另一优选实施例，该集中装置由四个简单的集中器按四面体四个面的位置放置，其中各集中器的基座边缘连接在一起，并按约120°的方位放置。其中的反射面(C)与前述各个实施例中都是相同的。

在图6中示出了两束入射光a、β，其中第一束光线照射到集中器的整个表面，第二束光线则出现了最坏的情况，倾斜入射的光束越过装置的外表面而未照射到集中表面，只有被圆盖反射回来的光线才射到反射面并集中到圆周焦点线上。然后，从图中可以看出，阴影区域相对于本发明的日光反射装置能够获取到的光线来说是非常小的。在该日光反射装置的俯视图中可以看出，其中的阴影(S)与反射器的覆盖面积无关。

如图6A所示为同一天中两个小时后的阴影位置，在这种状态中，阴影的面积明显减小，圆盖再一次反射了很多光线到集中区内，如果没有这些圆盖，这些光线就会流失到集中器的外部。

本发明的收集/发射装置的应用目的在于能量的获取和发射，集中太阳幅以加热液体，从而可用于家庭甚至工业领域，例如通过光导体(光导纤维)、扩散器等，以达到生产水蒸气、室内空间照明等目的。

本发明中的日光反射装置的集中表面的母线与水平线之间的夹角最好为45°±10°，这样便于在一天中日照最强的时段内，提供最多的集中表面来获取太阳的入射光。

通过阅读本发明的说明书，本领域的普通技术人员可以根据其理解针对不同的用途改进出不同的结构，本发明的方案并不限于说明书中所描述的内容，而应根据权利要求书中的内容来确定其保护范围。

Claims

1、一种带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其中包括：

该装置包括一个能从远距离的运动发射源接收能量的所述反射面(C)，所述反射面(C)是以下凹半圆或抛物线作为母线(A)而构成，该母线(A)的曲率半径或焦点轴向外倾斜；所述母线(A)在水平面旋转360°，构成所述圆周旋转面(C)；所述表面(C)将辐射线集中到一个区域形成一个焦点圆周(D)或幅射集中区，所述焦点圆周(D)在所述圆周集中面(C)所形成框架的直径范围内；其特征在于，所述装置中的焦点轴(y)和母线(A)倾斜向外放置，还包括一个基座(X)和一个集中面(C)的支撑中心体。

2、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，所述曲率半径或焦点轴朝外伸出并与水平面成35°至55°的夹角，优选为45°倾斜角。

3、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，所述旋转集中面(C)被磨亮为镜面光亮效果。

4、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，所述由半圆或抛物线构成的圆周集中面与所述发射/接收装置的结构和形状无关。

5、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，所述焦点圆周或幅射集中区在所述母线框架的范围内，与集中面的距离为母线直径的1/4。

6、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，该发射/接收装置的结构形状为圆形、椭圆形、三叶草形、或者层叠形。

7、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，该发射/接收装置为层叠形结构，其中心体的直径随着高度的增加而减少。

8、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，该发射/接收装置的结构为单个的螺旋形。

9、根据权利要求1所述的带有用于从远距离的发射源收集和集中电磁幅射的倾斜设置且被磨光的圆周凹反射面(C)的发射/接收装置，其特征在于，该发射/接收装置的结构为四个单体按四面体形状组成。