TW201337186A - 偏軸卡士格冉太陽能收集器 - Google Patents

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TW201337186A
TW201337186A TW102102376A TW102102376A TW201337186A TW 201337186 A TW201337186 A TW 201337186A TW 102102376 A TW102102376 A TW 102102376A TW 102102376 A TW102102376 A TW 102102376A TW 201337186 A TW201337186 A TW 201337186A
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大衛 喬治 佛瑞爾
提摩西 拉摩提 昆恩
湯瑪士 瑞查德 強史東 寇瑞根
拜倫 愛德華 托特
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３Ｍ新設資產公司
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Abstract

本發明大體上係關於集中日光收集器，且尤其係關於可用於一建築物之內部照明之集中日光收集器。該等集中日光收集器通常包括提供一全追蹤太陽能收集器之一卡士格冉型集中器區段，該全追蹤太陽能收集器具有一個移動零件且具有經收集太陽能輻照至一靜止管道之耦合之一高效率。在一些狀況下，可更習知地使用該等所揭示集中日光收集器，諸如，用於將陽光引導至用於產生電力之一光伏打電池上，或引導至用於提取熱能之一吸收表面上。

Description

偏軸卡士格冉太陽能收集器
可見光通過建築物之長距離輸送可使用鏡面排列型管道，或採用全內反射之固體光纖。鏡面排列型管道包括以下優點：大橫截面積及大數值孔徑(在較小集中度的情況下實現較大通量)、導致較低衰減及較長壽命兩者的穩固且清晰之傳播介質(亦即，空氣)，及每單位之經輸送光通量的潛在較低之重量。固體光纖包括組態可撓性之優點，組態可撓性可引起在低光損失之情況下的相對緊彎曲。雖然鏡面排列型管道之優點可顯得勢不可擋，但光纖由於以與管系幾乎相同之方式組裝光導管的實務價值而仍然被頻繁地選擇。不管用以有效地輸送光之技術，皆需要亦可集中經收集光的實務且高效之日光收集器。
本發明大體上係關於集中日光收集器，且尤其係關於可用於一建築物之內部照明之集中日光收集器。該等集中日光收集器通常包括提供一全追蹤太陽能收集器之一卡士格冉型集中器區段，該全追蹤太陽能收集器具有一個移動零件且具有經收集太陽能輻照至一靜止管道之耦合之一高效率。在一態樣中，本發明提供一種太陽能收集器，其包括：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；及一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；其中該第一軸線可在不移動該第二軸線的情 況下以一仰角及一方位角而對準，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。在另一態樣中，本發明提供一種建築結構照明系統，其包括該太陽能收集器。
在另一態樣中，本發明提供一種太陽能收集器，其包括：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可在不移動該雙曲面反射器或該光管道的情況下以一仰角及一方位角而對準。在另一態樣中，本發明提供一種建築結構照明系統，其包括該太陽能收集器。
在又一態樣中，本發明提供一種太陽能收集器，其包括：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可以一仰角及一方位角而對準，且該雙曲面反射器及該光管道中至少一者圍繞該第二軸線而旋轉。在另一態樣中，本發明提供一種建築結構照明系統，其包括該太陽能收集器。
在又一態樣中，本發明提供一種太陽能收集器，其包括：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重 合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一狹槽，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一中空反射光管道，其係沿著該第二軸線而安置且延伸通過該狹槽；其中該抛物面反射器可經旋轉成使得該第一軸線在不移動該第二軸線的情況下以一仰角及一方位角而對準於太陽，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射進入該中空反射光管道且在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。在另一態樣中，本發明提供一種建築結構照明系統，其包括該太陽能收集器。
以上概述不意欲描述本發明之每一所揭示實施例或每一實施。以下諸圖及詳細描述更特定地例示說明性實施例。
100‧‧‧太陽能收集器
110‧‧‧抛物面反射器
115‧‧‧內部反射表面
120‧‧‧第一外緣邊
130‧‧‧頂點
131‧‧‧線
132‧‧‧可選退出口孔隙
140‧‧‧抛物面焦點
145‧‧‧第二焦點
150‧‧‧雙曲面反射器
160‧‧‧第二外緣邊
165‧‧‧支撐結構
170‧‧‧可選光管道
175‧‧‧進入口孔隙
177‧‧‧上部緣邊
180‧‧‧第一軸線
185‧‧‧仰角方向/仰角
190‧‧‧第二軸線
195‧‧‧方位角方向
200‧‧‧太陽能收集器
200'‧‧‧太陽能收集器
201‧‧‧輸入光束
201'‧‧‧輸入光束
202‧‧‧中心光射線
202'‧‧‧中心光射線
203‧‧‧邊界光射線
203'‧‧‧邊界光射線
204‧‧‧光射線
204'‧‧‧光射線
205‧‧‧光射線
205'‧‧‧光射線
206‧‧‧光射線
207‧‧‧光射線
207'‧‧‧光射線
210‧‧‧抛物面反射器
215‧‧‧反射表面
220‧‧‧第一外緣邊
230‧‧‧頂點
240‧‧‧抛物面焦點
245‧‧‧第二焦點
250‧‧‧雙曲面反射器
260‧‧‧第二外緣邊
270‧‧‧可選光管道
272‧‧‧內部反射表面
275‧‧‧進入口孔隙
277‧‧‧上部緣邊
280‧‧‧第一軸線
290‧‧‧第二軸線
291‧‧‧輸出光束
292‧‧‧中心光射線
293‧‧‧邊界光射線
300‧‧‧太陽能收集器
300'‧‧‧太陽能收集器
310‧‧‧抛物面反射器
330‧‧‧頂點
340‧‧‧第一焦點
345‧‧‧第二焦點
370‧‧‧光管道
375‧‧‧進入口孔隙
375'‧‧‧進入口孔隙
377‧‧‧上部緣邊
377'‧‧‧上部緣邊
440‧‧‧抛物面焦點
445‧‧‧第二雙曲面焦點
450‧‧‧雙曲面反射器/太陽能收集器雙曲線體
500‧‧‧太陽能收集器
510‧‧‧抛物面反射器
545‧‧‧第二焦點
550‧‧‧雙曲面反射器
565‧‧‧第一支撐件
566‧‧‧第二支撐件
575‧‧‧能量轉換器件
590‧‧‧第二軸線
595‧‧‧旋轉
600‧‧‧太陽能收集器
610‧‧‧抛物面反射器
