專利名稱：具有非常大集束比的校正全反射反射器的混合式光致電壓集束系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
制造有常規(guī)拋物型反射器或常規(guī)全反射反射器的集束光致電壓系統(tǒng)是多年熟知的技術(shù)。
雖然，盡管光電池成本不是不可克服的困難(由于其成本與太陽能集中相當(dāng))，然而，至今在市場上還沒有這樣的集束P/V系統(tǒng)，其價(jià)格低于常規(guī)(昂貴)的平面型P/V系統(tǒng)。
其理由是，利用普通的水透明玻璃制造拋物型全反射反射器(TRR)是最廉價(jià)和最節(jié)省時(shí)間的，并有無限的工作壽命，它遇到結(jié)構(gòu)方面的困難是不允許獲得很大的集束比。
主要原因是，從技術(shù)上考慮，利用玻璃制造的拋物型TRR有這樣的結(jié)構(gòu)，其后向矩形棱鏡比利用丙烯酸樹脂制造的矩形棱鏡有較大的高度和寬度(玻璃制品為2-10mm，而丙烯酸樹脂制品為0.02-0.2cm)。
但是，矩形棱鏡呈現(xiàn)太陽能射線的漫射和不良聚焦，且在其高度和寬度增大時(shí)，它是以指數(shù)方式惡化，從而極大地限制它的集束比。
此外，這種缺陷限制使用次反射器，它用于收縮太陽圖像的尺寸，并獲得窄的次級(jí)光束和高水平集束比，這對(duì)于空心太陽能波導(dǎo)(太陽能干線)的饋送是必需的，可以在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移太陽能輻射以實(shí)現(xiàn)太陽能照明。
相同的缺陷限制構(gòu)造有小損耗的空心太陽能波導(dǎo)(太陽能干線)，在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移太陽能輻射，可以按照人工方式代替太陽能照明。
至今，人們一直致力于利用大直徑光纖在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移太陽能輻射。即使利用最透明的光纖材料，這種方法仍然導(dǎo)致太陽能光譜的重大損耗(例如，20-30m的距離可以損耗50％)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及全反射反射器的開發(fā)，用于構(gòu)造有非常大集束比的各種太陽能或其他集束型系統(tǒng)，同時(shí)生產(chǎn)電功率和熱功率，它包含具有彎曲矩形全反射棱鏡的集束式全反射反射器，該反射器沒有出現(xiàn)太陽能射線的漫射和不良聚焦缺陷，如在具有矩形全反射棱鏡的常規(guī)TRR中那樣的情況。
校正這種缺陷可以構(gòu)造利用普通水透明玻璃制造的拋物型TRR，其拋物型TRR矩形棱鏡有很大的尺寸(高度和寬度)(2-10mm或更大)，這是玻璃制造工藝所必需的技術(shù)，而同時(shí)可能實(shí)現(xiàn)有很大(真實(shí))集束比(500或1000個(gè)太陽，或更多)的優(yōu)良聚焦，與此同時(shí)，可以利用次拋物型或橢球型全反射反射器，用于收縮太陽圖像的尺寸并獲得更大(真實(shí))的集束比(超過1500個(gè)太陽)，以及建立窄的次級(jí)光束射線，其光束角為為5°-10°，用于饋送太陽能輻射進(jìn)入太陽能波導(dǎo)，可以轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部進(jìn)行太陽能照明。
此外，有最小損耗的太陽能波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以有效傳輸太陽能輻射到足夠長的距離，它有可接受的損耗水平(例如，用于在建筑物內(nèi)部的太陽光照明)。


圖1a表示完整拋物型全反射反射器。
圖1b表示構(gòu)成彎曲矩形棱鏡的細(xì)節(jié)A，用于校正常規(guī)拋物型全反射反射器的漫射缺陷(由于簡單的矩形棱鏡)。
圖1c表示具有全反射壁的空心太陽能波導(dǎo)典型結(jié)構(gòu)。
