專利名稱：光集中器結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域。并且，本發(fā)明屬于對(duì)諸如日光的電磁能量的集中有用的光 學(xué)結(jié)構(gòu)和技術(shù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在對(duì)文獻(xiàn)、法案或知識(shí)項(xiàng)目進(jìn)行參考或討論的本說(shuō)明書中，此參考或討論不是承 認(rèn)該文獻(xiàn)、法案或知識(shí)項(xiàng)目或其任何組合在優(yōu)先權(quán)日時(shí)可公開(kāi)獲得、為公眾所知、是公共 常識(shí)的一部分、或根據(jù)可適用法律規(guī)定以其他方式構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)；或已知其與解決本說(shuō)明 書所涉及的任何問(wèn)題的嘗試有關(guān)。日光集中器(concentrator)可以包括光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)擁有大于其出口 孔徑的入口孔徑，其被設(shè)計(jì)為將日光集中到小于入口孔徑面積的目標(biāo)區(qū)域上。技術(shù)術(shù) 語(yǔ)“孔徑”指的是收集或聚集入射能量或日光的有效面積、以及在其上接收集中能量或日 光的有效面積。入口孔徑的面積Aa與目標(biāo)孔徑的面積At的比定義系統(tǒng)的幾何集中比 (concentrationratio)Cg,即Cg = Kjkto在歷史上，已經(jīng)使用具有比光的波長(zhǎng)大得多的特 征尺寸的幾何光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了日光集中器，并且其根據(jù)幾何或射線光學(xué)的原理操作。這些 光學(xué)元件本質(zhì)上是反射性或折射性的。反射日光集中器典型地由具有曲面(例如球形彎曲或拋物線形彎曲)的反射鏡形 成，諸如一級(jí)三維(即點(diǎn)聚焦)共軸橢圓拋物線集中器，其由以回轉(zhuǎn)拋物面的形狀形成的反 射鏡組成，即由(x/a)2+ (y/b) 2-z = 0來(lái)描述反射鏡的曲率；其中，a = b，或者二維(即線聚 焦)共軸拋物線線性集中器，其由這樣的反射鏡組成，該反射鏡具有回轉(zhuǎn)拋物面的二維橫 截面形狀，該回轉(zhuǎn)拋物面沿著ζ軸切割并縱向地突出而形成槽。有時(shí)，使用平面(即平坦) 鏡陣列來(lái)近似曲面鏡。折射集中器通常依賴于球面透鏡或非球面透鏡或其近似物。如圖1 2A所示，這 些透鏡是常規(guī)曲面透鏡10，或者階梯或菲涅耳透鏡20。這些透鏡用來(lái)使日光30聚焦或集 中到點(diǎn)或線。常規(guī)透鏡由具有比空氣的折射率大的折射率(即η > 1. 0003)的固體光學(xué)透 明介質(zhì)組成。典型地，利用諸如熔融石英玻璃(η = 1.459)或聚碳酸酯塑料(諸如Lexan (η =1.586))的材料。階梯或菲涅耳透鏡具有與常規(guī)透鏡的厚度相比減小的厚度。在傳統(tǒng)的 成像菲涅耳透鏡20中，通過(guò)將連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)透鏡表面劃分成一組不連續(xù)棱柱曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)厚 度減小，每個(gè)棱柱曲面具有與其近似的常規(guī)透鏡表面的片段相同的曲率。典型地使用與常 規(guī)透鏡相同的材料來(lái)制造階梯或菲涅耳透鏡。曲面鏡、用來(lái)近似曲面鏡的平面鏡陣列、以及透鏡通過(guò)幾何光學(xué)原理操作。曲面鏡 具有取決于其表面的曲率半徑的焦距f，典型地f是曲率半徑的二分之一。平面鏡陣列具有 取決于由其相對(duì)于彼此的物理放置形成的虛擬曲線的半徑的有效焦距。常規(guī)透鏡具有取決 于其入口和出口表面的曲率半徑、透鏡材料的折射率η、和透鏡材料的物理厚度的焦距。另外，如果必需的陣列冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，則射到諸如光生伏打電池陣列的太陽(yáng) 能陣列上的集中太陽(yáng)能可能由于過(guò)熱而導(dǎo)致對(duì)電池的災(zāi)難性且不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)某些方面，本發(fā)明提供了解決常規(guī)集中器和陣列所擁有的一個(gè)或多個(gè)上述問(wèn) 題的結(jié)構(gòu)、裝置和技術(shù)。因此，根據(jù)一方面，本發(fā)明提供一種用于使入射電磁能量集中到近似線的高度偏 心橢圓中的裝置，該裝置包括至少一個(gè)光學(xué)部件，包括折射部件或反射部件；至少一個(gè)衍 射部件，該衍射部件包括多個(gè)衍射元件，所述衍射元件被構(gòu)造和布置為對(duì)入射電磁能量進(jìn) 行衍射和均化。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種裝置，該裝置包括至少一個(gè)部件，其適合于在正 常工作溫度期間接收入射在其上的電磁能量；以及熱激活安全機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被配置和布置 為在達(dá)到預(yù)定最高溫度后從入射電磁能量的路徑中去除所述至少一個(gè)部件或阻止電磁能 量到達(dá)所述至少一個(gè)部件。