620‧‧‧第一外緣邊
630‧‧‧頂點
631‧‧‧線
632‧‧‧可選退出口孔隙
650‧‧‧雙曲面反射器
685‧‧‧方位角方向
690‧‧‧第二軸線
700‧‧‧太陽能收集器
700'‧‧‧太陽能收集器
701‧‧‧受保護太陽能收集器
702‧‧‧受保護太陽能收集器
705‧‧‧可見光透明圓蓋
707‧‧‧可見光透明圓蓋
710‧‧‧抛物面反射器
715‧‧‧內部反射表面
720‧‧‧第一外緣邊
722‧‧‧可選支撐環
732‧‧‧退出口孔隙/敞開式狹槽
732'‧‧‧退出口孔隙/可見光透明窗
740‧‧‧抛物面焦點
750‧‧‧雙曲面反射器
765‧‧‧支撐結構
770‧‧‧光管道
770'‧‧‧光管道
775‧‧‧進入口孔隙
775'‧‧‧進入口孔隙
780‧‧‧第一軸線
782‧‧‧支撐臂/抛物面反射器支撐件
784‧‧‧馬達
785‧‧‧仰角方向
786‧‧‧樞轉線
787‧‧‧支撐結構
788‧‧‧樞轉點
790‧‧‧第二軸線
792‧‧‧旋轉支撐件
794‧‧‧基底
795‧‧‧方位角方向
796‧‧‧底部表面
貫穿本說明書，參看附加圖式，在該等圖式中，類似參考數字指示類似元件，且在該等圖式中：圖1展示太陽能收集器之透視圖；圖2A至圖2C展示太陽能收集器之橫截面示意圖；圖3A至圖3B展示太陽能收集器之橫截面示意圖；圖4展示與太陽能收集器相關聯之參數；圖5展示太陽能收集器之透視圖；圖6展示太陽能收集器之透視圖；圖7A展示太陽能收集器之透視圖；圖7B展示受保護太陽能收集器之側視圖；圖7C展示受保護太陽能收集器之側視圖；及圖7D展示太陽能收集器之透視圖。
該等圖未必按比例繪製。該等圖中使用之類似數字指代類似組件。然而，應理解，使用一數字以指代給定圖中之組件不意欲限制另 一圖中以同一數字而標記之組件。
本發明大體上係關於可用於用陽光來照明建築物之內部空間之集中日光收集器。集中日光收集器將陽光引導至鏡面排列型管道中，鏡面排列型管道可用以將貫穿建築物之陽光分佈至光通過光分佈鏡面排列型管道之提取點。在一些狀況下，可代替地更習知地使用所揭示集中日光收集器，諸如，用於將陽光引導至用於產生電力之光伏打電池上，或引導至用於提取熱能之吸收表面上。
描述用於核心建築結構日光照明之太陽能收集器之價值的適當優值為每流明之經遞送光的該收集器之成本。價值隨著每流明之成本減低而增加。縮減成本及增加通量兩者增加收集器之價值。收集器之成本主要係由其大小、其追蹤要求及其複雜性規定。通常不利的是犧牲大小或追蹤，此係因為此等屬性對於高通量而言具決定性。然而，存在藉由最小化移動零件之數目來縮減複雜性的可能性。
用於日光照明之收集器可較佳地將其通量存放於靜止管道內，其中與彼通量相關聯之亮度係圍繞該管道之軸線實質上準直。因此，追蹤收集器可包括用於將集中亮度之移動及傾斜分佈輸送及重新引導至固定位置及固定方向之構件。可藉由改良此耦合之效率來增加收集器之價值。
本發明揭示一種用於全追蹤太陽能收集器之裝置及技術，全追蹤太陽能收集器具有很少移動零件且具有至靜止管道之耦合之顯著高效率。為此，卡士格冉集中器利用1)抛物面鏡面以將平行於抛物線之光軸而入射的射線聚焦至抛物線之光軸上的點，且利用2)雙曲面鏡面以將此等射線重新聚焦至雙曲線之光軸上的雙曲線之外部焦點，其中雙曲面鏡面之內部焦點與抛物面焦點重合。在標準卡士格冉組態中，雙曲線及抛物線之軸線重合，使得最終焦點位於此等共同軸線上。在 本文所描述之偏軸組態中，抛物線之軸線可相對於雙曲線軸線而傾斜，使得最終焦點位於抛物線之軸線外。偏軸組態允許靜止最終焦點，且此情形可解決用於日光照明之太陽能收集器的兩個基本問題，具體言之，偏軸組態僅允許抛物線移動，且偏軸組態增加至靜止管道之耦合之效率。
所揭示太陽能收集器接受遍及大區域之直接太陽能照度，且追蹤太陽。通常，關聯通量之實質上全部被射入至靜止管道中，其中與彼通量相關聯之亮度係圍繞該管道之軸線實質上準直。在一特定實施例中，太陽能收集器設計使用偏軸卡士格冉組態，該組態包括追蹤太陽之可移動抛物面鏡面，以及靜止雙曲面鏡面及靜止管道。此組態可最大化收集效率，同時最小化追蹤太陽所需要之移動組件的數目。
該收集器相比於許多替代例可在其每單位面積之佔據面積上收穫更多通量。該收集器相比於任何已知替代例可以較高集中度遞送此通量(實現小光分佈管道)，且具有良好地適合於具有側壁提取之中空光導引系統的準直度。在一些狀況下，集中日光收集器可定位於建築物之脊上或定位於建築物之向陽側上。通常，集中日光收集器之脊頂置放可更容易地提供太陽貫穿日光時數之無阻礙視界；然而，在一些狀況下，安裝於建築物之側上可較佳。
集中日光收集器可為追蹤太陽貫穿白天之位置的太陽能收集器/集中器。集中日光收集器自大區域收穫高度準直太陽能通量，且以受控制(且必然減損)準直將該太陽能通量存放於小得多之區域(例如，用於貫穿建築物而分佈之鏡面排列型管道系統)內。
在一特定實施例中，集中日光收集器可包括為熟習此項技術者所知之卡士格冉望遠鏡型集中器。此集中器通常包括抛物面鏡面及雙曲面鏡面之組合。通常，抛物面鏡面之焦點及雙曲面鏡面之一個焦點經置放成使得該等焦點近似共同焦點。雙曲面鏡面之第二焦點可沿著 適合於收集自雙曲面鏡面反射之光之光管道的軸線而定位。光管道可安置於狹槽中，狹槽在抛物面鏡面中形成於抛物面鏡面之頂點與外緣邊之間。狹槽之中心線位於含有抛物面頂點及兩個雙曲面焦點之平面內。以此方式，抛物面反射器能夠圍繞光管道軸線而旋轉，使得集中日光收集器追蹤太陽之路徑。詳言之，抛物面焦點與頂點之間的線可對準於太陽之方位角及仰角，使得朝向抛物面焦點引導光射線，如在別處所描述。
圖1展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器100之透視圖。太陽能收集器100包括具有內部反射表面115及第一外緣邊120之抛物面反射器110。內部反射表面115可為具有高鏡面反射率之任何合適材料，其包括(例如)第一表面鏡面或第二表面鏡面，諸如，金屬蒸汽塗佈鏡面或其他反射金屬；該內部反射表面可代替地包括聚合多層干涉反射器，諸如，可購自3M Company之VikuitiTM ESR膜。抛物面反射器110具有特徵可為如下各者之幾何形狀：抛物面焦點140、頂點130，及延伸於頂點130與抛物面焦點140之間的第一軸線180。太陽能收集器100進一步包括雙曲面反射器150，雙曲面反射器150具有第二外緣邊160、與抛物面焦點140重合之第一焦點，及第二焦點145。雙曲面反射器150可由上文所描述的適合於內部反射表面115之相同或不同材料製成。第二軸線190沿著包括抛物面焦點140及第二焦點145之線而延伸。
在一特定實施例中，第二軸線190可朝向天頂(亦即，垂直於水平面)進行指向；然而，在其他實施例中，第二軸線190可代替地與天頂成任何所要角度或定向進行指向。舉例而言，可朝向建築物側安裝式收集器之水平面引導太陽能收集器100之第二軸線190。第二軸線190之傾斜角可取決於太陽能收集器100之置放，包括(例如)緯度、無阻礙視界、最佳日光照明之持續時間及次數，及其類似者，如在別處所 描述。第一軸線180能夠在不移動第二軸線190的情況下沿著方位角方向195圍繞第二軸線190而旋轉。第一軸線180亦能夠沿著仰角方向185而旋轉，仰角方向185圍繞抛物面焦點140而樞轉且位於包括頂點130及第二軸線190之平面中。在一特定實施例中，第一軸線180可朝向太陽進行定位，使得入射於抛物面反射器110上且自雙曲面反射器150反射之太陽能輻射在第二軸線190之輸出準直角內傳播，如在別處所描述。