圖1d表示實(shí)現(xiàn)彎曲矩形棱鏡的細(xì)節(jié)A′，它消除常規(guī)太陽能波導(dǎo)的漫射缺陷(由于簡單的常規(guī)矩形棱鏡)。
圖2表示太陽能系統(tǒng)S/S(100A)，該系統(tǒng)集中太陽能并把它轉(zhuǎn)變成窄光束，用于生產(chǎn)電能或熱能或引入到空心太陽能波導(dǎo)。
圖3a表示太陽能系統(tǒng)S/S(500A)，其中太陽能波導(dǎo)用于轉(zhuǎn)移太陽能進(jìn)入建筑物進(jìn)行太陽能照明。
圖3b和3c表示角度附件(571A)和多角度附件(581A)，用于饋送太陽能輻射進(jìn)入太陽能波導(dǎo)或從太陽能波導(dǎo)射出太陽能輻射。
具體實(shí)施例方式
以下給出太陽能系統(tǒng)S/S(500A)，(100A)，(600A)的詳細(xì)技術(shù)描述，它配置有校正空心矩形棱鏡(HRP)(007A)或(007′A)的新校正拋物型全反射反射器(TRR)(001A)，和有校正空心矩形棱鏡(556A)或(556′A)的新太陽能波導(dǎo)(551A)，可以消除常規(guī)拋物型TRR和太陽能波導(dǎo)的漫射和不良聚焦缺陷并實(shí)現(xiàn)高度的集束效應(yīng)。
1.建筑物內(nèi)太陽能照明，空調(diào)和水浴加熱的單點(diǎn)聚焦太陽能系統(tǒng)S/S(500A)圖1a，1b，1c，1d，2和3a，3b，3c所示的太陽能系統(tǒng)S/S(500A)有這樣的特征，它配置校正的主拋物型全反射反射器(501A)和次橢球型反射器(201A)以及校正的太陽能波導(dǎo)(551A)和太陽能波導(dǎo)附件(571A)和(581A)，它們相應(yīng)地配置彎曲矩形棱鏡(CRP)(007A)，(CRP)(007′A)和(556A)，如在圖1a，1b，1c和1d中所表示的，并在以下的第4節(jié)和第5節(jié)給以描述，因此，可以消除簡單的常規(guī)矩形全反射棱鏡的缺陷。
其特征是，它設(shè)計(jì)成提供建筑物內(nèi)的太陽能照明并生產(chǎn)冷卻和熱能。
其特征是，實(shí)現(xiàn)S/S(500A)中結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)，如以下所描述的主拋物型全反射反射器(PTRR)(501A)[它也表示為(101A)]包含完整拋物型反射器或完整反射器的任何形狀部分。主PTRR(501A)可以包含基于合適拋物型基片的1，2，3，4或更多個(gè)全反射瓦片(TTR)(131A)，每個(gè)瓦片的主要尺寸約為20×20cm，因此，利用現(xiàn)有的玻璃壓制機(jī)器可以低成本制作(TTR)(131A)。(501A)和(131A)的材料包括例如，沒有氧化鐵的水透明玻璃或自撐式或支撐在合適基片上的透明塑料(如圖2和3a所示)。
TTR(131A)的前表面(113A)有光滑的拋物型形狀，而后表面(131Γ)也是拋物型和浮雕形狀，并包含校正的矩形棱鏡(007A)[它也表示為(114A)]，其頂部Acmes(115A)會(huì)聚并相交于完整拋物型全反射反射器(101A)的頂點(diǎn)(102A)[(101A)與主PTRR(501A)一致，而校正矩形棱鏡CRP(114A)或(007A)的側(cè)面相交線不是直線，它們是CRP(114A)或(007A)的校正曲線，因此，可以實(shí)現(xiàn)精確的聚焦。
S/S(500A)有對(duì)稱軸(551A)(指向太陽)以及旋轉(zhuǎn)軸(512A)和(512Γ)(分別對(duì)應(yīng)水平和垂直方向)。
主PTRR(501A)是基于金屬支撐架(505A)(例如，其結(jié)構(gòu)是壓制鋁片制成的衛(wèi)星電視天線的拋物型板)，它基于垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(508A)，該結(jié)構(gòu)基于水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(508B)[類似于以下的機(jī)構(gòu)(108A)和(109A)]，并借助基于支撐底座(510B)的兩個(gè)軸承(508Γ)。