圖1是常規(guī)構(gòu)造的曲面光學(xué)元件的剖視圖。圖2A是常規(guī)構(gòu)造的菲涅耳光學(xué)元件的剖視圖。圖2B是可以結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的某些方面構(gòu)造的裝置利用的非成像菲涅耳透鏡或 光學(xué)元件的剖視圖。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一方面形成的示例性裝置的透視示意圖。圖3B是圖3A的區(qū)域3B的特寫部分透視示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的其它方面形成的示例性裝置的透視示意圖。圖5是在關(guān)閉或停機(jī)狀態(tài)下示出的、根據(jù)本發(fā)明的一方面構(gòu)造的安全機(jī)構(gòu)的示意 圖。圖6是在打開(kāi)或操作狀態(tài)下示出的圖5的安全機(jī)構(gòu)的示意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的任選實(shí)施例形成的安全機(jī)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)某些實(shí)施例，本發(fā)明包括利用衍射元件、衍射和反射光學(xué)元件、衍射和折射光 學(xué)元件、或衍射、反射、和折射光學(xué)元件的組合而實(shí)現(xiàn)的非成像型二維、或線聚焦電磁能量 集中器。這些裝置的一種可能使用是收集在陸地環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的環(huán)境自然日光(即1太陽(yáng)集 中級(jí))并使所述自然日光加強(qiáng)或“集中”至非常高的強(qiáng)度或在20至200的量級(jí)、乃至更高 的。值。本文所使用的“在…量級(jí)”意指具有相同的幅值水平或相同的10的冪。因此，根 據(jù)其它方面，本發(fā)明被構(gòu)造為使日光加強(qiáng)或集中至約20至200的Cg值或強(qiáng)度。提供上述 集中或強(qiáng)度水平的本發(fā)明的裝置可以與例如單軸方位角或雙軸極坐標(biāo)太陽(yáng)跟蹤裝置相結(jié) 合地使用。然后，可以使用此集中日光來(lái)照射光生伏打電池以便產(chǎn)生電?？蛇x地，可以使用集 中日光來(lái)照射被設(shè)計(jì)為捕捉從紫外線到遠(yuǎn)紅外線的寬電磁譜的無(wú)源吸收器?？梢詫⒋祟惒?捉能量用于多種目的，特別是諸如使水加熱或過(guò)熱以便與電解器相結(jié)合地用來(lái)產(chǎn)生氫氣、 使水或諸如油的另一工作流體加熱或過(guò)熱以便間接地產(chǎn)生電、使水加熱以便直接使用或消
5耗、或用于通過(guò)各種熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)中的任何一種來(lái)直接產(chǎn)生電。在可替換的實(shí)施例中，本發(fā)明還可以用來(lái)使日光集中至低集中度或在< 20的量 級(jí)的Cg值，例如在2. 0的量級(jí)的Cg值。根據(jù)本發(fā)明的其它方面，可以將裝置構(gòu)造為使日光 集中至低集中度或約< 20的Cg值，例如約2. 0的Cg值。產(chǎn)生這些相對(duì)較低日光集中度水 平的裝置典型地沒(méi)有復(fù)雜和/或昂貴的跟蹤系統(tǒng)。因此，根據(jù)本發(fā)明的原理形成的此類裝 置可能更適合用于直接消費(fèi)者應(yīng)用，諸如預(yù)計(jì)用于家庭安裝的太陽(yáng)能陣列。本發(fā)明可以利用衍射形成物(formation)或元件，以及包括此類形成物或元件的 衍射部件，具體而言是模擬全息光成形表面漫射器(diffuser)、數(shù)字(即計(jì)算機(jī)生成的)全 息圖、和/或開(kāi)諾全息照片(kinoform)，以使落在地面上的光成形為近似線的具有高偏心 率的均化橢圓。在歷史上，日光集中器或有時(shí)所說(shuō)的太陽(yáng)能集中器僅僅依賴于諸如反射鏡 的反射光學(xué)元件、或諸如透鏡的折射光學(xué)元件來(lái)執(zhí)行集中任務(wù)。通?？梢员碚鳛檠苌洳考氖纠谋砻媛淦骱蛿?shù)字全息圖/開(kāi)諾全息照片可 以具有在光波長(zhǎng)量級(jí)的衍射形成物或元件尺寸，并根據(jù)物理或波動(dòng)光學(xué)的原理作為非成像 光學(xué)元件操作。這些衍射形成物或元件(例如105)典型地具有在20 μ m或以下量級(jí)的厚 度、?？蛇x地，衍射形成物或元件可以具有約20μπι或以下的厚度tp通過(guò)衍射過(guò)程，在 進(jìn)入日光的波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)的距離內(nèi)發(fā)生進(jìn)入日光的快速成形。