KR20210033028A - 각진 태양열 굴절 표면 - Google Patents

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KR20210033028A
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condensing
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스테판 디. 뉴먼
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콩 문 츄
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Abstract

집광 장치가 수광기 및 집광기를 포함할 수 있다. 집광기는 수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 제1 초점에 더 가까울 수 있다.

Description

각진 태양열 굴절 표면
태양 집광기는 렌즈, 종종 프레넬 렌즈(Fresnel lense)를 사용하여 특정 초점을 향해 넓은 영역의 태양 광을 집중시킨다. 이는 프레넬 렌즈를 통과하는 광의 광선을 구부려서 각 광선이 거의 동일한 초점을 향하도록 함으로써 이뤄진다. 일부 프레넬 렌즈는 광선을 집중시키는 프리즘의 동심 고리를 갖는 형태를 가진다. 이들 특징에 의해, 프레넬 렌즈는 태양 또는 기타 광원으로부터 산란된 광을 좁은 빔으로 집중시킬 수 있다. 태양력의 집중은 초점에서의 온도를 높여 물체를 가열하거나 음식을 조리하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 프레넬 렌즈는 태양 전지 상의 광을 증가시켜 전기로 변환되는 광의 양을 증가시키는 데 사용될 수 있다.
프레넬 렌즈의 예는 Luigi Salvatore Fornari에 허여된 미국 특허 번호 9,097,841에 개시되어있다. 이 참고 문헌에서, 렌즈 요소의 수직 부분이 어레이 내 인접 렌즈의 초점으로 충돌하는 광을 집중시키도록 설계된 기울어진 표면으로 대체된 프레넬 렌즈 어레이가 제공된다. 새로운 표면이 수직 단차보다 얕은 렌즈 평면과 각도를 형성하기 때문에 이러한 렌즈 요소 구성은 유리형 재료에서 렌즈 어레이의 몰딩을 용이하게 할 수 있다. 제1 렌즈 어레이에 수직인 렌즈 요소를 갖는 다른 어레이가 렌즈 시트의 다른 면에 몰딩되어 포인트 포커싱 렌즈 어레이가 도출될 수 있기 때문에, 구성은 원통형 어레이로 제한되지 않는다. 또한, 렌즈면에 수직인 표면을 가진 렌즈 어레이의 가장자리(또는 단일 렌즈의 가장자리)에 거울을 배치함으로써 가장자리 광선은 초점(들)으로 다시 재지향될 수 있다. 특히, 렌즈 요소 단면이 위에서 설명한 것과 유사하고 가장자리에 수직 거울이있는 단일 원형 렌즈는 시준된 광을 초점에 집중시킬 것이다.
프레넬 렌즈의 또 다른 예가 Hiromu Nakamura에게 허여된 미국 특허 번호 5,410,563에 개시되어 있다. 이 참고 문헌에서, 간격이 다른 격자를 갖고 레이저 다이오드를 대면하는 프레넬 렌즈와 수지로 만들어진 집광 렌즈를 갖는 레이저 빔 광원 장치가 개시된다. 집광 렌즈의 초점 거리는 온도 변화를 동반하는 레이저 다이오드의 발진 파장 변동에 의해 도입되는 프레넬 렌즈의 초점 거리 변화와 온도 변화를 동반하는 프레넬 렌즈의 초점 거리 변화를 무효화하는 값으로 설정된다. 또한, 편향 장치를 통해 주사선상에서 주사하기 위한 레이저 빔 주사 광학 시스템 및 이미지 정보에 기초하여 레이저 광원으로부터 방출되는 레이저 빔에 의한 광학 요소가 개시된다. 레이저 스캐닝 광학 시스템에서, 편향 장치의 표면 경사를 보정하기 위해 한 쌍의 아나모픽 렌즈가 편향 장치의 전방 및 후방에 배치되며, 아나모픽 렌즈 중 하나는 프레넬 렌즈이고 아나모픽 렌즈 중 다른 하나는 수지로 만들어진다.
프레넬 렌즈의 또 다른 예는 Silvia Booij에게 허여된 미국 특허 공개 번호 20160265740에 개시되어 있다. 이 참조 문헌에서, 광학 빔 성형 배열이 개시된다. 하나의 예에서, 광학 빔 성형 배열은 광원으로부터 광을 수신하고 더 많이 시준된 출력을 제공하기 위한 시준기, 및 더 많이 시준된 출력을 수신하기 위한 광학 플레이트를 포함하며, 광학 플레이트는 입력 측 상의 2차원 렌즈 어레이 및 대향하는 출력 측 상에 2차원 렌즈 어레이를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 입력 측 상의 렌즈는 각각 출력 측 상의 대응 렌즈에 초점을 갖고, 출력 측의 렌즈는 각각 입력 측 상의 대응 렌즈에 초점을 갖고, 출력 측 상의 렌즈들 중 적어도 일부가 광학 플레이트의 일반 평면에 대해 기울어진다. 이들 모든 참고 문헌은 그들이 개시하는 모든 것에 대해 본원에 참고로 포함된다.
하나의 실시예에서, 집광 렌즈가 투명 물질을 포함한다. 상기 투명 물질은 상기 투명 물질의 수광 표면, 상기 수광 표면에 대향하는 투명 물질의 광 출사 표면, 수광 표면 및 광 출사 표면 중 적어도 하나로 포함되는 복수의 굴절 표면, 수광 표면과 광 출사 표면과 접합하는 제1 측부, 및 상기 제1 측부에 대향하며 상기 제1 측부에 정렬되는 제2 측부를 포함하고, 상기 제2 측부는 수광 표면 및 광 출사 표면과 접합함 - 을 포함한다. 복수의 굴절 표면은 상기 투명 무릴을 통과하는 광을 집합적 초점으로 지향시키고, 상기 투명 물질의 제1 측부는 투명 물질의 제2 측부보다 집합적 초점에 더 가깝다.
투명 물질은 적어도 반투명일 수 있다.
집광 렌즈는 복수의 굴절 표면 중 수광 측부에 수직인 광이 상기 집합적 초점을 향하는 비굴절 코스를 유지하게 하는 중립 굴절 표면을 더 포함할 수 있다.
복수의 굴절 표면 중 적어도 서브세트가 중립 굴절 표면 쪽으로 점진적으로 차이 나는 굴절 각도를 포함할 수 있다.
굴절 표면은 동심일 수 있다.
굴절 표면은 투명 물질의 제1 측부 및 제2 측부 중 적어도 하나와 정렬될 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 장치는 수광기 및 집광기를 포함할 수 있다. 집광기는 수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 제1 초점에 더 가까울 수 있다.
집광 장치는 집광기와 수광기 간 부분 진공 공간을 더 포함할 수 있다.
수광기는 수광기 내에 열을 유지하도록 구성된 단열 섹션을 포함할 수 있다.
수광기는 태양 패널일 수 있다.
수광기는 의복일 수 있다.
수광기는 건물 구성요소일 수 있다.
수광기는 조리 장치일 수 있다.
수광기는 유체 용기일 수 있다.
수광기는 파이프일 수 있다.
파이프는 유체를 운송하도록 구성될 수 있다.
파이프는 진공 섹션을 포함할 수 있다.
파이프는 파이프 내에 열을 보유하도록 구성된 단열 층을 포함할 수 있다.
집광 장치는 단열 층에 포함되는 열 교환기를 더 포함할 수 있다.
집광 장치는 수광기에 포함되는 열 확산기를 더 포함할 수 있다.
집광 장치는 제1 집광 렌즈에 인접한 제2 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈는 제2 집광 렌즈로부터 오프셋될 수 있고 제2 집광 렌즈는 수광기 상에 제2 초점을 가질 수 있다.
제1 초점과 제2 초점은 수광기의 상이한 위치에 있을 수 있다.