可選退出口孔隙132可沿著線131而安置於抛物面反射器110中，線131穿過頂點130且位於包括頂點130及第二軸線190之平面中。在一些狀況下，可選退出口孔隙132可包含對太陽能輻射透明之材料，諸如，聚合物或玻璃；在一些狀況下，可選退出口孔隙132可為在抛物面反射器110中切割之狹槽。在一特定實施例中，可選退出口孔隙132可沿著線131而自頂點130延伸至第一外緣邊120。
可選光管道170可沿著第二軸線190而安置，且在可選退出口孔隙132為狹槽之狀況下，可選光管道170可延伸通過抛物面反射器110，如圖所示。在一些狀況下，支撐結構165可將雙曲面反射器150貼附至可選光管道170。支撐結構165可為熟習此項技術者所知之任何合適支撐件，其支撐雙曲面反射器150，使得抛物面焦點140及第二焦點145保持固定且不移動。在一些狀況下，支撐結構165可將雙曲面反射器150貼附至抛物面反射器110之一個旋轉軸線，使得該雙曲面反射器可圍繞第二軸線190而旋轉，如在別處所描述。可選光管道170包括上部緣邊177及進入口孔隙175，上部緣邊177及進入口孔隙175經定位成使得自雙曲面反射器150反射之光通過進入口孔隙175而進入可選光管道170且經引導朝向第二焦點145。可選光管道170可為用於供建築結構照明用之日光分佈系統之光分佈系統(未圖示)的部分。可選光管道170可為矩形光管道、圓柱形光管道，或用於高效地透射光之任何 其他合適形狀光管道，如在別處所描述。
圖2A至圖2C展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器之橫截面示意圖。在圖2A中，太陽能收集器200包括抛物面反射器210，抛物面反射器210具有第一外緣邊220、反射表面215、頂點230，及抛物面焦點240。第一軸線280沿著頂點230與抛物面焦點240之間的線而延伸。可選光管道270延伸通過抛物面反射器210，如在別處所描述。可選光管道270包括內部反射表面272，及環繞進入口孔隙275之上部緣邊277。太陽能收集器200進一步包括雙曲面反射器250，雙曲面反射器250具有第二外緣邊260、與抛物面焦點240重合之第一焦點，及第二焦點245。第二軸線290沿著包括抛物面焦點240及第二焦點245之線而延伸。在圖2A所示之一特定實施例中，第一軸線280及第二軸線290可重合；然而，圖2A所示之實施例亦可包括通過一平面之太陽能收集器200的視圖，該平面正交於含有用於圖1所示之收集器上之任何一般定位之第一軸線280及第二軸線290的平面，在該狀況下，第一軸線280及第二軸線290僅顯得重合。
抛物面反射器210之第一焦距「F1」為頂點230與抛物面焦點240之間的距離，且雙曲面反射器250之第二焦距「F2」為抛物面焦點240與第二焦點245之間的距離。通常，第一焦距「F1」及第二焦距「F2」之相對量值可具有任何所要關係，且其範圍可為自F1<F2至F1=F2，甚至至F1>F2。F2之相對量值可與進入可選光管道270之光之準直的程度相關，如在別處所描述。在一特定實施例中，較大第二焦距F2對應於較窄準直，亦即，光在第二軸線290之較小角度內發散。
在抛物面反射器210上方的進入口孔隙275之高度「D1」的範圍可為自正值(亦即，進入口孔隙275位於抛物面反射器210與雙曲面反射器250之間，如該圖所示)至負值(亦即，進入口孔隙275位於抛物面反射器210的與雙曲面反射器250相對之處，未圖示)。隨著第一軸線 280移動(例如，通過諸如圖1所示之仰角185的仰角)，在抛物面反射器210上方之高度「D1」將改變。通常，進入口孔隙275可安置於沿著第二軸線290之任何地方，使得自雙曲面反射器250反射且經引導朝向第二焦點245之光通過進入口孔隙275而進入可選光管道270。在一特定實施例(圖示)中，進入口孔隙275安置於抛物面反射器210與雙曲面反射器250之間，且第二焦點245在第二軸線290上經安置成相比於抛物面反射器210更遠離於抛物面焦點240。在光管道270之進入口孔隙275上方的抛物面焦點240之高度「D2」亦可根據需要而變化，且可影響雙曲面反射器250之幾何形狀(例如，「ρmax」，最大寬度)，如在別處所描述。
圖2B展示根據本發明之一態樣的追蹤進入太陽能收集器200之代表性光射線之路徑之示意性橫截面。圖2B所示之元件210至277中每一者對應於先前已描述的圖2A所示之經類似編號元件。來自諸如太陽之來源的輸入光束201包括沿著傳播方向而行進之中心光射線202，及在中心光射線202之輸入準直角θi內行進之邊界光射線203。進入太陽能收集器200且在輸入準直角θi內平行於第一軸線280而行進之光射線204、205、206、207中每一者自抛物面反射器210反射，且經引導朝向抛物面焦點240。光射線204、205、206、207中每一者接著自雙曲面反射器250反射，且經引導朝向第二焦點245，以作為輸出光束291，輸出光束291具有在傳播方向上行進之中心光射線292及在中心光射線292之輸出準直角θo內行進之邊界光射線293。
可在用於輸送光之鏡面排列型管道系統中更有效地使用經相對良好準直之光。隨著陽光被集中，準直角將自陽光之輸入準直半角增加，約1/4度。通常，穿過可選光管道170之集中陽光的準直半角θo應被限定為不大於約30度，或不大於約25度，或不大於約20度。在一特定實施例中，準直角θo可為約23度。追蹤太陽之準確度以及各種光學 組件之準確度(例如，反射葉片之平坦度及置放、抛物面反射器形狀，及雙曲面反射器形狀)皆促成所得準直角θo。舉例而言，旋轉準確度、傾斜角及太陽之方位角可影響輸入光面積對輸出光面積之集中比率及輸出準直半角θo兩者。
圖2C展示根據本發明之一態樣的追蹤進入太陽能收集器200'之代表性光射線之路徑之示意性橫截面。圖2C所示之元件210至277中每一者對應於先前已描述的圖2A所示之經類似編號元件。在圖2C中，第一軸線280係以與水平面所成之仰角φ(亦即，與經垂直定向之第二軸線290所成的角度(90-φ))朝向太陽而傾斜。來自諸如太陽之來源的輸入光束201'包括沿著傳播方向而行進之中心光射線202'，及在中心光射線202'之輸入準直角θi內行進之邊界光射線203'。進入太陽能收集器200'且在輸入準直角θi內平行於第一軸線280而行進之光射線204'、205'、207'中每一者自抛物面反射器210反射，且經引導朝向抛物面焦點240。光射線204'、205'、207'中每一者接著自雙曲面反射器250反射，且經引導朝向第二焦點245，以作為輸出光束291，輸出光束291具有在傳播方向上行進之中心光射線292及在中心光射線292之輸出準直角θo內行進之邊界光射線293。
圖3A展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器300之橫截面示意圖。圖3A所示之元件310至393中每一者對應於先前已描述的圖2A所示之經類似編號元件。舉例而言，圖3A中之抛物面反射器310對應於圖2A中之抛物面反射器210，等等。在圖3A中，第二焦點345及頂點330之相對位置已相對於圖2A所示之位置而改變。第二焦點345經展示為安置於頂點330與第一焦點340之間，且安置於由光管道370之上部緣邊377環繞的進入口孔隙375內。