相比之下，在典型地為數(shù)毫 米、數(shù)厘米、乃至數(shù)分米的距離內(nèi)發(fā)生通過(guò)折射透鏡進(jìn)行的入射日光的彎曲或成形，此距離 對(duì)應(yīng)于光學(xué)元件的三個(gè)、四個(gè)、乃至五個(gè)數(shù)量級(jí)的更大厚度。此減小的衍射元件體積意味 著衍射元件不僅僅薄得多，而且重量更輕且制造更便宜，因?yàn)榭梢杂酶咚?、低成本卷繞式 (roll-to-roll)制造技術(shù)將其制成為“光學(xué)膜”。此類衍射部件可以由任何適當(dāng)?shù)牟牧闲?成。僅僅出于說(shuō)明的目的，適當(dāng)?shù)牟牧峡梢园ň厶妓狨ァ⒕垡蚁?、丙烯酸樹?即聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA))、硅酮、或玻璃。包括上述衍射形成物或元件的衍射部件(例如110)可 以具有任何適當(dāng)?shù)暮穸萾2。例如，衍射部件可以具有在250μπι或以下量級(jí)的厚度t2?？蛇x 地，本發(fā)明的衍射部件可以具有約250μπι的厚度t2。除這些期望性質(zhì)之外，包括本發(fā)明的日光集中器裝置能夠收集擴(kuò)散的、或間接的 入射日光?，F(xiàn)有成像型日光集中器要求法向或近法向入射(即直接)日光以進(jìn)行操作，因 為其在其輸出目標(biāo)區(qū)域處產(chǎn)生很小、有時(shí)細(xì)長(zhǎng)的太陽(yáng)圖像。進(jìn)入此類成像光學(xué)系統(tǒng)的甚至 與法向入射離軸幾十度的日光將不會(huì)在目標(biāo)平面處被成像(聚焦)，因此不以任何可用的 形式被“集中”?；诜浅上裥凸鈱W(xué)器件的本發(fā)明能夠接受與法向離軸高達(dá)幾十度的擴(kuò)散日 光并以使得可以以有用形式對(duì)此類離軸日光進(jìn)行收集、集中和均化的方式使所述日光向前 重定向通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“被均化”或“均化(homogenization) ”是與其在光學(xué)領(lǐng)域背景 下的普通和一般意義相符地使用的。因此，均化指的是在能量或光到達(dá)目標(biāo)區(qū)域之前其強(qiáng) 度和波長(zhǎng)的重大變化的減小或消除。本發(fā)明的這方面提供某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和益處。以此類 均化為特征的根據(jù)本文所述的本發(fā)明的原理構(gòu)造的裝置可以有利地消除“熱點(diǎn)”，該熱點(diǎn)降 低可以將集中光或能量引導(dǎo)到的光生伏打元件的效率。通過(guò)均化，撞擊目標(biāo)區(qū)域或光生伏 打元件的光或能量在強(qiáng)度上更均勻，并且還消除或至少改善了由于光的單獨(dú)波長(zhǎng)被光學(xué)元 件略有不同地折射而發(fā)生的諸如“彩虹效應(yīng)”的像差修正，從而改進(jìn)了可以將集中能量或光 引導(dǎo)到其上的光生伏打元件的效率。
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本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是防止部分地遮蔽日光集中器單元的輸入的陰影嚴(yán)重影響集 中器單元的輸出。這是由有效地減弱諸如鳥或葉子等遮擋日光的不透明(或基本不透明) 對(duì)象的陰影的衍射光學(xué)元件而實(shí)現(xiàn)的。此“減弱陰影”效應(yīng)發(fā)生的原因在于入射在鄰近于 被陰影遮擋的那些部分的衍射光學(xué)元件部分上的光被擴(kuò)散、或散開(kāi)至否則將由于強(qiáng)陰影的 存在而完全遮蔽的目標(biāo)上的區(qū)域。因此，雖然減少了到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的集中日光的總量，但將 不存在完全阻止日光到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的片段的強(qiáng)陰影。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例在圖3A-3B中示出。裝置100包括二維或二級(jí)集中器104。 二級(jí)集中器104包括衍射部件110和折射光學(xué)部件120。電磁能量E可能以顯著不同于法 向或直接入射的角度到達(dá)折射光學(xué)部件120。此類角度例如在圖3A示出為Φ和Ψ。角Φ 是橫截面受光半角，換言之為入射光或電磁能量可以以其被接收到集中器104的入口孔徑 中的半角或半角范圍。角Ψ是垂直受光半角，換言之為沿著折射光學(xué)元件120的長(zhǎng)度測(cè)量 的、入射光或電磁能量可以以其被接收到集中器104的入口孔徑中的半角或半角范圍，且 其與橫截面受光半角成90°或垂直于橫截面受光半角。根據(jù)本發(fā)明，可以將裝置100構(gòu)造 為向集中器104提供任何適當(dāng)范圍的受光角Φ和Ψ。