제1 초점과 제2 초점은 수광기 상의 동일한 위치에 있을 수 있다.
제2 집광 렌즈는 집광 렌즈의 제2 측부보다 제2 초점에 더 가까운 제1 측부를 가질 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 장치는 수광기 및 집광기를 포함할 수 있고, 집광기는 수광기 상의 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈의 제1 측부는 집광 렌즈의 제2 측부보다 초점에 더 가까울 수 있다. 제2 집광 렌즈는 제1 집광 렌즈에 인접할 수 있다. 제2 집광 렌즈는 수광기 상에 제2 초점을 가질 수 있다.
제1 초점과 제2 초점은 수광기의 상이한 위치에 있을 수 있다.
제1 초점과 제2 초점은 수광기 상의 동일한 위치에 있을 수 있다.
제2 집광 렌즈는 집광 렌즈의 제2 측부보다 제2 초점에 더 가까운 제1 측부를 가질 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 장치는 수광기 및 집광기를 포함한다. 집광기는 수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈는 제1 초점으로 광을 지향시키도록 구성되며 제1 초점 위에 비대칭적으로 배치된다.
집광 장치는 집광기와 수광기 간 부분 진공 공간을 더 포함할 수 있다.
수광기는 수광기 내에 열을 유지하도록 구성된 단열 섹션을 포함할 수 있다.
수광기는 태양 패널일 수 있다.
수광기는 파이프일 수 있다.
파이프는 파이프 내에 열을 보유하도록 구성된 단열 섹션을 포함할 수 있다.
집광 장치는 제1 집광 렌즈에 인접한 제2 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제2 집광 렌즈는 제2 초점으로 광을 지향시키도록 구성되고 수광기 상의 제2 초점 위에 비대칭적으로 배치될 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 장치는 집광기를 포함할 수 있다. 집광기는 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 제1 초점에 더 가깝다.
집광 장치는 수광기를 포함할 수 있다. 초점은 수광기 상에 있을 수 있다.
집광 장치는 제2 수광기를 포함할 수 있다. 제2 집광기는 제2 초점을 갖는 제2 집광 렌즈를 포함할 수 있다.
제2 집광 렌즈의 제1 측부는 제2 집광 렌즈의 제2 측부보다 제2 초점에 더 가까울 수 있다.
제2 초점은 수광기 상에 있을 수 있다.
제1 초점과 제2 초점은 서로 이격될 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 렌즈가 투명 물질을 포함할 수 있다. 투명 물질은 투명 물질의 수광 표면 및 수광 물질에 대향하는 투명 물질의 광 출사 표면을 포함할 수 있다. 수광 표면과 광 출사 표면 사이에 적어도 하나의 집광 평면을 형성하는 영역이 존재한다. 적어도 하나의 집광 평면은 중간점을 포함할 수 있다. 집광 렌즈는 수광 표면 및 광 출사 표면 중 적어도 하나에 포함되는 투명 물질의 복수의 굴절 표면을 더 포함할 수 있다. 복수의 굴절 표면은 투명 물질을 통과하는 광을 집합적 초점으로 지향시킬 수 있다. 집합적 초점으로부터 중간점까지의 초점 축이 집광 평면과 비-직각을 형성할 수 있다.
상기 비-직각은 60도 내지 89도일 수 있다.
하나의 실시예에서, 집광 장치는 수광기 및 집광기를 포함한다. 집광기는 제1 투명 물질,수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈, 및 상기투명 물질과 제1 집광 렌즈 사이의 제2 투명 물질을 포함할 수 있다. 제1 집광 렌즈는 제1 초점으로 광을 지향시키도록 구성되며 제1 초점 위에 비대칭적으로 배치된다.
제2 투명 물질은 유체, 가령, 오일, 비제한적 예를 들면, 카길 광학 오일(Cargille optical oil)(교정액, 침지액, 광학 겔 ,또는 튜닝된 굴절률을 갖는 설계자 오일)일 수 있다.
집광 장치는 유체의 흐름을 수용하도록 구성된 수광기 내에 형성된 경로를 포함할 수 있다.
경로는 수광기에서 형성된 제1 부분, 및 제1 광 투명 물질 및 제1 집광 렌즈에 의해 부분적으로 형성된 제2 부분을 더 포함할 수 있다.
제2 투명 물질은 경로를 통해 흐르도록 구성될 수 있다.
집광 장치는 제2 투명 물질이 경로의 제1 부분에 위치할 때 제2 투명 물질로의 태양열 전달을 보일 수 있다.
집광 장치는 제2 투명 물질이 경로의 제2 부분에 위치할 때 제2 투명 물질로의 태양열 전달을 보일 수 있다.
집광 물질은 제2 투명 물질이 경로의 제1 부분에 위치할 때 제2 투명 물질로 제1 태양열 전달을 보이는 제1 특성 및 제2 투명 물질이 경로의 제2 부분에 위치할 때 제2 투명 물질로 제2 태양열 전달을 보이는 제2 특성을 포함할 수 있다. 제1 열 전달은 제2 태양열 전달보다 높은 온도 증가를 보일 수 있다.
집광기는 수신된 광을 선택적으로 집중시키기 위한 메타-광소자가 형성된 표면을 포함할 수 있다.
집광기는 보호 코팅, 가령, 지방족 코팅을 포함할 수 있다. 집광기는 임의의 크기를 가질 수 있다.
첨부된 도면이 본 출원 장치의 다양한 실시예를 도시하며 본 명세서의 일부이다. 도시된 실시예는 본 장치의 예시에 불과하며 그 범위를 한정하지 않는다.
도 1은 종래 기술의 프레넬 렌즈의 평면도이다.
도 2는 본 개시내용에 따르는 집광 렌즈의 예시의 측방도이다.
도 3는 본 개시내용에 따르는 집광 장치의 예시의 측방도이다.
도 4는 본 개시내용에 따르는 집광 장치의 예시의 측방도이다.
도 5는 본 개시내용에 따르는 집광 장치의 예시의 측방도이다.
도 6는 본 개시내용에 따르는 집광 렌즈의 예시의 측방도이다.
도 7는 본 개시내용에 따르는 집광 렌즈 장치의 예시의 측방도이다.
도 8은 메타-광소자가 형성된 표면의 예시적 전자 주사 편미경 이미지이다.
도면 전체에서, 동일한 도면 부호가 유사하지만, 반도시 동일한 필요는 없는 요소를 지시한다.
본 개시의 목적을 위해, 용어 "정렬된"은 평행하거나, 실질적으로 평행하거나, 35.0도 미만의 각도를 형성하는 것을 의미한다. 본 개시의 목적 상, 용어 "가로지름"은 수직, 실질적으로 수직 또는 55.0 내지 125.0도 사이의 각도를 형성하는 것을 의미한다. 또한, 본 개시의 목적 상, 용어 "길이"는 물체의 가장 긴 치수를 의미한다. 또한, 본 개시의 목적 상, 용어 "폭"은 측부들 간 물체의 치수를 의미한다. 종종, 물체의 폭은 물체의 길이를 가로지른다. 본 명세서에서 집광 평면은 일반적으로 축에 평행한 광선이 초점으로 수렴하기 위해 이탈되는 평면을 의미한다. 본 명세서에서 초점 축은 집광 평면의 중간점(mid-point)과 집합적 초점(collective focal point)을 통과하는 축이다.
프레넬 렌즈(Fresnel lens)는 굴절을 통해 광을 집중시키기 위해 태양열 집열기에서 사용된다. 종래의 프레넬 렌즈는 곡면 렌즈와 비슷하지만 물질을 덜 이용한다. 따라서 프레넬 렌즈는 대응하는 곡면 렌즈보다 가볍다. 어떤 경우에는 프레넬 렌즈가 평행 광선을 초점에 집중시킨다. 일반적으로 프레넬 렌즈는 평면 측부와 경사 측부를 포함한다. 경사 측부는 렌즈의 곡률에 가까운 굴절 표면을 형성하는 경사 면(canted facet)을 포함한다. 일반적으로 면이 많을수록 곡면 렌즈에 더 가까워진다.