次全反射反射器(STRR)(201A)包含完整拋物型或橢球型反射器[取決于它放置在焦點(diǎn)(504A)或(104A)之前或之后，在本發(fā)明的情況下，它放置在焦點(diǎn)(504A)之后，因此，它是橢球型]，或任何形狀的一部分[它類似于對(duì)應(yīng)的(501A)]，并由與對(duì)應(yīng)物(501A)相同的材料制成。
STRR(201A)可以包含，例如，1，2，3，4或更多個(gè)全反射瓦片(TRT)(231A)，如圖2和3中所示，并基于金屬支撐架(507A)，該支撐架基于支撐架(505A)。
TRT(231A)的前表面(213A)有光滑的旋轉(zhuǎn)橢球型形狀，而后表面(213Γ)也是橢球型和浮雕形狀，并包含校正的矩形棱鏡(214A)，其Acmes(215A)會(huì)聚到(201A)的頂點(diǎn)(202A)，而校正矩形棱鏡(CRP)(214A)的側(cè)面(233C)相交線不是直線，而是CRP的校正曲線，因此，可以實(shí)現(xiàn)精確的聚焦。
主全反射反射器(501A)[利用CRP(007A)校正]建立寬光束射線(052A)，它入射到次反射器(201A)并被它反射回來，該反射器設(shè)計(jì)成有合適尺寸的旋轉(zhuǎn)橢球型并放置在焦點(diǎn)(504A)之后，因此，它收縮成太陽圖像到所需程度，并建立有所需光束角(例如，小于±5°)的窄光束射線(053A)。
其特征是，S/S(500A)在聚焦到焦點(diǎn)(504′B)之前具有窄光束射線(053A)的反射媒體(231Γ)[例如，有平行后表面全反射棱鏡的全反射反射器]，它放置成與窄光束軸(053A)成45°角，非常接近焦點(diǎn)(504′B)并在它之后，且非常接近于太陽能波導(dǎo)(551A)的入口，因此，它反射窄光束(053A)進(jìn)入太陽能波導(dǎo)(551A)，該波導(dǎo)的開口接近于反射窄光束(053A)的焦點(diǎn)(504A)和它的軸(553A)，該軸平行于一個(gè)光束(053A)。在那些情況下或在建筑物內(nèi)不需要太陽能照明的白天時(shí)間，可以抽出TRR(231Γ)或其中一些，因此，窄光束直接聚焦到放置在焦點(diǎn)(504′B)的選擇性黑色吸收劑表面(562A)，它可以轉(zhuǎn)移光束(053A)的熱能進(jìn)入工作流體(502E)[利用它作為熱水或通過有硅膠的吸收熱泵(519A)作為空調(diào)的冷卻功率]。
其特征是，窄光束射線(053A)的反射媒體(231Γ)在聚焦到焦點(diǎn)(504′B)之前可以是冷反射鏡(231Γ)，它與窄光束軸(053A)成45°角，不需要太接近焦點(diǎn)(504′B)或太接近太陽能波導(dǎo)(551A)，且它僅反射光譜的可見光部分(從λ＝0.4μm至0.7μm)，其反射系數(shù)大于96％，與太陽能波導(dǎo)(551A)成90°角[該波導(dǎo)的開口是在窄光束(053A)的焦點(diǎn)(504A)，且它的軸(553A)平行于一個(gè)光束(053A)]，而它允許光譜的紅外(IR)部分(從λ＝0.7μm至λ＝2.4μm)以5-10％的很小吸收損耗傳輸通過。窄光束(053A)的IR部分直接聚焦到放置在焦點(diǎn)(504′A)的選擇性黑色吸收表面(562A)，從而可以轉(zhuǎn)移IR光束(053A)的熱能到工作流體(502E)[利用它作為熱水或通過有硅膠的吸收熱泵(519A)作為空調(diào)的冷卻功率]，與此同時(shí)避免轉(zhuǎn)移太陽能光譜的IR部分熱能進(jìn)入建筑物，可以節(jié)約建筑物中空調(diào)單元冷卻裝置的相應(yīng)功率。
反射的窄光束射線(053A)聚焦到太陽能波導(dǎo)(551A)的中心(552A)，該波導(dǎo)放置成非常接近最后的焦點(diǎn)(504B)，其中太陽能波導(dǎo)的軸(553A)平行于窄光束軸(053A)。在以下的第5節(jié)中描述太陽能波導(dǎo)(551A)的結(jié)構(gòu)。