根據(jù)某些所示實(shí)施例，Φ可以約為 0-25° (高達(dá)+/-25° )，并且Ψ可以約為0-35° (高達(dá)+/-35° )。這還允許集中器104 繼續(xù)在除完全晴朗的天空之外的環(huán)境條件下操作。另外，集中器104不必精確地跟蹤太陽(yáng) 跨越天空的視在運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上，在低集中比(例如Cg<20)下，集中器104可以保持處于固 定位置，從而避免復(fù)雜和/或昂貴的跟蹤機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)的必要性。衍射部件110可以包括光學(xué)透明的基底，微觀衍射元件105駐留于該基底上面。被 全息記錄、印刻、模壓、鑄造、蝕刻或以其他方式附著于該基底的這些微觀衍射形成物或元 件105用于以受控方式衍射進(jìn)入的能量E，使得進(jìn)入的日光被集中成橢圓射束140 (未示出 其整個(gè)長(zhǎng)度)。衍射元件105可以采取任何適當(dāng)?shù)男问剑⑶也幌抻谑疽庑允境龅乃九?置。因此，衍射元件105可以采取隨機(jī)非周期性結(jié)構(gòu)的形式，其可以是或可以不是通 常以優(yōu)選方向取向?？梢砸员绢I(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉的方式用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生此類衍射元 件。參見(jiàn)例如 Brent D. Johnson 在 photonics. com、2003 年 6 月的"Holography Offers Eye-Safe IRNetworking，，(http://www.photonics, com/content/spectra/2003/June/ applications/65754, aspx)，其通過(guò)引用結(jié)合到本文中。根據(jù)所示實(shí)施例，折射光學(xué)部件120可以包括成形的非成像菲涅耳透鏡?？梢岳?用任何適當(dāng)?shù)恼凵洳考?。因此，例如，圖2B所示的非成像曲面型式的菲涅耳透鏡25表示適 當(dāng)折射部件120的一個(gè)說(shuō)明性示例。折射光學(xué)部件120可以位于與衍射部件110相距預(yù)定距離Cl1的位置處，所述預(yù)定 距離Cl1標(biāo)稱上在50cm的量級(jí)。根據(jù)可選方面，距離Cl1可以約為50cm。衍射光學(xué)部件110 用于進(jìn)一步使能量150均化成近似線的均勻分散的橢圓射束140，其以高度集中的能量照 射目標(biāo)區(qū)域T。在目標(biāo)區(qū)域T處可以存在陣列160，諸如太陽(yáng)能陣列。陣列160可以包括一 個(gè)或多個(gè)光生伏打電池或無(wú)源光學(xué)吸收器161，其收集集中的能量以用于有用的目的，諸如 產(chǎn)生電和/或熱水。衍射部件110可以被放置在與目標(biāo)區(qū)域或陣列160相距適當(dāng)工作距離 d2處。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，工作距離d2使得目標(biāo)區(qū)域T或陣列160在衍射部件110的 “遠(yuǎn)場(chǎng)”中。因此，根據(jù)說(shuō)明性示例，工作距離(12在Icm的量級(jí)。根據(jù)某些附加方面，工作距
7離d2約為1cm。本發(fā)明的另一實(shí)施例在圖4中示出。本文所示的裝置200包括二維或二級(jí)集中器 /均化器210。集中器210包括第一反射部件215和第二衍射部件220。反射部件215可 以是由具有曲率半徑的單個(gè)反射鏡形成的、包括成像拋物面或非成像復(fù)合拋物面的實(shí)心拋 物面反射器的形式。可選地，反射部件215可以是近似實(shí)心拋物面反射器(未示出)的、基 本平坦的或部分曲面的反射鏡片段形成的離散化虛(virtual)拋物面反射器的形式。反射 部件215集中入射能量E，入射能量E然后傳播到衍射部件220上。衍射部件220可以包 括微觀衍射元件205駐留于其上的光學(xué)透明基底。這些衍射形成物是可以被全息記錄、印 刻、模壓、鑄造、蝕刻、或以其他方式附著于基底的元件205，用于以受控方式對(duì)進(jìn)入的能量 E進(jìn)行衍射和均化，使得進(jìn)入的能量E被進(jìn)一步修改為近似線的基本橢圓射束230 (未示出 其整個(gè)長(zhǎng)度)，射束230照射目標(biāo)區(qū)域T。諸如太陽(yáng)能陣列的陣列240可以位于目標(biāo)區(qū)域T 處并用高度集中的日光進(jìn)行照射。陣列240可以包括一個(gè)或多個(gè)光生伏打電池或無(wú)源光學(xué) 吸收器，其收集集中的能量以用于有用的目的，諸如產(chǎn)生電和/或熱水。如前文所述，可以 與本發(fā)明的裝置相結(jié)合地利用包括上述衍射形成物或元件的衍射部件。因此，衍射形成物 或元件205和衍射部件220兩者的結(jié)構(gòu)、配置和尺寸可以與前述實(shí)施例(例如105、110)的 相同。類似地，衍射形成物或元件205和衍射部件220可以由任何適當(dāng)?shù)牟牧?諸如前文 所述的材料)形成。