圖3B展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器300'之橫截面示意圖。圖3A所示之元件310至393中每一者對應於先前已描述的圖2A所 示之經類似編號元件。舉例而言，圖3B中之抛物面反射器310對應於圖2A中之抛物面反射器210，等等。在圖3B中，第二焦點345及頂點330之相對位置已相對於圖2A所示之位置而改變，且環繞光管道370之進入口孔隙375'的上部緣邊377'已定位於頂點330之與第二焦點345不同的側上。第二焦點345仍經展示為安置於頂點330與第一焦點340之間，且經引導朝向第二焦點345之光射線通過進入口孔隙375'而進入光管道370。
圖5展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器500之透視圖。圖5所示之元件510至590中每一者對應於先前已描述的圖1所示之經類似編號元件。舉例而言，圖5中之抛物面反射器510對應於圖1中之抛物面反射器110，等等。在圖5中，已移除可選退出口孔隙132及可選光管道170。集中陽光可經引導朝向安置於第二焦點545附近之能量轉換器件575，諸如，光伏打器件或熱轉換器件。雙曲面反射器550及能量轉換器件575中每一者可分別藉由第一支撐件565及第二支撐件566貼附於適當位置。第一支撐件565及第二支撐件566可起因於同一支撐結構(未圖示)，或起因於不同支撐結構。在一些狀況下，第一支撐件565及第二支撐件566中至少一者可連接至抛物面反射器510圍繞第二軸線590之旋轉595。在一些狀況下，第一支撐件565及第二支撐件566中至少一者可相對於抛物面反射器510圍繞第二軸線590之旋轉595而固定。
圖6展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器600之透視圖。圖6所示之元件610至690中每一者對應於先前已描述的圖1所示之經類似編號元件。舉例而言，圖6中之抛物面反射器610對應於圖1中之抛物面反射器110，等等。在圖6中，可選退出口孔隙632係沿著線631而安置於抛物面反射器610中，線631穿過頂點630且位於包括頂點630及第二軸線690之平面中。在一些狀況下，可選退出口孔隙632可包含對太 陽能輻射透明之材料，諸如，聚合物或玻璃；在一些狀況下，可選退出口孔隙632可為在抛物面反射器610中切割之狹槽。在圖6所示之一特定實施例中，可選退出口孔隙632沿著頂點630與第一外緣邊620之間的線631而延伸，而不與第一外緣邊620相交，使得可適應沿著方位角方向685之任何所要樞轉。
在一特定實施例中，如在別處所描述，太陽能收集器包括大抛物面鏡面及小雙曲面鏡面。抛物線體/雙曲線體收集器擁有圓形退出口孔隙，圓形退出口孔隙之面積相對於抛物線體之孔隙指定該收集器之集中比率。
在一特定實施例中，雙曲線體之第一焦點與抛物線體之焦點重合，第二焦點駐留於退出口孔隙之中心處，且在基底之頂部表面之平面內的雙曲線體之直徑等於退出口孔隙之直徑。此鏡面組態為卡士格冉望遠鏡之組態，且基本光學機能與此等望遠鏡之基本光學機能相同。
對於平行於頂點與抛物面焦點之間的軸線而入射的經完美準直之光，跨越在雙曲面鏡面之半徑與抛物面鏡面之半徑之間的抛物面鏡面之頂部孔隙的所有光將聚焦於退出口孔隙之中心上。在望遠鏡中，入射方向之極小偏差以有序方式映射至退出口孔隙內之焦點的小偏差。對於本集中器，不論在自太陽能盤狀物之入射中存在何種偏差，皆會在退出口孔隙處引起小於此孔隙之半徑的位移。此放寬要求之暗示為在光學元件之製作及置放中所需要之精確度的實質放寬。
已製造鏡面可展現相對於其理想抛物面或雙曲面形式之多種失真。此等失真之量值及性質將取決於所使用之製造材料及方法。抛物面失真之影響對於較低集中比率而言將較小，且不能夠在此精確度上進行熱成型(或以其他方式製作)將會迫使縮減目標集中比率。縮減集中度將需要較小收集器佔據面積(亦即，較少經收集流明)或較大退出 口孔隙(亦即，較大光分佈管道)。
實施本文所描述之偏軸卡士格冉太陽能收集器的挑戰中之一者為支撐抛物面反射器且保護光學組件免於元件。在一些狀況下，太陽能收集器可進一步包括圓柱形形狀外殼、矩形形狀外殼、球形形狀外殼、圓蓋形形狀外殼，或可如在別處所描述而定位及旋轉之任何合適形狀外殼。在一些狀況下，太陽能收集器可代替地具有固定外殼，且可使支撐結構在固定外殼下方旋轉。該外殼可提供保護免於環境，使得太陽能收集器不受到風、雨、冰雹、灰塵、碎片、可使組件降級之UV輻射、可使效能降級之結構變形及其類似者損壞。
在一特定實施例中，可形成清晰抛物面圓蓋，且接著將其反轉且附接至抛物面反射器，從而形成雙抛物線蛤型殼體。清晰圓蓋保護收集器內之反射表面、可提供顯著結構加強，且可被廉價地生產，此係因為清晰圓蓋可使用用以生產反射抛物面表面之相同工具準備。在一些狀況下，雙抛物線蛤型殼體可包括支撐環，例如，經形成為環繞抛物線體之接合外緣邊之環的鋁或其他剛性材料。在一些狀況下，雙抛物線蛤型殼體之抛物線體中每一者可包括自外緣邊延伸之凸緣，使得可藉由將該等凸緣鄰接在一起來附接該兩個抛物線體。
在另一實施例中，大圓蓋可覆蓋整個太陽能收集器。此圓蓋可保護收集器免於元件。較佳地，圓蓋之所有可見光透明部分將由UV阻擋/吸收材料製成，且圓蓋將很可能增加顯著成本，且增加太陽能收集器之實體佔據面積及大小。
在一些狀況下，太陽能收集器系統亦可包括覆蓋抛物面鏡面中之孔隙或狹槽之技術。在一些狀況下，狹槽可由可撓性罩(亦即，附接至抛物線之底部以及基底板或入口管道之可撓性或可變形部件)覆蓋。在一些狀況下，若入口管道未穿透抛物面鏡面，則狹槽可簡單地為允許光穿過及進入該管道之透明區段。此實施例亦可將顯著強度添 加至抛物線，但可需要固持雙曲面光學件或能量轉換器件(諸如，光伏打電池或熱能轉換器件)之替代方法。
圖7A展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器700之透視圖。圖7A所示之元件710至795中每一者對應於先前已描述的圖1所示之經類似編號元件。舉例而言，圖7A中之抛物面反射器710對應於圖1中之抛物面反射器110，等等。太陽能收集器700進一步包括可用以在太陽能收集器700之操作期間有效地追蹤太陽的結構及機構之一特定實施例。
太陽能收集器700包括具有內部反射表面715及第一外緣邊720之抛物面反射器710。可選支撐環722可貼附至外緣邊720，以提供對抛物面反射器710歸因於移動、風及其類似者之變形的抵抗。抛物面反射器710具有特徵可為如下各者之幾何形狀：抛物面焦點740，及延伸於頂點(未圖示)與抛物面焦點740之間的第一軸線780。太陽能收集器700進一步包括雙曲面反射器750，及與抛物面焦點740重合之第一焦點。第二軸線790沿著包括抛物面焦點740及雙曲面反射器750之第二焦點(未圖示)之線而延伸。