일반적으로 프레넬 렌즈를 통과하는 모든 광은 단일 지점에 집중된다. 따라서 프레넬 렌즈의 표면적이 클수록 더 많은 광이 단일 지점에 집중된다. 더 큰 표면적을 가진 프레넬 렌즈일수록 더 긴 초점 길이를 가질 것인데, 왜냐하면 프레넬 렌즈의 측부를 통과하는 광선이 프레넬 렌즈의 중앙 부분을 통과하는 광선이 통과하는 동일한 초점에 집중되지만, 측부를 통과하는 광선은 중심을 통과하는 광선보다 더 긴 거리를 이동해야 할 것이기 때문이다. 따라서 일반적으로 프레넬 렌즈의 표면적이 클수록 초점까지의 초점 거리가 길어진다. 이는 부분적으로 프레넬 렌즈의 대칭 때문이다. 이 일반적인 규칙에 따라 표면적이 증가함에 따라, 프레넬 렌즈는 초점에서 더 먼 거리에 배치되고, 이로 인해 더 많은 공간을 차지한다.
도 1은 프레넬 렌즈(100)의 종래 기술의 예를 도시한다. 여기서, 프레넬 렌즈(100)는 일반적으로 평면인 수광 표면(102)을 포함한다. 프레넬 렌즈(100)의 광 출사 측부(104)는 수광 표면(102)에 대향하고 이와 정렬된다. 광 출사 표면(104)은 굴절 표면을 형성하는 복수의 경사 면(106)을 포함한다. 평면 수광 표면(102)에 일반적으로 수직인 광은 실질적 굴절 없이 수광 표면으로 들어간다. 광 출사 표면(104) 상의 굴절 표면은 초점(110)을 향해 광을 굴절시킨다. 프레넬 렌즈(100)는 일반적으로 초점(110)과 실질적으로 등거리인 렌즈의 제1 측부(112) 및 제2 측부(114)와 대칭적이다. 프레넬 렌즈의 측부 영역(116)을 통해 투과된 굴절 광은 프레넬 렌즈(110)의 중앙 영역(118)에서 굴절되지 않은 광보다 초점(110)으로 이동하는 더 먼 거리를 가진다.
프레넬 렌즈(100)의 표면적은 프레넬 렌즈(100)의 길이 및 폭에 의해 결정된다. 이러한 종래의 프레넬 렌즈 묘사에서, 프레넬 렌즈(100)의 폭(120)만이 도시된다.
도 2는 집광 렌즈(200)의 하나의 실시예를 도시한다. 일부 예에서, 집광 렌즈는 프레넬 렌즈이지만, 도 2에 도시된 원리가 그 밖의 다른 유형의 집광 렌즈에 적용될 수 있다.
집광 렌즈(200)는 수광면(202) 및 광 출사면(204)을 포함한다. 수광면(202)은 일반적으로 평면이고, 광 출사 표면(204)은 렌즈(200)를 빠져 나가는 광선의 방향에 영향을 미치는 굴절 표면을 형성하는 복수의 경사 면(206)을 포함한다. 각각의 굴절 표면은 광을 단일 초점(210)으로지향시키는 것에 집중된다.
집광 렌즈(200)의 제1 측부(212)는 수광 표면(202)과 광 출사 표면(204)을 연결한다. 집광 렌즈(200)의 제2 측부(214)는 제1 측부(212)과 대향하며 수광 표면(202)을 광 출사 표면(204)과 연결한다. 이 예에서, 제1 측부(212)는 제2 측부(214)보다 초점(210)에 더 가깝다. 이 예에서, 집광 렌즈(200)는 실질적으로 평면인 수광 표면(202)을 가지며, 따라서, 집광 렌즈(200)는 비스듬히 기울어진다. 또한, 제1 측부(212)는 집광 렌즈(200)의 제2 측부(214)보다 초점으로부터 멀리 떨어진 수직 거리 또는 고도에 위치한다.
집광 렌즈(200)는 수평에 대해 임의의 적절한 각도로 기울어 질 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈(200)는 적어도 5도, 적어도 10도, 적어도 15도, 적어도 20도, 적어도 25도, 적어도 30 도의 각도로 기울어 질 수 있고, 35도 이상, 40도 이상, 45도 이상, 50도 이상, 55도 이상, 60도 이상, 65도 이상, 70도 이상, 적어도 75도, 적어도 80도, 적어도 85도, 또는 적어도 다른 적절한 각도, 또는 이들의 조합의 각도로 기울어질 수 있다.
집광 렌즈(200)는 적어도 부분적으로 투명한 물질로 형성될 수 있다. 일부 예에서, 집광 렌즈(200)의 물질은 적어도 20 %의 총 투과율, 적어도 30 %의 총 투과율, 적어도 40 %의 총 투과율, 적어도 50 %의 총 투과율, 적어도 60 %의 특성을 가질 수 있다. 총 투과율, 최소 70 % 총 투과율, 최소 80 % 총 투과율, 최소 85 % 총 투과율, 최소 90 % 총 투과율, 최소 95 % 총 투과율, 다른 적절한 총 투과율 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 일부 예에서, 집광 물질는 유리, 플라스틱, 수지, 다이아몬드, 사파이어, 세라믹, 또 다른 유형의 물질 또는 이들의 조합일 수 있다.
광이 수광 표면(202)에 들어감에 따라, 입사 또는 수광된 광이 수광 표면(204)에 수직이 아닐 때 광이 굴절될 수 있다. 이 경우, 일반적으로 초점을 향해 이동하지만 초점으로 집중되지 않는 실질적으로 평행한 광선이 입사광과 수광 표면(202) 간 상대 각도로 인해 굴절될 수 있다. 수광 표면(202)에서 발생하는 이 굴절은 자연 광선(218)을 부분적으로 굴절된 광선(220)으로 휘게 하는 광선의 제1 굴절각(216)일 수 있다. 부분적으로 굴절된 광선(220)을 갖는 경사 면(206)의 상대적인 각도에 의해, 부분 굴절된 광선(220)이 초점 상으로 집중된 광선(222)으로 구부러질 수 있다. 따라서 광은 여전히 초점을 향해 일반적인 방향으로 계속 이동하면서 여러 지점에서 굴절될 수 있다.
일반적으로 평행한 편평한 수광 표면(202)에 입사하는 광선에 대해, 광은 부분 굴절된 광선을 형성하기 위해 동일한 각도로 굴절된다. 부분 굴절 광선은 투명 물질을 통과하고 그 내부에 포함된다. 부분 굴절 광선이 투명 물질을 빠져 나가기 때문에 상기 부분 굴절 광선이 초점으로 지향되는 집중된 광선으로 굴절된다. 부분 굴절된 광선으로부터 집중된 광선으로의 전환이 제2 굴절각(224)을 형성한다. 제2 굴절각(224)은 투명 물질의 광 출사 표면상에 경사 면의 각도에 기초하여 형성될 수 있다. 광 투명 물질의 제1 측부로부터 광 투명 재료의 제2 측부까지, 경사 면의 각도는 점진적으로 증가되어 각각의 광선을 집광 렌즈의 길이를 따라 초점으로 포커싱시킬 수 있다. 따라서, 집광 렌즈의 단면 길이에 대한 광선의 위치에 따라 굴절 각도가 다를 수 있다. 일부 경사면(206)의 경우, 제2 굴절각(224)은 부분 굴절된 광선(220)에 일반적으로 수직일 수 있으며, 그 결과 포커싱된 광선(222)을 형성하기 위해 단지 작은 굴절 만 발생할 수 있다. 그러나, 광 출사 표면(204)의 다른 부분에서 경사 면(206)과 부분 굴절 광선(220) 간 상대 각도가 예각 또는 둔각이어서 포커싱된 광선(222)을 형성하기 위해 더 큰 굴절 보정을 강제할 수 있다. 추가로, 경사 면(206)의 상대 각도는 수평선에 대한 수광 표면(202)의 전체 희망 각 위치에 대해 튜닝되어 수광된 광을 희망 초점(210)으로 지향시킬 수 있다.