雖然上文以及稍后在本文中可能在太陽(yáng)能的集中的背景下描述了本發(fā)明，但本發(fā) 明不限于此。即，可以在任何形式的電磁能量的背景下利用本文所述的本發(fā)明的原理。類 似地，本發(fā)明不限于集中能量在光生伏打設(shè)備的背景下的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的原理所產(chǎn)生 的集中能量可以找到除與光生伏打、太陽(yáng)能、太陽(yáng)能加熱設(shè)備(例如水或空氣加熱器)、和 /或冷卻設(shè)備(例如空氣調(diào)節(jié)或致冷)相關(guān)的之外的許多用途。例如，在對(duì)特征尺寸和形 狀因數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以容納電磁譜的其它部分的情況下，可以使用本發(fā)明來(lái)集中射頻(RF) 能量以便用作高增益天線，所述高增益天線可以通過(guò)集中從許多方向到達(dá)的RF能量來(lái)恢 復(fù)非常弱的信號(hào)，以便向附接到包括針對(duì)正在考慮中的電磁譜的適當(dāng)片段而優(yōu)化的本發(fā)明 實(shí)施例的集中器_天線的接收機(jī)提供較大(即集中的)RF信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的其它方面，提供了一種新型熱激活安全機(jī)構(gòu)。此類機(jī)構(gòu)300的實(shí)施 例在圖5 (關(guān)閉/停機(jī)狀態(tài))和圖6 (打開(kāi)/操作狀態(tài))中示出。根據(jù)所示實(shí)施例，機(jī)構(gòu)300可以包括熱激活彈簧狀和/或杠桿狀機(jī)構(gòu)，其包括例 如形狀記憶材料，所述形狀記憶材料在高溫下呈現(xiàn)與其在較低溫度下的性質(zhì)明顯不同的性 質(zhì)，以便快速地將不透明輻射安全活門(shutter) 305直接定位在入射電磁輻射E的路徑中 但是在焦平面之外，否則入射電磁輻射E將射到目標(biāo)或陣列330上，諸如射到包括一個(gè)或多 個(gè)光生伏打電池或無(wú)源光學(xué)吸收器335的太陽(yáng)能陣列上，從而將其屏蔽(圖5)。可選地，可以使陣列330在物理上移出入射能量E的路徑，以便防止入射能量E在 冷卻系統(tǒng)故障或失靈的情況下?lián)p壞陣列330的至少一個(gè)電池或吸收器，或者防止否則不可 忍受的熱量或操作的增加。這可以由任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)或裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，諸如通過(guò)使陣列330 旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)到入射能量E的路徑之外來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢愿浇拥疥嚵?30安裝板的形狀記憶機(jī)構(gòu)將與安裝板的溫度變化一起經(jīng)歷溫 度上升和下降。如果冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者以其他方式被關(guān)閉，并且存在例如日光的進(jìn)入的能量，則安裝板的溫度將開(kāi)始上升，可能達(dá)到危險(xiǎn)水平。形狀記憶材料可以包括諸如鎳鈦 諾的合金，其中，通過(guò)改變合金中的組成元素的濃度的比(例如鎳鈦)或者通過(guò)添加諸如 鈷的摻雜劑來(lái)設(shè)置合金的馬氏體至奧氏體相變溫度。在本發(fā)明的背景下，應(yīng)將此溫度設(shè)置 在對(duì)應(yīng)于陣列330的最高安全工作溫度的溫度。實(shí)際上，形狀記憶材料的轉(zhuǎn)變溫度可以略 小于最大安全工作溫度以便計(jì)及熱在其從陣列330的暴露面到形狀記憶機(jī)構(gòu)的路上的傳 播延遲。因此，例如，奧氏體起始轉(zhuǎn)變溫度將被設(shè)置為略低于陣列330處出現(xiàn)的最大工作溫 度。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述形狀記憶機(jī)構(gòu)可以包括螺旋彈簧。根據(jù)某些實(shí)施例，安全活門305包括由在至少第一表面上的不透明金屬(例如 鋁或鋼)或不透明碳纖維或碳復(fù)合材料、以及在至少第二表面上的任選的一層氣凝膠、溶 膠-凝膠、混合溶膠-凝膠、開(kāi)孔碳泡沫(open-cell carbon foam)、或玻璃纖維等組成的熱 阻擋層，其位于略微遠(yuǎn)離能量E的通量集中區(qū)域，以便阻止能量E在被激活時(shí)射到陣列330 上。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的安全機(jī)構(gòu)或裝置的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例在圖7中示出。如本文所 示，裝置400可以包括用于接收其上的集中能量的目標(biāo)410?？梢岳萌魏芜m當(dāng)?shù)哪繕?biāo)410。 