在一特定實施例中，第二軸線790可朝向天頂(亦即，垂直於水平面)進行指向；然而，在其他實施例中，第二軸線790可代替地與天頂成任何所要角度或定向進行指向。舉例而言，可朝向建築物側安裝式收集器之水平面引導太陽能收集器700之第二軸線790。第二軸線790之傾斜角可取決於太陽能收集器700之置放，包括(例如)緯度、無阻礙視界、最佳日光照明之持續時間及次數，及其類似者，如在別處所描述。第一軸線780能夠在不移動第二軸線790的情況下沿著方位角方向795圍繞第二軸線790而旋轉。第一軸線780亦能夠沿著仰角方向785而旋轉，仰角方向785圍繞抛物面焦點740而樞轉。在一特定實施例中，第一軸線780可經定位成朝向太陽，使得入射於抛物面反射器710 上且自雙曲面反射器750反射之太陽能輻射在第二軸線790之輸出準直角內傳播，如在別處所描述。
退出口孔隙732可安置於抛物面反射器710中，如在別處所描述，且如圖7A所示，退出口孔隙732為在抛物面反射器710中切割之狹槽732。光管道770係沿著第二軸線790而安置，且延伸通過抛物面反射器710之狹槽732，如圖所示。支撐結構765將雙曲面反射器750貼附至光管道770，使得抛物面焦點740及第二軸線790保持固定且不移動。在圖7A所示之一些狀況下，支撐結構765將雙曲面反射器750貼附至抛物面反射器710之一個旋轉軸線，使得雙曲面反射器750可圍繞第二軸線790而旋轉，如在別處所描述。光管道770包括進入口孔隙775，進入口孔隙775經定位成使得自雙曲面反射器750反射之光通過進入口孔隙775而進入光管道770，且經引導朝向雙曲面反射器750之第二焦點(未圖示)。光管道770可為用於供建築結構照明用之日光分佈系統之光分佈系統(未圖示)的部分。
太陽能收集器700包括基底794，基底794具有可貼附至諸如建築物之脊或側之建築物結構(未圖示)的底部表面796。抛物面反射器710係藉由通過樞轉點788之支撐臂782及可選支撐環722支撐，且可藉由馬達784相對於第一軸線790而旋轉。通過樞轉點788之樞轉線786亦穿過抛物面焦點740，使得第一軸線780沿著仰角方向785之任何旋轉不會改變抛物面焦點740之相對位置。貼附至基底794之旋轉支撐件792再次在不改變抛物面焦點740之相對位置的情況下使抛物面反射器710沿著方位角方向795圍繞第二軸線790而旋轉。
圖7B展示根據本發明之一態樣的受保護太陽能收集器701之側視圖。圖7B所示之元件700至796中每一者對應於先前已描述的圖7A所示之經類似編號元件。舉例而言，圖7B中之抛物面反射器710對應於圖7A中之抛物面反射器710，等等。在圖7B中，受保護太陽能收集器 701包括圖7A之太陽能收集器700及安置於太陽能收集器700上方之可見光透明圓蓋705，可見光透明圓蓋705被提供為保護免於元件。可見光透明圓蓋705可藉由貼附至與如圖所示之基底794相同之建築物表面來保護整個太陽能收集器700，或可貼附至固定基底794之某一部分，或代替地，可見光透明圓蓋705可貼附至旋轉支撐件792。可見光透明圓蓋705僅需要對可見光透明，其中太陽能收集器700經引導朝向太陽以供陽光收集，且在其他區中可由不透明材料製成。應理解，可見光透明圓蓋可為適應太陽能收集器700之運動及定向所必要的任何所要形狀或大小，包括以球形為基礎之圓蓋、以圓柱形為基礎之圓蓋、以多邊形為基礎之圓蓋，及甚至為包括其他平面或彎曲表面之結構，該等表面在未不當地縮減太陽能收集之效率或干擾太陽能收集器700之運動的情況下提供所要保護免於元件。
圖7C展示根據本發明之一態樣的受保護太陽能收集器702之側視圖。圖7C所示之元件700至796中每一者對應於先前已描述的圖7A所示之經類似編號元件。舉例而言，圖7C中之抛物面反射器710對應於圖7A中之抛物面反射器710，等等。在圖7C中，受保護太陽能收集器702包括圖7A之太陽能收集器700，及以蛤型殼體組態而安置於太陽能收集器700之抛物面反射器710上方之可見光透明圓蓋707，可見光透明圓蓋707被提供保護免於元件。可見光透明圓蓋707可保護太陽能收集器700之光學組件，包括(例如)抛物面反射器710、雙曲面反射器750及光管道770(未圖示)。
應理解，可見光透明圓蓋707可為適應太陽能收集器700之運動及定向所必要的任何所要形狀或大小，包括以球形為基礎之圓蓋、以圓柱形為基礎之圓蓋、以多邊形為基礎之圓蓋，及甚至為包括其他平面或彎曲表面之結構，該等表面在未不當地縮減太陽能收集之效率或干擾太陽能收集器700之運動的情況下提供所要保護免於元件。在一 特定實施例中，可使用與抛物面反射器710相同(或相似)之工具準備而以相同抛物面形狀來製作可見光透明圓蓋707。在一些狀況下，可見光透明圓蓋707可使用支撐環722而貼附至抛物面反射器710，如圖所示。在一些狀況下，可見光透明圓蓋707及抛物面反射器710中每一者可進一步包括自每一抛物面形式之外緣邊720延伸的凸緣(未圖示)，且該兩個凸緣可貼附在一起，從而形成蛤型殼體組態。
圖7D展示根據本發明之一態樣的太陽能收集器700'之透視圖。圖7D所示之元件710至796中每一者對應於先前已描述的圖7A所示之經類似編號元件。舉例而言，圖7D中之抛物面反射器710對應於圖7A中之抛物面反射器710，等等。太陽能收集器700'進一步包括可用以在太陽能收集器700'之操作期間有效地追蹤太陽的結構及機構之一特定實施例。
退出口孔隙732'可安置於抛物面反射器710中，如在別處所描述，且如圖7D所示，退出口孔隙732'為安置於抛物面反射器710中之可見光透明窗732'。光管道770'係沿著第二軸線790而安置，且未延伸通過抛物面反射器710之可見光透明窗732'，如圖所示。支撐結構787將雙曲面反射器750貼附至通過樞轉點788之抛物面反射器支撐件782，使得雙曲面反射器750、抛物面焦點740及第二軸線790保持固定，且不會隨著抛物面反射器710旋轉至不同仰角而移動。
在一些狀況下，可見光透明窗732'可為抛物面反射器710中之敞開式狹槽，如在別處所描述。在一特定實施例中，可見光透明窗732'可代替地為不具有反射表面715的抛物面反射器710之固體部分。在一些狀況下，可(諸如)藉由蝕刻金屬反射器或移除黏附膜反射器而自可見光透明窗732'之區域移除反射表面715。在一些狀況下，可自可見光透明窗732'之區消除反射表面715之施加。可較佳的是使可見光透明窗732'為抛物面反射器710的固體、透明且相連之部分。
光管道770'包括進入口孔隙775'，進入口孔隙775'經定位成使得自雙曲面反射器750反射之光通過進入口孔隙775'而進入光管道770'，且經引導朝向雙曲面反射器750之第二焦點(未圖示)。光管道770'可為用於供建築結構照明用之日光分佈系統之光分佈系統(未圖示)的部分。
太陽能收集器700'包括基底794，基底794具有可貼附至諸如建築物之脊或側之建築物結構(未圖示)的底部表面796。抛物面反射器710係藉由通過樞轉點788之支撐臂782及可選支撐環722支撐，且可藉由馬達(未圖示)相對於第一軸線790而旋轉。貼附至基底794之旋轉支撐件792在不改變抛物面焦點740之相對位置的情況下使抛物面反射器710沿著方位角方向795圍繞第二軸線790而旋轉。
可使用在別處針對太陽能收集器700所描述且亦如圖7B及圖7C所示之技術中任一者來保護太陽能收集器700'免於元件。在一些狀況下，太陽能收集器700'之組態可提供優越保護免於元件，此係因為可保護抛物面反射器710及雙曲面反射器750兩者免於通過太陽能收集器700所示之敞開式狹槽732的污染。
以下為本發明之實施例清單。