도시된 예에서, 집광 렌즈(200)의 제1 측부(212)에 근접한 제1 경사 면(226)은 포커싱된 광선(222)을 형성하기 위해 작은 굴절 조정을 제공한다. 제1 측부(212)로부터 제2 측부(214)로의 경사면(206) 각각이, 부분 굴절 광선(220)과 포커싱된 광선(222) 사이에 더 큰 각 변화를 야기하는 점점 두드러지는 각도를 점짐적으로 형성한다. 예를 들어, 집광 렌즈(200)의 제2 측부(214)에 근접한 가장 먼 경사 면(228)이 부분 굴절된 광선(220)으로 가파른 예각(230)을 형성하여 더 큰 제2 굴절각(224)을 생성할 수 있다. 일부 예에서, 집광 렌즈의 제1 측부에 근접한 경사면은 렌즈의 경사면과 다른 굴절 표면 각도를 갖지만, 이들 경사 면 각각은 동일한 초점(210)으로 포커싱된 광선을 지향시킨다.
제1 굴절각(216)은 임의의 적절한 각도일 수 있다. 예를 들어 제1 굴절 각도와 호환될 수있는 각도의 비배타적 목록에는 90도 미만, 60도 미만, 50도 미만, 45도 미만, 40도 미만, 35도 미만의 각도가 포함될 수 있다. 도, 30도 미만, 25도 미만, 20도 미만, 15도 미만, 10도 미만, 5도 미만 또는 다른 적절한 각도 미만이 있을 수 있다.
임의의 개별 경사 면의 제2 굴절각(224)은 임의의 적절한 각도일 수 있다. 예를 들어 경사면의 굴절 각도와 호환될 수있는 비배타적 각도 목록에는 90도 미만, 60도 미만, 50도 미만, 45도 미만, 40도 미만, 미만의 각도가 포함될 수 있다. 35도 미만, 30도 미만, 25도 미만, 20도 미만, 15도 미만, 10도 미만, 5도 미만 또는 다른 적절한 각도 미만이 있을 수 있다.
제2 굴절각(224)은 제1 굴절각(216) 및 경사 면(206) 각각이 초점에 대해 기대되는 상대 횡방향 거리에 의해 영향 받을 수 있다. 예를 들어, 경사 면의 다수가 부분 굴절된 광선(220)과 포커싱된 광선(222) 사이에 음의 각도를 형성할 수 있다. 반면에, 다른 경사 면이 부분 굴절된 광선(220)과 포커싱된 광선(222) 사이에 양의 각도를 형성하도록 배향될 수 있다.
도시된 예에서, 집광 렌즈(200)의 제1 측부(212)는 집광 렌즈(200)의 제2 츠부(214)보다 초점(210)에 더 가깝다. 그 결과, 집광 렌즈(200)는 초점에 대해 오프셋되거나 비대칭적으로 배향된다. 따라서, 각각의 경사 면(206)은 각각의 광선을 중심에서 벗어난 초점(210)에 비대칭 적으로 초점을 맞추도록 각을 이룬다.
집광 렌즈(200)가 초점에 대한 각도로 배향되는 한 가지 이점은 동일한 표면적을 가진 더 많은 집광 렌즈가 동일한 풋 프린트에 들어 맞을 수 있다는 것이다. 예를 들어, 각진 집광 렌즈는 추가 집광 렌즈가 동일한 공간 내에 포함될 수 있기 때문에 광을 집광하는 데 사용할 수 있는 전체 표면적을 증가시킬 수 있다. 표면적이 증가하면 더 많은 광이 더 작은 영역에 집중되어 렌즈의 열효율이 향상된다.
도 2에서, 선(232)은 선(234)으로 나타내어지는 도 1에 도시된 프레넬 렌즈의 폭과 비교되는 집광 렌즈(200)의 폭을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 선(234)은 (232)보다 짧아서 순 폭 차이 델타(Δ)가 도출된다. 이 추가 공간은 추가 집중 렌즈를 제공하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 경사진 집광 렌즈가 동일한 양의 집중된 광을 제공하는 공간을 20 % 줄이는 경우, 다섯 번째 집광 렌즈가 이전 4개의 집광 렌즈만 맞았을 풋프린트에 들어 맞을 수 있다
도 2의 예에서, 광 출사 표면(204)은 경사면(206)을 포함하고 수광 측부(202)는 일반적으로 평면이다. 그러나, 대안적인 예에서, 광 출사 표면은 일반적으로 평면일 수 있고 수광 측부가 경사면을 포함할 수 있다. 또 다른 대안적인 예에서, 각각의 수광 표면 및 광 출사 표면은 경사면과 일반적으로 평면인 영역의 혼합을 포함할 수 있다.
도 3은 집광 장치(300)의 예를 도시한다. 이 예에서, 집광 장치(300)는 수광기(302) 및 다중 집광 렌즈를 갖는 집광기(304)를 포함한다. 명확성을 위해, 각각의 집광 렌즈의 특정 렌즈 기하학적 세부 사항은 도 3에 도시되지 않는다. 집광기(304)는 수광기(302) 상에 제1 초점(308)을 갖는 제1 집광 렌즈(306)를 포함한다. 제1 집광 렌즈(306)의 제1 측부(310)은 제1 집광 렌즈(306)의 제2 측부(312)보다 제1 초점(308)에 더 가깝다. 따라서, 제1 집광 렌즈(306)는 오프셋되고 광선을 중심에서 벗어난 초점에 포커싱한다. 제1 집광 렌즈(306)가 제1 초점(308) 주위에 비대칭으로 위치함으로써, 제1 집광 렌즈의 풋 프린트는 초점에 대해 대칭적으로 배향되는 전통적인 프레넬 렌즈보다 작다.
집광 장치(300)는 또한 제2 집광 렌즈(314)를 포함한다. 이 예에서, 제2 집광 렌즈(314)는 또한 제2 초점(316)을 중심으로 비대칭으로 배향된다. 따라서, 제2 집광 렌즈(314)의 제1 측부(318)는 집광 렌즈(314)의 제2 측부(320)보다 제2 초점(316)에 더 가깝다. 이 예에서, 제2 집광 렌즈(314)는 제1 집광 렌즈(306)에 대해 횡방향으로 배향된다. 따라서, 제1 및 제2 집광 렌즈(306, 314)는 180도가 아닌 각도를 형성한다.
제1 및 제2 집광 렌즈(306, 314) 사이에 형성된 각도는 임의의 적절한 각도 일 수 있다. 일부 예에서, 각도는 5도 초과, 10도 초과, 15도 초과, 20도 초과, 25도 초과, 30도 초과, 40도 초과, 45도 초과, 50도 초과 도, 60도 초과, 70도 초과, 80도 초과, 90도 초과, 100도 초과, 105도 초과, 110도 초과, 120도 초과, 130도 초과, 140도 초과 도, 150도 초과, 160도 초과, 170도 초과, 다른 적절한 정도 초과, 또는 이들의 조합이다.