因此，例如，目標(biāo)410可以包括光生伏打太陽(yáng)能元件、或無(wú)源太陽(yáng)能/熱吸收元件中的一個(gè) 或多個(gè)，諸如陣列。由可移動(dòng)安全活門或屏蔽物420來(lái)保護(hù)目標(biāo)410。如上文結(jié)合前述實(shí)施 例的安全機(jī)構(gòu)所述的，活門或屏蔽物420可以由任何適當(dāng)?shù)膬?yōu)選不透明的材料形成?？梢?以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)安裝活門或屏蔽物420。因此，例如，可以將活門或屏蔽物420安裝到 底座或板狀部件430。可以如說(shuō)明性實(shí)施例所示并以可繞著樞軸440旋轉(zhuǎn)的方式安裝活門 或屏蔽物420?？梢酝ㄟ^(guò)提供諸如所示輥450和凸輪460組合的適當(dāng)機(jī)械元件來(lái)實(shí)現(xiàn)活門 或屏蔽物420的旋轉(zhuǎn)或樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作?？梢酝ㄟ^(guò)任何數(shù)目的適當(dāng)機(jī)構(gòu)來(lái)起動(dòng)活門或屏蔽物 420的期望旋轉(zhuǎn)或可移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施例，通常由諸如負(fù)載彈簧470的適當(dāng)部件使 活門或屏蔽物420在期望的旋轉(zhuǎn)或樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上偏置。負(fù)載彈簧470可以采取任何適當(dāng) 的形式，但在說(shuō)明性實(shí)施例中，將其以在其至少一端處固定的線性螺旋彈簧的形式示出?？?以將負(fù)載彈簧470的相對(duì)端安裝到諸如杠桿臂480的適當(dāng)部件。通過(guò)元件的這種組合，通 ?？梢允够铋T或屏蔽物420在樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)或可移動(dòng)方向上偏置，使得其將在其致動(dòng)時(shí)覆蓋并 保護(hù)目標(biāo)410?？梢杂稍S多適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)來(lái)致動(dòng)旋轉(zhuǎn)或樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施例， 可以以使其通常防止屏蔽物或活門420的偏置移動(dòng)的方式來(lái)提供和布置保持(retention) 元件490，諸如所示的鎖銷。然后可以通過(guò)任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)使保持元件490移動(dòng)到其鎖定或 嚙合位置之外，以便致動(dòng)屏蔽物410的旋轉(zhuǎn)或樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施例，通過(guò)由形 狀記憶材料495構(gòu)造的部件使保持元件490移動(dòng)到其鎖定位置之外。根據(jù)說(shuō)明性實(shí)施例， 由形狀記憶材料495構(gòu)造的部件是由形狀記憶材料形成的彈簧的形式?？梢岳萌魏芜m當(dāng) 的形狀記憶材料，諸如結(jié)合前述實(shí)施例所描述的那些材料。因此，在將由形狀記憶材料495 構(gòu)造的部件加熱至其達(dá)到與目標(biāo)410的安全工作溫度上限對(duì)應(yīng)的臨界預(yù)定值的點(diǎn)后，發(fā)生 部件495的形式、形狀或配置方面的轉(zhuǎn)變。然后使用此轉(zhuǎn)變來(lái)解開(kāi)保持部件490，以便其不 再阻止安全屏蔽物或活門420例如在箭頭Ar方向上的偏置移動(dòng)。如上文結(jié)合先前實(shí)施例 所討論的，可以如上所述自動(dòng)地或通過(guò)由形狀記憶材料495構(gòu)造的部件的本地或遠(yuǎn)程故意 加熱來(lái)手動(dòng)地實(shí)現(xiàn)安全屏蔽物或活門420的此致動(dòng)?？梢耘c電磁能量集中器結(jié)構(gòu)或裝置組合地使用本發(fā)明的安全機(jī)構(gòu)。根據(jù)其它實(shí)施
9例，可以與本文所述的任何電磁能量集中器結(jié)構(gòu)或裝置組合地使用本發(fā)明的安全機(jī)構(gòu)。因 此，例如，安全機(jī)構(gòu)可以阻擋集中能量的斑點(diǎn)或線。根據(jù)其它實(shí)施例，所述安全機(jī)構(gòu)可以包括自動(dòng)熱激活且可能熱操作的機(jī)械旋轉(zhuǎn)平 移(translation)機(jī)構(gòu)，其以類似于上面針對(duì)安全活門描述的方式在物理上使一個(gè)或多個(gè) 反射、折射或衍射電磁能量集中部件倒轉(zhuǎn)，以便有效地關(guān)閉集中器系統(tǒng)從而在冷卻系統(tǒng)故 障或其它過(guò)熱情形的情況下保護(hù)陣列免受損壞。