項目1為一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；及一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；其中該第一軸線可在不移動該第二軸線的情況下以一仰角及一方位角而對準，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。
項目2為項目1之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該雙曲面反射 器及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
項目3為項目1或項目2之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器隨著該第一軸線對準於該方位角而保持靜止。
項目4為項目1至項目3之太陽能收集器，其進一步包含一退出口孔隙，該退出口孔隙係沿著穿過該抛物面反射器之該頂點的一線而安置於該抛物面反射器中。
項目5為項目1至項目4之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
項目6為項目1至項目5之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能輻射透明之一材料。
項目7為項目1至項目6之太陽能收集器，其進一步包含一光管道，該光管道係沿著該第二軸線而安置且能夠接受在該第二軸線之該輸出準直角內傳播的太陽能輻射。
項目8為項目1至項目7之太陽能收集器，其中該光管道為具有一輸入孔隙之一中空反射光管道。
項目9為項目7或項目8之太陽能收集器，其中該光管道包括經安置成緊接於該第二焦點之一輸入孔隙。
項目10為一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可在不移動該雙曲面反射器或該光管道的情況下以一仰角及一方位角而對準。
項目11為項目10之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至 該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
項目12為項目10或項目11之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能輻射透明之一材料。
項目13為項目10至項目12之太陽能收集器，其中該第二焦點緊接於該光管道之一輸入孔隙。
項目14為項目10至項目13之太陽能收集器，其中該第二焦點係在該光管道內。
項目15為項目10至項目14之太陽能收集器，其中該光管道延伸通過該退出口孔隙。
項目16為項目10至項目15之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該光管道。
項目17為項目10至項目16之太陽能收集器，其中該第一軸線係朝向太陽而對準。
項目18為項目10至項目17之太陽能收集器，其中該光管道包含一反射中空光管道。
項目19為項目10至項目18之太陽能收集器，其中該第一軸線之一第一準直半角內的一輸入光射線自該抛物面反射器反射、自該雙曲面反射器反射，且在該第二軸線之一第二準直半角內經引導至該光管道中。
項目20為項目19之太陽能收集器，其中對於約0.25度之一第一準直半角，該第二準直半角包含高達約30度之一角度。
項目21為一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二 軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可以一仰角及一方位角而對準，且該雙曲面反射器及該光管道中至少一者圍繞該第二軸線而旋轉。
項目22為項目21之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
項目23為項目21或項目22之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能輻射透明之一材料。
項目24為項目21至項目23之太陽能收集器，其中該第二焦點緊接於該光管道之一輸入孔隙。
項目25為項目21至項目24之太陽能收集器，其中該第二焦點係在該光管道內。
項目26為項目21至項目25之太陽能收集器，其中該光管道延伸通過該退出口孔隙。
項目27為項目21至項目26之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該光管道。
項目28為項目21至項目27之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該雙曲面反射器及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
項目29為項目21至項目28之太陽能收集器，其中該光管道貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該光管道及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
項目30為項目21至項目29之太陽能收集器，其中該第一軸線係朝向太陽而對準。
項目31為項目21至項目30之太陽能收集器，其中該光管道包含一反射中空光管道。
項目32為項目21至項目31之太陽能收集器，其中該第一軸線之 一第一準直半角內的一輸入光射線自該抛物面反射器反射、自該雙曲面反射器反射，且在該第二軸線之一第二準直半角內經引導至該光管道中。
項目33為項目32之太陽能收集器，其中對於約0.25度之該第一準直半角，該第二準直半角包含高達約30度之一角度。
項目34為一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一狹槽，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一中空反射光管道，其係沿著該第二軸線而安置且延伸通過該狹槽；其中該抛物面反射器可經旋轉成使得該第一軸線在不移動該第二軸線的情況下以一仰角及一方位角而對準於太陽，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射進入該中空反射光管道且在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。
項目35為一種建築結構照明系統，其包含項目1至項目34之太陽能收集器。
項目36為項目35之建築結構照明系統，其進一步包含光分佈管道。
項目37為項目35之建築結構照明系統，其進一步包含一電光源，該電光源能夠將光射入至該等光分佈管道中。
項目38為項目35至37之建築結構照明系統，其進一步包含一保護外殼。
項目39為項目38之建築結構照明系統，其中該保護外殼包含至少部分地環繞該太陽能收集器之一可見光透明圓蓋。
項目40為項目38或項目39之建築結構照明系統，其中該保護外 殼包含以一蛤型殼體組態而貼附至該抛物面反射器之一可見光透明圓蓋。
項目41為項目40之建築結構照明系統，其中該可見光透明圓蓋包含一抛物線體。