도 3에 도시 된 바와 같이, 제1 초점(308) 및 제2 초점(316)은 거리를 두고 서로 이격되어 있다. 제1 및 제2 초점(308, 316)은 임의의 적절한 거리만큼 이격될 수 있다. 일부 예에서, 제1 및 제2 초점(306, 316)은 1.0 인치 미만, 2.0 인치 미만, 3 인치 미만, 5 인치 미만, 7 인치 미만, 10 인치 미만의 거리에서 이격되고, 15 인치 미만, 20 인치 미만, 25 인치 미만, 다른 적절한 거리 미만 또는 이들의 조합의 거리만큼 이격된다. 일부 예에서, 제1 및 제2 집광 렌즈(306, 314)는 수광기(302)상의 정확히 동일한 지점에 광을 포커싱한다.
제1 및 제2 집광 렌즈(306, 314) 모두가 오프셋되는 예에서, 경사진 렌즈의 풋 프린트 감소가 추가된다. 따라서, 더 많은 양의 광의 이점은 더 작은 영역에서 수광기(302)에 집중될 수 있다. 추가 집광 렌즈가 수광기(302) 주변에서 이용 가능한 여유 공간에 추가될 수 있으며, 이는 수광기(302)에 집중되는 전체 광량을 증가시킨다.
도시된 예에서, 복수의 집광 렌즈는 지그-지그 단면을 형성한다. 도 3의 예시가 대칭 단면을 형성하도록 배향된 각각의 집광 렌즈를 도시하지만, 집광 렌즈 중 적어도 하나는 복수의 집광 렌즈에서 적어도 2 개의 다른 렌즈와 다른 오프셋 각도로 배향되도록 배향 될 수 있다 . 또한, 도 3의 예시가 동일한 길이 또는 치수를 갖는 각각의 집광 렌즈를 도시하지만, 대안적인 예에서, 집광 렌즈 중 적어도 하나는 다른 집광 렌즈 중 적어도 하나와 다른 길이를 갖는다.
수광기(302)는 임의의 적절한 물체 또는 유체일 수 있다. 일 예에서, 수광기(302)는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 전지이다. 한 영역 내의 태양 전지에 더 많은 광을 집중시킴으로써 태양 전지는 같은 영역에서 더 많은 전기를 변환 할 수 있다. 따라서, 태양 전지 및/또는 집광 장치의 풋 프린트를 증가시키지 않고도 태양 전지의 생산성을 증가시킬 수 있다. 집광 장치가 태양열 농장의 일부인 이러한 예에서 태양열 농장은 태양열 농장의 설치 면적을 늘리지 않고도 생산성을 높일 수 있다.
다른 예에서, 수광기(302)는 가스 또는 유체를 보유 및/또는 운송할 수 있는 파이프 또는 다른 유형의 도관일 수 있다. 일부 예에서, 유체는 기체이다. 또 다른 예에서, 유체는 수성 액체 및/또는 유성 액체이다. 개별 주택, 건물 또는 지역 사회가 집광 장치를 사용하여 물을 데울 수 있다. 이러한 가열된 물은은 샤워, 식기 세척기, 세탁기 또는 기타 가정용 또는 산업 기반 응용 분야를 운영하는 데 사용할 수 있다. 또 다른 예에서, 물은 발전을 위해 터빈에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있는 증기로 변환 될 수 있다. 또 다른 예에서, 가열된 물은 건물 난방 또는 냉방, 전기 생성, 수영장 난방, 보도, 차도 또는 도로 난방, 건물 내 기후 조절, 그 밖의 다른 물체를 가열하고, 그 밖의 다른 물체의 온도를 조절하거나, 이들의 조합을 위해 사용될 수 있는 열 교환기에서 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 수광기(302)는 열 에너지의 전달이 요구되는 임의의 물품일 수 있다. 예를 들어, 수광기는 의복, 건물 요소, 가령, 지붕, 창, 또는 벽, 텐트 표면, 자동차 표면, 보트 표면; 또는 다른 구조적 요소일 수 있다. 추가로, 집광 장치는 열 에너지를 원하는 물품에 효과적이고 효율적으로 전달하기 위해 임의의 적절한 크기를 취할 수 있다. 하나의 실시예에서, 집광 장치는 집광 렌즈의 복수 또는 하나의 어레이를 포함한다. 집광 렌즈는 의류를 포함한 모든 환경에 통합 될 수있는 마이크로 렌즈 어레이일 수 있다.
도 4는 집광 장치(400)의 예를 도시한다. 이 예에서, 집광 장치(400)는 서로에 대해 오프셋 각도로 교번하는 집광 렌즈(402)를 포함한다. 이 예에서, 오프셋 교번 렌즈(402) 각각은 광을 수광기(406) 상의 오프셋 초점(404)으로 지향시킨다. 그러나, 대안적인 예에서, 집광 렌즈(402)는 초점 중 적어도 2 개를 동일한 위치로 향하게 할 수 있다.
도시된 예에서, 집광 렌즈(402)와 수광기(406) 사이의 공간이 밀폐된다. 일부 예에서, 이 밀폐된 공간(407)은 광 투과 환경을 제어하는 불활성 또는 다른 가스로 채워진다. 이러한 예에서, 밀봉재가 먼지, 파편 또는 기타 광학 간섭 입자가 집광 렌즈(402)에서 수광기(406) 로의 광 투과 효율을 낮추는 것을 방지 할 수 있다. 이 예가 밀봉재와 함께 설명되었지만, 대안적인 실시예에서 , 집광 장치는 밀봉재를 포함하지 않으며 공기 또는 기타 가스가 집광 렌즈와 수광기 사이의 공간을 통과 할 수 있다.
다른 예에서, 집광 렌즈(402)와 수광기(406) 사이의 공간은 부분 진공 하에 있을 수 있다. 이 예에서 부분 진공은 광의 투과를 방해할 수 있는 가스 분자로부터 가능한 한 방해받지 않는 환경을 유지할 수 있거나 적어도 주변 조건의 가스 양을 감소시킨다. 광은 고체, 액체 또는 기체 투명 매체를 통과하는 것보다 진공을 통과하는 속도가 더 빠르다. 투명한 매질을 통과하는 광의 속도 저하는 에너지 전달의 한 형태이며 물질의 원자에 의한 광 에너지의 흡수 및 재 방출을 포함한다. 광의 에너지 중 일부는 투명한 물질의 분자를 통해 흡수 및 재 투과 과정에서 손실된다. 일부 경우, 이러한 에너지 손실은 투명 재료의 온도 상승으로 입증될 수 있다.
완전한 진공은 지표면에서 달성하기 어려울 수 있다. 따라서 일부 경우에는 부분 진공을 사용할 수 있다. 적어도 부분적인 진공을 생성하기 위해, 집광 렌즈와 수광기에 의해 적어도 부분적으로 형성된 밀봉재의 공기를 진공 펌프로 제거하여 환경 압력보다 낮은, 하나의 실시예에서 1 atm 미만의 감압 환경을 달성할 수 있다. 밀봉재는 적절한 유형의 물질로 만들 수 있다. 사용할 수있는 물질의 비배타적 목록에는 스테인리스 강, 알루미늄, 연강, 황동, 고밀도 세라믹, 유리, 아크릴, 그 밖의 다른 유형의 물질 또는 이들의 조합이 포함될 수 있다.
집광 장치(400)는 또한 집광 렌즈(402)를 집광 렌즈 투명도를 낮출 수 있는 파편 또는 다른 적어도 부분적으로 불투명한 물질로부터 보호하는 보호 투명 장벽(408)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에 따르면, 보호 투명 장벽(408)은 본 명세서에 개시된 임의의 시스템 상에 포함될 수 있고, 내 화학성, 유연성, 날씨 및 UV 안정성을 추가하는 코팅을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 투명 장벽은 지방족 코팅, 더 구체적으로, 지방족 우레탄 코팅 또는 지방족 폴리우레탄 코팅이다. 이 코팅은 집광 장치(400)의 표면의 풍화 성능을 증가시킬 수 있고, 집광 장치의 효율 및 광 투과성을 감소시킬 수있는 헤이즈 또는 그 밖의 다른 방해 요소를 방지 할 수 있다. 광은 굴절 변화와 함께 또는 굴절 변화 없이 보호 투명 장벽(408)을 통과 할 수 있다. 도 4에 도시된 예시가 실질적으로 평면인 장벽이지만, 장벽은 임의의 적절한 형태 또는 방향을 포함할 수 있다.