當(dāng)一個(gè)人希望在白天時(shí)間期間或在為白天的休止?fàn)顟B(tài)做準(zhǔn)備的晚上關(guān)閉集中器 系統(tǒng)以進(jìn)行維護(hù)、清洗、升級(jí)或類似目的時(shí)，還可以手動(dòng)地激活本發(fā)明的任何安全機(jī)構(gòu)。這 可以例如通過(guò)手動(dòng)地移位在自動(dòng)操作期間正常由形狀記憶材料激活器移位的鎖定機(jī)構(gòu)元 件或通過(guò)電加熱形狀記憶材料以便促使其起動(dòng)安全活門機(jī)構(gòu)的激活來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢员镜鼗蜻h(yuǎn) 程地執(zhí)行上述“手動(dòng)”激活?？梢栽诒Ｗo(hù)設(shè)備免受由集中太陽(yáng)能引起的不可忍受的工作條件影響的背景下使 用本發(fā)明的安全機(jī)構(gòu)和裝置。然而，本發(fā)明不限于此。即，可以在任何形式的電磁能量的背 景下利用本文所述的本發(fā)明的原理。類似地，本文所述的安全機(jī)構(gòu)和裝置不限于光生伏打 太陽(yáng)能設(shè)備或無(wú)源太陽(yáng)能吸收器的保護(hù)。應(yīng)將本說(shuō)明書中所使用的表示測(cè)量值、數(shù)量、成分、反應(yīng)條件、物理參數(shù)或關(guān)系等 的所有數(shù)字理解為在所有情況下由術(shù)語(yǔ)“約”來(lái)修飾。盡管所闡述的數(shù)值范圍和參數(shù)、本文 提出的主題的廣泛范圍是近似，但盡可能精確地指示了所闡述的數(shù)值。然而，任何數(shù)值可 以固有地包含例如由其相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生的某些誤差，如與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)差所證明的那 樣。雖然已結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到在 不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行未具體描述的添加、刪除、修改、和替換。
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權(quán)利要求
一種用于將入射電磁能量集中到近似線的高度偏心橢圓中的裝置，該裝置包括至少一個(gè)光學(xué)部件，其包括折射部件或反射部件；至少一個(gè)衍射部件，該衍射部件包括多個(gè)衍射元件，該衍射元件被構(gòu)造和布置為對(duì)入射電磁能量進(jìn)行衍射和均化。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述電磁能量包括太陽(yáng)能。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中，所述裝置被構(gòu)造和布置為根據(jù)以下關(guān)系產(chǎn)生幾何集中比 Cg <約 200 Cg = AJAt ；其中Aa是電磁能量的入口孔徑的面積，并且At是集中電磁能量的目標(biāo)孔徑的面積。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中，所述幾何集中比Cg<約20。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中，所述幾何集中比Cg=約2. 0。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述至少一個(gè)衍射部件具有約250μπι或以下的厚度t2。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中，每個(gè)衍射元件具有約20μπι或以下的厚度、。
8.權(quán)利要求2的裝置，其中，所述裝置還包括陣列，該陣列包括以下中的至少一個(gè)一 個(gè)或多個(gè)光生伏打電池；以及一個(gè)或多個(gè)無(wú)源光學(xué)吸收器，所述陣列被構(gòu)造和布置為接收 集中均化的電磁能量。
9.權(quán)利要求1的裝置，其中，每個(gè)衍射元件包括以下中的一個(gè)或多個(gè)模擬全息光成形 表面漫射器、數(shù)字全息圖、和開(kāi)諾全息照片。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述至少一個(gè)衍射元件由透明或半透明材料形成。
11.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述至少一個(gè)衍射部件能夠接收并集中在其上具有與法 向成正或負(fù)約25°至約35°的入射角的電磁能量。
12.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述電磁能量包括射頻能量。
13.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述光學(xué)部件包括折射部件，并且所述折射部件和所述 衍射部件被彼此相對(duì)布置成使得入射電磁能量首先通過(guò)折射部件，該折射部件將電磁能量 傳輸至所述衍射部件。