項目42為項目40或項目41之建築結構照明系統，其進一步包含一支撐環，該支撐環經安置成鄰近於該抛物面反射器及該可見光透明圓蓋。
實例
圖4展示根據本發明之一態樣的與太陽能收集器雙曲線體450相關聯之參數。雙曲線體450可為圖1至圖6所示之雙曲面反射器(150、250、350、550、650)中任一者。太陽能收集器之在圖4中未圖示之參數包括：抛物面鏡面之直徑及焦距、抛物線中之狹槽(亦即，退出口孔隙)的寬度，及此鏡面之反射率；雙曲面鏡面之反射率；以及管道之直徑及內部反射率，及管道之進入口孔隙的垂直位置。狹槽允許抛物線之光軸指向水平線(0°太陽仰角)與天頂(90°太陽仰角)之間的任何地方。抛物線圍繞管道之中心線旋轉以追蹤太陽方位角不會引起收集器之組態或光學效能的改變。
已經由射線示蹤模擬而評估此實例設計及其他實例設計之收集能力。通常應理解，在大卡士格冉光學器件之製作中的最大挑戰為抛物面鏡面之精確度。按照此挑戰，吾人之模擬包括隨著射線自抛物線反射在射線之方向上的參數隨機抖動。該抖動之特徵為圍繞確切鏡面方向均一地且隨機地填充之方向錐的半角。試驗60吋(1.524 m)直徑熱成型鏡面之雷射特性化指示半角小至0.50度的可能性。除非另有陳述，否則所有模擬結構包括0.50度抖動以及直接太陽能亮度之0.25度發散角的效應。
與實例相關聯之參數包括(參看圖1及圖2A)：由熱成型增強型鏡 面反射膜R=0.98(可購自3M Company之VikuitiTM ESR膜)製成之60吋(1.524 m)直徑抛物面反射器110、15吋(38.1 cm)焦距F1(引起f/0.25)、0.50度反射抖動，及6吋(15.24 cm)寬退出口孔隙132。光管道為具有定位於第二焦點145處之進入口孔隙175之6吋(15.24 cm)直徑ESR排列型管道，相似於圖3A所示之組態。
如圖4所示，雙曲面反射器450之直徑為12吋(30.48 cm)(亦即，ρmax=6吋(15.24 cm))。抛物面焦點440與第二雙曲面焦點445之間的焦點分離度F2為10吋(25.4 cm)，其中φ=135度。將雙曲線模型化為具金屬性，其中反射率R=0.95。實例中所使用之雙曲面表面的方程式可由下式給出：
其中，在給出參數ρmax、F2及ψ的情況下：
太陽仰角為影響收集器之效能的最顯著可預測操作因數(而不可預測操作因數包括(例如)雲蔽及霧)。在雙曲線之受光角(例如，135度)內接近抛物線及雙曲線之共同焦點的自抛物線反射之光的分率隨著太陽仰角增加而增加。在忽略太陽能發散及抛物面抖動的情況下，對於大於45度之太陽仰角，所有光將在受光角內。在日出及日落附近出現稍微減損效率，且自上午的中段時間至下午的中段時間出現近最大效率。在白天開始及結束附近的減損效率之型樣適宜地匹配於在此 等週期期間藉由減損太陽能入射調節之人類預期。
此實例中所考慮之f/0.25抛物線圍繞其焦點之旋轉隨著其追蹤太陽而最小化所掃視之體積。此情形對於將收集器置放於擁擠脊頂上而言係有利的，且最小化用以收容收集器之機殼的大小、重量及成本。
表1中之資料概述上文所描述之太陽能收集器的效能。表1中之第二行及第三行表列依據太陽仰角之預測效率。該效率經定義為退出管道片段之發光通量，其係相對於跨越垂直於太陽能入射而定向的直徑Dparabola=60吋之未閉合盤狀物的發光通量而描繪。報告兩個值，其被標記為「軸上(on-axis)」及「總計(total)」。軸上效率僅計數在管道軸線之30度內退出的通量。總計效率計數所有向下傳播通量。軸上通量與偏軸(偏軸=總計-軸上)通量之間的區別在日光照明方面與(例如)輸送管道中之通量衰減及來自照明器具之發射中之眩光出現有關。軸上效率及總計效率之近乎相等指示出收集器之輸出係幾乎完全地在軸上，此係較佳的。
第四行表列相對於90度仰角處之衰減的直接太陽能亮度之大氣衰減。在不存在雲及霧的情況下，可使用已知參數容易地計算跨越垂直於太陽能入射而定向的直徑Dparabola之盤狀物的直接太陽能通量。
最終行表列由收集器輸出之預測發光通量，其係根據下文所示之公式予以評估。輸出通量為1)上文所描述的可用於收集器之通量，乘以2)收容收集器之實例清晰圓蓋的透射率(被設定至83%透射率)，乘以3)收集器之軸上效率，乘以4)管道片段之端部處的建築物之脊中之窗(亦即，定位於進入口孔隙處，且具有遍及太陽能光譜而求平均的96%之透射率)的透射率。此情形提供收集器向日光照明系統之輸送及分佈組件提供之軸上通量。
可藉由改變雙曲線之焦點分離度來調整輸出之準直，而不顯著地變更效率。詳言之，可藉由增加焦點分離度來增加準直，以便縮減在長輸送運轉時之通量衰減。
日光照明系統之分佈組件通常青睞於在其入口處的亮度之角分佈，該角分佈相比於由主題收集器輸出之角分佈較不準直。經由與管道之周界之相互作用而提取光需要射線與該周界之重複相交。此等情形隨著射入通量之準直減低而更頻繁地發生。又，在擾動之後藉由提取或重新引導來重新平衡管道內之通量隨著準直減低而遍及較短距離發生。許多分佈系統經設計成自經準直人工來源接受通量。通常，需要針對較大輸送距離而具有較小準直角，且接著改變光輸送以具有用於自管道提取光之較大準直角。
應理解，可在本發明之範疇內變更收集器設計之其他細節以達成所要效應，諸如，較高效率或較緊準直。此等細節包括(例如)：出口管道之直徑；入口孔隙之垂直置放；抛物面鏡面、雙曲面鏡面及管道之反射率；及雙曲線直徑、焦距及受光角。該等細節亦包括歸因於 可減損效能之不可避免的製作不完美性(諸如，相對置放及定向誤差，或增加抛物面抖動)而造成之改變。應認識到，藉由上文所考慮之兩個詳細設計而實現的效率(高達0.819)充分地接近效率之理論最大值而建議經收集通量超出120,000流明之最大值的實質增加可僅在較大抛物線的情況下係可能的。
除非另有指示，否則本說明書及申請專利範圍中所使用的表達特徵大小、量及物理性能之所有數字應被理解為由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則前述說明書及附加申請專利範圍中所闡述之數值參數為可取決於由熟習此項技術者利用本文所揭示之教示來設法獲得之所要性能而變化的近似值。
本文所引用之所有參考案及公開案的全文在本文中係以引用方式明確地併入至本發明中，惟在該等參考案及公開案可與本發明直接抵觸的程度上除外。雖然本文已說明及描述特定實施例，但一般熟習此項技術者應瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下，多種替代及/或等效實施可取代所展示及描述之特定實施例。本申請案意欲涵蓋本文所論述之特定實施例之任何調適或變化。因此，希望本發明僅受到申請專利範圍及其等效者限制。
700‧‧‧太陽能收集器
710‧‧‧抛物面反射器
715‧‧‧內部反射表面
720‧‧‧第一外緣邊
722‧‧‧可選支撐環
732‧‧‧退出口孔隙/敞開式狹槽
740‧‧‧抛物面焦點
750‧‧‧雙曲面反射器
765‧‧‧支撐結構
770‧‧‧光管道
775‧‧‧進入口孔隙
780‧‧‧第一軸線
782‧‧‧支撐臂/抛物面反射器支撐件
784‧‧‧馬達
785‧‧‧仰角方向
786‧‧‧樞轉線
788‧‧‧樞轉點
790‧‧‧第二軸線
792‧‧‧旋轉支撐件
794‧‧‧基底
795‧‧‧方位角方向
796‧‧‧底部表面

Claims (42)