도시된 예에서, 수광기(406)는 또한 동적 또는 정지 유체를 운송하는 파이프일 수 있다. 일부 경우, 수광기(406)는 열을 보유하는 높은 열 용량을 갖는 물질일 수 있다. 수광기(406)가 유동성 동적 유체로 열을 전달하는 예에서, 유체는 파이프 내부를 통과할 때 가열될 수 있다. 가열된 유체는 수광기(406)를 나온 후 유용한 적용을 위해 사용될 수 있다. 일부 경우, 수광기는 유체가 통과할 수 있는 다공성 물질이다. 다공성 물질은 열 전달을 개선하기 위해 유체가 갖는 표면적을 증가시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 수광기(406)는 열 전달을 증가시키기 위해 수광기(406) 내에 다수의 파이프 및/또는 다수의 유체 유동 경로를 포함한다.
수광기(406)는 임의의 적절한 색상을 가질 수 있다. 일부 예에서, 수광기(406)는 광을 흡수하기 위해 검정색 또는 적어도 어두운 표면을 포함한다. 대안으로, 수광기(406)는 집광 렌즈에 의해 포커싱된 모든 열 에너지가 그 안에 포함 된 유체로 전달되도록 투명할 수 있다.
열 확산기는 수광기(406)에 포함될 수 있다. 열 확산기는 수광기(406) 상의 열점이 최소화되도록 열 전도성 물질로 제조될 수 있다. 일반적으로 전체 열 확산기의 온도는 열이 전체 물질에 퍼질 수 있기 때문에 상대적으로 균일하다. 일부 경우에서, 열 분산기는 금속 또는 열 전도성 세라믹으로 만들어진다. 또 다른 예에서, 전체 수광기(406)는 수광기의 물질 전체의 초점으로부터의 열 에너지를 확산시킴으로써 열점을 최소화하는 열 전도성 물질로 만들어진다.
단열 층(410)이 수광기(402)에 열을 가두기 위해 수광기를 둘러 쌀 수 있다. 단열 층(410)은 임의의 적절한 물질로 만들어 질 수 있고 임의의 적절한 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 단열 층은 열을 수광기(406)로 다시 편향시키기 위한 반사 표면을 포함한다.
일부 경우, 열 교환기(412) 및/또는 흡수체가 단열 층(410)에 포함될 수 있다. 열 교환기(412)는 수광기(406) 내 열을 생산적인 적용에 전달하기 위해 사용될 수 있다. 일부 예에서, 열 교환기(412)는 전도를 통해 열을 전달하는 전도성 열 교환기이다. 이러한 유형의 열교환기는 단열 층(410)에 포함된 금속 일 수 있다. 또 다른 예에서, 열교환은 대류를 통해 열을 전달할 수 있다.
묘사된 예가 단일 수광기를 참조하여 설명되었지만, 집광 렌즈는 집광 장치 내의 다수의 수광기에 초점을 투영할 수 있다.
도 5는 제1 집광 렌즈(504) 및 제2 집광 렌즈(506) 위에 투명한 보호 장벽(502)을 갖는 집광 장치(500)의 예를 도시한다. 제1 및 제2 집광 렌즈(504, 506) 각각은 각자의 초점을 수광기(510)상의 동일한 위치(508)로 지향시킨다. 이 예에서, 수광기(510)는 조리 팬이다. 광으로부터 나오는 열이 조리 팬에서 음식을 조리하는 데 사용할 수 있다. 이 예에서, 집광 렌즈(504, 506)와 수광기(510) 사이에는 폐쇄된 밀봉재가 없다.
도 6은 집광 렌즈(600)의 대안적인 예를 도시한다. 이 예에서 집광 렌즈(600)는 수광 표면(602) 및 광 출사 표면(604)을 포함한다. 집광 렌즈(600)의 제1 측부(606)는 수광 표면(602)과 광 출사 표면(604)을 연결한다. 집광 렌즈(600)의 제2 측부(608)는 제1 측부에 대향하고 또한 수광 표면(602)과 광 출사 표면(604)을 연결한다. 광 출사 표면(604)은 굴절 표면을 형성하는 경사 면(610)을 포함한다.
수광 표면(602)은 연속적이지만 여전히 단일 물질인 제1 평면(612) 및 제2 평면(614)을 분리하는 굴곡부(611)를 포함한다. 제1 평면(612)은 부분적으로 제1 초점 평면을 정의하고, 제2 평면(614)은 부분적으로 제2 초점 평면을 정의한다. 굴곡부(611)는 각도를 형성한다. 그 결과, 평행 광선이 수광면(602)에 입사함에 따라, 제1 평면(612)에 입사하는 광선은 제2 평면(614)에 입사하는 광선과 다른 굴절 변화를 경험한다. 따라서, 제1 평면(612)에 대향하는 경사 면은 제2 평면(614)에 대향하는 경사 표면과 상이한 굴절 각의 세트를 가짐으로써 단일 초점 상으로 모든 광선을 포커싱할 수 있다.
굴곡부(611)는 임의의 적절한 각도를 형성할 수 있다. 예를 들어, 굴곡부는 5도 미만, 10도 미만, 15도 미만, 20도 미만, 25도 미만, 30도 미만, 35도 미만, 40도 미만의 각도를 형성 할 수 있다. , 45도 미만, 55도 미만, 65도 미만, 75도 미만, 90도 미만, 다른 적절한 정도 미만, 또는 이들의 조합의 각도를 형성할 수 있다.
이 실시예는 단지 제1 및 제2 평면으로 도시되었지만, 본 명세서에 기재된 원리에 따라 임의의 수의 평면이 사용될 수 있다. 예를 들어, 수광 평면은 수광 평면의 상대적인 경사를 점점 더 가파르게 하는 제1 굴곡부 및 제2 굴곡부를 포함할 수 있다.
도 7은 대안적인 집광 장치(700)의 예를 도시한다. 이 예에서, 집광 장치(700)는 앞서 기재된 바와 같이 서로에 대해 오프셋 각도로 교번하는 집광 렌즈(702)를 포함한다. 이 예에서, 각각의 오프셋 교번 렌즈(702)는 수광기(706) 상의 오프셋 초점(704)으로 광을 지향시킨다.
수광기(706)는 광전지, 의류, 용기, 건물 구성 요소 등일 수 있다. 그러나 도 7에 나타난 바와 같이, 수광기(706)는 유체의 흐름을 수용하도록 구성된 경로의 일부를 형성하는 파이프일 수 있다. 광 수신기(706)는 임의의 적절한 소스로부터의 유체, 가령, 오일, 물, 가스 또는 다른 유형의 유체를 수용 할 수 있다. 경로는 적절한 경로를 통해 유체를 라우팅할 수 있다. 도시된 예에서, 경로의 제1 부분(708)이 수광기(706) 내에 형성된다. 경로의 제2 부분(710)이 부분적으로 교번 집광 렌즈(702)에 의해 형성된다. 경로의 제2 부분(710)은 부분적으로 투명 물질에 의해서도 형성되어, 집합적으로 유체 경로를 형성한다.