14.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述光學(xué)部件包括反射部件，并且所述反射部件和所述 衍射部件被彼此相對(duì)布置成使得入射電磁能量首先撞擊所述反射部件，該反射部件然后將 反射的電磁能量傳輸至所述衍射部件。
15.權(quán)利要求1的裝置，還包括至少一個(gè)部件，其適合于在正常工作溫度期間接收入射在其上的電磁能量；以及熱激活安全機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被配置并布置為在達(dá)到預(yù)定最高溫度后從入射電磁能量的路 徑中去除該至少一個(gè)部件或阻止電磁能量到達(dá)所述至少一個(gè)部件。
16. 一種裝置，包括至少一個(gè)部件，其適合于在正常工作溫度期間接收入射在其上的電磁能量；以及熱激活安全機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被配置并布置為在達(dá)到預(yù)定最高溫度后從入射電磁能量的路 徑中去除該至少一個(gè)部件或阻止電磁能量到達(dá)所述至少一個(gè)部件。
17.權(quán)利要求16的裝置，其中，所述熱激活安全機(jī)構(gòu)包括由形狀記憶材料形成的彈簧 或杠桿狀部件。
18.權(quán)利要求17的裝置，其中，所述形狀記憶材料包括形狀記憶合金，該合金具有使得合金的馬氏體至奧氏體相變溫度與預(yù)定最高溫度相當(dāng)?shù)慕M成。
19.權(quán)利要求17的裝置，其中，所述彈簧或杠桿狀部件包括螺旋彈簧。
20.權(quán)利要求16的裝置，還包括被構(gòu)造并布置為放置在入射電磁能量的路徑內(nèi)的可移 動(dòng)活門。
21.權(quán)利要求20的裝置，其中，所述彈簧或杠桿狀部件促使所述活門在達(dá)到預(yù)定最高 溫度后移動(dòng)到入射電磁能量的路徑中，從而屏蔽所述至少一個(gè)部件不受電磁能量影響。
22.權(quán)利要求20的裝置，其中，所述活門至少部分地由不透明金屬材料或不透明碳復(fù) 合材料中的至少一種形成。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中，所述活門另外至少部分地由一層以下中的至少一種材 料形成氣凝膠、溶膠_凝膠、混合溶膠_凝膠、開(kāi)孔碳泡沫或玻璃纖維材料。
24.權(quán)利要求16的裝置，其中，所述電磁能量包括太陽(yáng)能。
25.權(quán)利要求16的裝置，其中，所述至少一個(gè)部件包括光生伏打電池或無(wú)源太陽(yáng)能吸 收器。
26.權(quán)利要求17的裝置，其中，所述熱激活安全機(jī)構(gòu)促使該至少一個(gè)部件在達(dá)到預(yù)定 最高溫度后移動(dòng)到入射電磁能量的路徑之外，從而防止所述至少一個(gè)部件直接暴露于電磁能量°
27.權(quán)利要求25的裝置，其中，所述裝置還包括用于光生伏打電池或無(wú)源太陽(yáng)能吸收 器的安裝板，所述彈簧或杠桿狀部件被附接到該安裝板。
28.權(quán)利要求16的裝置，其中，所述熱激活安全機(jī)構(gòu)還被配置和布置為使得能夠手動(dòng) 地對(duì)其進(jìn)行致動(dòng)激活，從而從入射電磁能量的路徑中去除所述至少一個(gè)部件或者阻止所述 電磁能量到達(dá)所述至少一個(gè)部件。
29.權(quán)利要求16的裝置，還包括被構(gòu)造和布置為引導(dǎo)電磁能量使得其以集中的形式到 達(dá)所述至少一個(gè)部件的至少一個(gè)集中器。
30.權(quán)利要求29的裝置，其中，所述彈簧或杠桿狀部件促使所述至少一個(gè)集中器在達(dá) 到預(yù)定最高溫度后移動(dòng)到入射電磁能量的路徑之外，從而防止集中電磁能量到達(dá)所述至少 一個(gè)部件。
31.權(quán)利要求29的裝置，其中，所述集中器包括至少一個(gè)衍射部件，該衍射部件包括多個(gè)衍射元件，該衍射元件被構(gòu)造和布置為對(duì)入 射電磁能量進(jìn)行衍射和集中。
32.權(quán)利要求29的裝置，其中，所述集中器還包括以下中的一個(gè)或多個(gè)反射部件；折 射部件；以及附加衍射部件。
33.權(quán)利要求31的裝置，其中，每個(gè)衍射元件包括以下中的一個(gè)或多個(gè)模擬全息光成 形表面漫射器、數(shù)字全息圖、和開(kāi)諾全息照片。全文摘要
一種裝置出于諸如用集中均化的能量照射目標(biāo)區(qū)域的目的而利用組合的衍射、反射和/或折射光學(xué)元件來(lái)對(duì)諸如陸地環(huán)境中的自然日光的電磁能量進(jìn)行加強(qiáng)和勻化。還描述了一種熱激活安全機(jī)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B5/10GK101918868SQ200880124344
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2008年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者R·S·布洛克, T·C·福里斯特 申請(qǐng)人:太陽(yáng)能技術(shù)公司