  1. 一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；及一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；其中該第一軸線可在不移動該第二軸線的情況下以一仰角及一方位角而對準，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。
  2. 如請求項1之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該雙曲面反射器及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
  3. 如請求項1之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器隨著該第一軸線對準於該方位角而保持靜止。
  4. 如請求項1之太陽能收集器，其進一步包含一退出口孔隙，該退出口孔隙係沿著穿過該抛物面反射器之該頂點的一線而安置於該抛物面反射器中。
  5. 如請求項4之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
  6. 如請求項4之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能輻射透明之一材料。
  7. 如請求項1之太陽能收集器，其進一步包含一光管道，該光管道係沿著該第二軸線而安置且能夠接受在該第二軸線之該輸出準 直角內傳播的太陽能輻射。
  8. 如請求項7之太陽能收集器，其中該光管道為具有一輸入孔隙之一中空反射光管道。
  9. 如請求項7之太陽能收集器，其中該光管道包括經安置成緊接於該第二焦點之一輸入孔隙。
  10. 一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可在不移動該雙曲面反射器或該光管道的情況下以一仰角及一方位角而對準。
  11. 如請求項10之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
  12. 如請求項10之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能輻射透明之一材料。
  13. 如請求項10之太陽能收集器，其中該第二焦點緊接於該光管道之一輸入孔隙。
  14. 如請求項10之太陽能收集器，其中該第二焦點係在該光管道內。
  15. 如請求項10之太陽能收集器，其中該光管道延伸通過該退出口孔隙。
  16. 如請求項10之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該光管道。
  17. 如請求項10之太陽能收集器，其中該第一軸線係朝向太陽而對準。
  18. 如請求項10之太陽能收集器，其中該光管道包含一反射中空光管道。
  19. 如請求項10之太陽能收集器，其中該第一軸線之一第一準直半角內的一輸入光射線自該抛物面反射器反射、自該雙曲面反射器反射，且在該第二軸線之一第二準直半角內經引導至該光管道中。
  20. 如請求項19之太陽能收集器，其中對於約0.25度之該第一準直半角，該第二準直半角包含高達約30度之一角度。
  21. 一種太陽能收集器，其包含：一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一退出口孔隙，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一光管道，其係沿著該第二軸線而安置；其中該第一軸線可以一仰角及一方位角而對準，且該雙曲面反射器及該光管道中至少一者圍繞該第二軸線而旋轉。
  22. 如請求項21之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含延伸至該抛物面反射器之一緣邊的一狹槽。
  23. 如請求項21之太陽能收集器，其中該退出口孔隙包含對太陽能 輻射透明之一材料。
  24. 如請求項21之太陽能收集器，其中該第二焦點緊接於該光管道之一輸入孔隙。
  25. 如請求項21之太陽能收集器，其中該第二焦點係在該光管道內。
  26. 如請求項21之太陽能收集器，其中該光管道延伸通過該退出口孔隙。
  27. 如請求項21之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該光管道。
  28. 如請求項21之太陽能收集器，其中該雙曲面反射器貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該雙曲面反射器及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
  29. 如請求項21之太陽能收集器，其中該光管道貼附至該抛物面反射器，使得隨著該第一軸線對準於該方位角，該光管道及該第一軸線集體地圍繞該第二軸線而旋轉。
  30. 如請求項21之太陽能收集器，其中該第一軸線係朝向太陽而對準。
  31. 如請求項21之太陽能收集器，其中該光管道包含一反射中空光管道。
  32. 如請求項21之太陽能收集器，其中該第一軸線之一第一準直半角內的一輸入光射線自該抛物面反射器反射、自該雙曲面反射器反射，且在該第二軸線之一第二準直半角內經引導至該光管道中。
  33. 如請求項32之太陽能收集器，其中對於約0.25度之該第一準直半角，該第二準直半角包含高達約30度之一角度。
  34. 一種太陽能收集器，其包含： 一抛物面反射器，其具有一頂點、一抛物面焦點，及在該頂點與該抛物面焦點之間的一第一軸線；一雙曲面反射器，其具有與該抛物面焦點重合之一第一焦點、一第二焦點，及包括該第一焦點及該第二焦點之一第二軸線；一狹槽，其安置於該抛物面反射器中且安置於由該第一軸線及該第二軸線界定之一平面上；及一中空反射光管道，其係沿著該第二軸線而安置且延伸通過該狹槽；其中該抛物面反射器可經旋轉成使得該第一軸線在不移動該第二軸線的情況下以一仰角及一方位角而對準於太陽，使得入射於該抛物面反射器上且自該雙曲面反射器反射之太陽能輻射進入該中空反射光管道且在該第二軸線之一輸出準直角內傳播。
  35. 一種建築結構照明系統，其包含如請求項1、請求項11、請求項21或請求項34之太陽能收集器。
  36. 如請求項35之建築結構照明系統，其進一步包含光分佈管道。
  37. 如請求項36之建築結構照明系統，其進一步包含一電光源，該電光源能夠將光射入至該等光分佈管道中。
  38. 如請求項35之建築結構照明系統，其進一步包含一保護外殼。
  39. 如請求項38之建築結構照明系統，其中該保護外殼包含至少部分地環繞該太陽能收集器之一可見光透明圓蓋。
  40. 如請求項38之建築結構照明系統，其中該保護外殼包含以一蛤型殼體組態而貼附至該抛物面反射器之一可見光透明圓蓋。
  41. 如請求項40之建築結構照明系統，其中該可見光透明圓蓋包含一抛物線體。
  42. 如請求項40之建築結構照明系統，其進一步包含一支撐環，該支撐環經安置成鄰近於該抛物面反射器及該可見光透明圓蓋。
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