투명 물질(712) 및 집광 렌즈(702)는 경로의 제2 부분(710)을 구성하는 공간을 형성할 수 있다. 제1 밸브(714)는 경로의 제2 부분(710)으로 들어가는 유체의 흐름을 제어할 수 있고, 제2 밸브(716)는 경로의 제2 부분(710)을 빠져 나가는 유체의 흐름을 제어할 수 있다. 제2 부분(710) 내의 유체 압력은 제2 부분(710) 내의 채워지지 않은 공간을 줄이기에 적합할 수 있으며, 배기구(도시되지 않음) 또는 집광 장치의 효율에 영향을 미칠 수 있는 기포 또는 기타 불순물을 제거하기 위한 다른 특징을 포함할 수 있다. 제2 부분(710) 내의 각각의 광학 경계는 적어도 약간의 굴절을 유발할 수 있다. 또한, 액체의 표면이 경로의 제2 부분(710)에 들어갈 때 굴절이 발생할 수 있는데, 이는 제2 부분(710)에 들어가는 액체의 관성이 표면 각도를 동적으로 변화시킬 수 있기 때문이다. 채워지지 않은 갭이 존재하지 않도록 제2 부분(710) 내의 유체 압력을 제어함으로써, 광학 경계의 수가 감소되고 그 각도가 제어될 수 있고 액체는 제2 부분(710)에서 렌즈의 필수 부분을 형성한다.
투명 물질(712)을 통해 투과된 태양 에너지는 유체가 경로의 제2 부분(714)에있는 동안 유체를 가열할 수 있다. 유체가 경로의 제1 부분(708)에 도달하면, 태양 에너지가 수광부(706)에 집중되기 때문에 유체의 온도가 훨씬 더 상승할 수 있다. 이러한 방식으로 유체는 적어도 두 단계로 가열될 수 있다.
앞서의 예가 경사면이 집광 렌즈의 광 출사 표면 상에 있는 것으로 설명되었지만, 일부 예에서 경사면은 수광 표면에 포함된다. 이러한 유형의 예에서, 경사 면은 수광 표면과 광 출사 표면 모두에 포함된다. 또 다른 예에서, 경사 면은 수광 표면에 포함된다.
대안으로, 앞서의 예는 렌즈를 통해 원하는 물체로 광을 제어 가능하게 지향시키기 위해 각진 굴절 표면을 사용하는 맥락에서 설명되었지만, 임의의 수의 광 굴절 또는 수정 기하학 또는 표면이 수광 표면에 의해 수신되는 광을 예측 가능하게 지향시키도록 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 메타-광소자(meta-optics)가 태양 패널과 함께 사용하기 위해, 가열을 위해 또는 다른 광 포커싱 목적을 위해 본 예시적인 시스템에 따라 광을 제어 가능하게 지향하는 데 사용될 수 있다. 메타-광소자는 적어도 가시광선이 통과할 때 구부러지는 메타-표면(meta-surface)으로 알려진 작은 도파관의 하나 이상의 초박 어레이를 포함할 수 있다. 도 8은 예시적인 메타-광소자의 전자 주사 현미경 이미지를 도시한다. 도 8에 도시 된 바와 같이, 메타-광소자 렌즈(800)는 앞서 기재된 바와 같이, 복수 스테이지 가열을 위한 챔버의 형성과 함께, 또는 이를 형성하지 않고, 평면 패널이도록 형성될 수 있다. 도파관 메타 표면은 고굴절률로 광을 강력하게 가둘 수 있는 임의의 개수의 물질, 비제한적 예를 들면, 티타늄 디옥사이드, 은 디옥사이드, 또는 그래핀으로 만들어질 수 있다. 또한, 메타-표면은 수신된 광을 희망 표면 상으로 선택적 및 정밀하게 포커싱하도록 형성되고 구성 또는 튜닝될 수 있다. 메타-표면은 임의의 개수의 추가 또는 삭제 방법, 비제한적 예를 들면, 패터닝, 건식 또는 습식 에칭, 전자 빔 리소그래피 및/또는 3D 프린팅을 이용해 형성될 수 있다. 따라서 기존 렌즈 시스템에 비해 무게와 두께가 줄어들면서 효율성이 높아질 수 있다.
본 시스템의 다양한 용도 및 구성이 위에서 개별적으로 설명되었지만, 각각의 시스템 및 구성은 결합되어 하이브리드 시스템을 생성 할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 유체 충전된 제2 부분(710)은 단일 시스템에서 광기전 수광기(706)와 통합될 수 있다. 이 시스템에 따르면, 유체는 유체 충전된 제2 부분(710)에서 가열될 수있고, 한편 광기전 수광기(706)에 광을 효율적으로 전송하고 포커싱시킬 수 있다. 또한, 기재된 구성요소는 다양한 구성 및 크기(매크로 레벨에서 마이크로 레벨까지)로 조합되어 임의의 개수의 환경 및 타깃, 비제한적 예를 들면, 난방 의류, 텐트, 건물 및 건물 구성 요소, 창문, 차량, 조리기구, 열 펌프, 살균 시스템, 및 그 밖의 다른 임의의 열 에너지 소비 시스템에 적용될 수 있다.
또 다른 예시 및 구현은 개시 및 첨부된 청구항의 범위 및 사상 내에있다. 예를 들어, 기능을 구현하는 특징은 기능의 일부가 다른 물리적 위치에서 구현되도록 분산되는 것을 포함하여 다양한 위치에 물리적으로 위치 할 수도 있다. 또한, 청구 범위를 포함하여 본 명세서에서 사용될 때, 항목 목록(예를 들어, "~ 중 적어도 하나" 또는 "~ 중 하나 이상"와 같은 구문으로 시작되는 항목 목록)에서 사용되는 "또는"은, 예를 들어 A, B 또는 C 중 적어도 하나의 목록은 A 또는 B 또는 C 또는 AB 또는 AC 또는 BC 또는 ABC(즉, A 및 B 및 C)를 의미하는 포괄적 목록을 나타낸다. 또한, 용어 "예시적인"은 기재된 예가 다른 예보다 바람직하거나 더 우수하다는 것을 의미하지 않는다.
상기의 기재는, 설명을 목적으로 기재된 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 이용한다. 그러나, 기재된 실시예를 실행하기 위해 특정 세부 사항이 요구되지 않는다는 것은 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 특정 실시예의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 그것들은 완전하거나 개시된 정확한 형태로 실시예를 제한하기 위한 것이 아니다. 상기 교시 내용을 고려하여 많은 수정 및 변경이 가능하다는 것이 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

Claims (48)

  1. 집광 렌즈로서,
    투명 물질 - 상기 투명 물질은
    상기 투명 물질의 수광 표면,
    상기 수광 표면에 대향하는 투명 물질의 광 출사 표면,
    수광 표면 및 광 출사 표면 중 적어도 하나로 포함되는 복수의 굴절 표면,
    수광 표면과 광 출사 표면과 접합하는 제1 측부, 및
    상기 제1 측부에 대향하며 상기 제1 측부에 정렬되는 제2 측부를 포함하고, 상기 제2 측부는 수광 표면 및 광 출사 표면과 접합함 - 을 포함하고,
    복수의 굴절 표면은 상기 투명 물질을 통과하는 광을 집합적 초점으로 지향시키고,
    상기 투명 물질의 제1 측부는 투명 물질의 제2 측부보다 집합적 초점에 더 가까운, 집광 렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 물질은 적어도 반투명인, 집광 렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 굴절 표면 중 수광 측부에 수직인 광이 상기 집합적 초점을 향하는 비굴절 코스를 유지하게 하는 중립 굴절 표면을 더 포함하는, 집광 렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 복수의 굴절 표면 중 적어도 서브세트가 집광 렌즈의 제1 측부에서부터 집광 렌즈의 제2 측부까지 점진적으로 차이 나는 굴절 각도를 포함하는, 집광 렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 굴절 표면은 동심인, 집광 렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 굴절 표면은 투명 물질의 제1 측부 및 제2 측부 중 적어도 하나와 정렬되는, 집광 렌즈.
  7. 집광 장치로서,
    수광기,
    집광기 - 상기 집광기는 수광기 상에 제1 초점을 가즌 제1 집광 렌즈를 포함함 - 를 포함하며,
    제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 제1 초점에 더 가까운, 집광 장치.
  8. 제7항에 있어서, 집광기와 수광기 간 부분 진공 공간을 더 포함하는, 집광 장치.
  9. 제7항에 있어서, 수광기는 수광기 내에 열을 유지하도록 구성된 단열 섹션을 포함하는, 집광 장치.
  10. 제7항에 있어서, 수광기는 태양 패널을 포함하는, 집광 장치.
  11. 제7항에 있어서, 수광기는 조리 장치를 포함하는, 집광 장치.
  12. 제7항에 있어서, 수광기는 유체 용기, 의복, 건물 구성요소, 또는 차량 중 하나를 포함하는, 집광 장치.
  13. 제7항에 있어서, 수광기는 파이프를 포함하는, 집광 장치.
  14. 제13항에 있어서, 파이프는 유체를 운송하도록 구성되는, 집광 장치.
  15. 제14항에 있어서, 파이프는 진공 섹션을 포함하는, 집광 장치.
  16. 제13항에 있어서, 파이프는 파이프 내에 열을 유지하도록 구성된 단열 층을 포함하는, 집광 장치.
  17. 제16항에 있어서, 단열 층에 포함되는 열 교환기를 더 포함하는, 집광 장치.
  18. 제7항에 있어서, 수광기로 포함되는 열 확산기를 더 포함하는, 집광 장치.
  19. 제7항에 있어서,
    제1 집광 렌즈에 인접한 제2 집광 렌즈
    를 더 포함하며, 제1 집광 렌즈는 제2 집광 렌즈로부터 오프셋되어 있고,
    제2 집광 렌즈는 수광기 상에 제2 초점을 갖는, 집광 장치.
  20. 제19항에 있어서, 제1 초점 및 제2 초점은 수광기의 상이한 위치 상에 있는, 집광 장치.
  21. 제19항에 있어서, 제1 초점 및 제2 초점은 수광기 상의 동일한 위치에 있는, 집광 장치.
  22. 제19항에 있어서, 제2 집광 렌즈는 제2 집광 렌즈의 제2 측부에 대해 제2 초점에 더 가까운 제1 측부를 갖는, 집광 장치.
  23. 집광 장치로서,
    수광기,
    집광기를 포함하며, 상기 집광기는
    상기 수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈 - 제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 초점에 더 가까움 - ,
    상기 제1 집광 렌즈에 인접한 제2 집광 렌즈 - 제2 집광 렌즈는 수광기 상에 제2 초점을 가짐 - 를 포함하는, 집광 장치.
  24. 제23항에 있어서, 제1 초점 및 제2 초점은 수광기의 상이한 위치 상에 있는, 집광 장치.
  25. 제23항에 있어서, 제1 초점 및 제2 초점은 수광기 상의 동일한 위치에 있는, 집광 장치.
  26. 제23항에 있어서, 제2 집광 렌즈는 제2 집광 렌즈의 제2 측부보다 제2 초점에 더 가까운 제1 측부를 갖고,
    복수의 굴절 표면은 메타-광소자 어레이를 포함하는, 집광 장치.
  27. 집광 장치로서,
    수광기, 및
    집광기를 포함하며, 상기 집광기는 수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함하며,
    제1 집광 렌즈는 제1 초점으로 광을 지향시키도록 구성되며 제1 초점 위에 비대칭적으로 배치되는, 집광 장치.
  28. 제27항에 있어서, 집광기와 수광기 사이에 배치된 부분 진공 공간을 더 포함하는, 집광 장치.
  29. 제27항에 있어서, 수광기는 수광기 내에 열을 보유하도록 구성된 단열 섹션을 포함하는, 집광 장치.
  30. 제27항에 있어서, 수광기는 태양 패널을 포함하는, 집광 장치.
  31. 제27항에 있어서, 수광기는 파이프를 포함하는, 집광 장치.
  32. 제31항에 있어서, 파이프는 파이프 내에 열을 보유하도록 구성된 단열 섹션을 포함하는, 집광 장치.
  33. 제27항에 있어서, 제1 집광 렌즈에 인접한 제2 집광 렌즈를 더 포함하며,
    제2 집광 렌즈는 제2 초점으로 광을 지향시키도록 구성되고 수광기 상의 제2 초점 위에 비대칭적으로 배치되는, 집광 장치.
  34. 집광기를 포함하는 집광 장치로서, 상기 집광기는 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈를 포함하며,
    제1 집광 렌즈의 제1 측부는 제1 집광 렌즈의 제2 측부보다 제1 초점에 더 가까운, 집광 장치.
  35. 제34항에 있어서, 수광기를 더 포함하고,
    제1 초점은 수광기 상에 있는, 집광 장치.
  36. 제35항에 있어서, 제2 집광기를 더 포함하고,
    제2 집광기는 제2 초점을 갖는 제2 집광 렌즈를 포함하는, 집광 장치.
  37. 제36항에 있어서, 제2 집광 렌즈의 제1 측부는 제2 집광 렌즈의 제2 측부보다 제2 초점에 더 가까운, 집광 장치.
  38. 제37항에 있어서, 제2 초점은 수광기 상에 있는, 집광 장치.
  39. 제38항에 있어서, 제1 초점과 제 초점은 서로 이격되어 있는, 집광 장치.
  40. 집광 렌즈로서,
    투명 물질을 포함하고, 상기 투명 물질은
    수광 표면,
    상기 수광 표면에 대향하는 광 출사 표면,
    수광 표면과 광 출사 표면 사이에서 적어도 하나의 집광 평면을 형성ㅎ나는 영역 - 적어도 하나의 집광 평면은 중간점을 포함함 - ,
    수광 표면과 광 출사 표면 중 적어도 하나로 포함되는 복수의 굴절 표면
    을 포함하고,
    복수의 굴절 표면은 투명 물질을 통과하는 광을 집합적 초점으로 지향시키며,
    집합적 초점으로부터 중간점까지의 초점 축이 적어도 하나의 집광 평면을 갖는 비-직각을 형성하는, 집광 렌즈.
  41. 제40항에 있어서, 비-직각은 60도 내지 89도인, 집광 렌즈.
  42. 집광 장치로서,
    수광기,
    집광기를 포함하고, 상기 집광기는
    제1 투명 물질,
    수광기 상에 제1 초점을 갖는 제1 집광 렌즈,
    제1 투명 물질과 제1 집광 렌즈 사이의 제2 투명 물질을 포함하고,
    제1 집광 렌즈는 제1 초점으로 광을 지향시키도록 구성되고 제1 초점 위에 비대칭적으로 배치되는, 집광 장치.
  43. 제42항에 있어서, 제2 투명 물질은 유체를 포함하는, 집광 장치.
  44. 제42항에 있어서, 유체의 흐름을 수용하도록 수광기에서 형성된 경로를 더 포함하는, 집광 장치.
  45. 제44항에 있어서, 경로는
    수광기에서 형성된 제1 부분, 및
    제1 투명 물질 및 제1 집광 렌즈에 의해 부분적으로 형성된 제2 부분을 더 포함하는, 집광 장치.
  46. 제45항에 있어서, 제2 투명 물질은 경로를 통해 흐르도록 구성되는, 집광 장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 집광기는 제2 투명 물질이 경로의 제1 부분에 위치할 때 태양열을 제2 투명 물질로 전달하도록 구성되고,
    제2 투명 물질이 경로의 제2 부분에 위치할 때 태양열을 제2 투명 물질로 전달하며,
    제1 태양열 전달은 제2 태양열 전달보다 높은 온도 증가를 보이는, 집광 장치.
  48. 제1항에 있어서, 복수의 굴절 표면 각각은 메타-광학 어레이를 포함하는, 집광 장치.
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