隨后，全部太陽能光譜或其可見光部分的窄光束(053A)通過太陽能波導(dǎo)(551A)被轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部，因此，它通過特殊的太陽能照明器材(SLF)(591A)用于自然照明。
對(duì)于集中太陽能輻射的一個(gè)或多個(gè)主反射器(501A)，它們安排在固定的底座或可旋轉(zhuǎn)的底座上，每個(gè)基本反射器(501A)的太陽能波導(dǎo)(551A)聚集在一起通過角度附件(571A)到主多角度附件(581A)，而每個(gè)基本反射器(501A)的太陽能波導(dǎo)(551A)的每個(gè)太陽能光束(053A)的這些附件插入到主波導(dǎo)(551′A)并被轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部，其中按照相反的方式分配太陽能輻射(053A)到每個(gè)樓層，借助于多角度附件(581A)分配到較小的波導(dǎo)，它發(fā)射光到我們需要照明的房間，利用小直徑的太陽能波導(dǎo)(551A)或大直徑的光纖，最后分配到照明器件。
為了在房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定強(qiáng)度的照明，當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度變化時(shí)，常規(guī)的熒光燈通過調(diào)光器可以保持照明強(qiáng)度恒定，相應(yīng)地增大或減小熒光燈的光通量。
在利用冷反射鏡(231Γ)的情況下，來自太陽能系統(tǒng)S/S(500A)能量生產(chǎn)或能量置換的一次近似如以下所述每個(gè)KW的輸入太陽能輻射[它相當(dāng)于在理想的太陽位置(ISL)，在中午晴朗天空下0％漫射和100％直接輻射，和1平方米主反射器(501A)孔徑的AM1，5]，當(dāng)它被分成可見光和紅外(IR)輻射時(shí)，可以給出約500W可見光和500W IR輻射。
利用上述的全反射反射器和太陽能波導(dǎo)，500W可見光中約80％的光可以傳輸?shù)浇ㄖ飪?nèi)部的太陽能照明器件(591A)。我們知道，每瓦可見太陽光相當(dāng)于200lm(與現(xiàn)有技術(shù)熒光燈約為601m/W比較，熒光燈用于建筑物的內(nèi)部照明)。
這意味著，發(fā)射的400W可見光可以給出80,000lm，它置換80,000/60＝1330W電能(＝33個(gè)40W熒光燈)。
此外，它們可以置換其他400W電能，這是空氣冷卻裝置(COP＝2.3)所需要的，為的是去除1330-400＝930Wth熱負(fù)荷，它仍然落后于1330W熒光燈運(yùn)行的需要。
另一方面，聚焦到吸收表面(562A)上焦點(diǎn)(504B)的IR輻射約有15％的損耗，這是由于反射鏡(531Γ)上的反射和吸收以及從選擇性吸收表面(562A)上的發(fā)射。這意味著，傳遞給吸收表面(562A)的IR輻射功率等于500×0.85＝425W，它被熱泵(519A)(吸收或吸附)轉(zhuǎn)移到工作流體(502E)(在冬天時(shí)產(chǎn)生425Wth熱水)或轉(zhuǎn)變成冷卻功率(作為冷卻水，其COP為0.7至0.9，其平均值為0.8，由于較高允許的熱水溫度)等于435×0.8＝340W，用于夏天時(shí)置換340/2.3＝150W電功率空氣冷卻裝置的空調(diào)單元，這是相同冷卻功率所要求的。
與此同時(shí)，硅膠吸收熱泵(519A)(它可以把60°-90°熱水轉(zhuǎn)變成7°/12°冷水，用于COP約為0.7的空調(diào))同時(shí)產(chǎn)生中間30°-32°溫水流，這是吸收循環(huán)期間水蒸汽凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生的，其熱功率約為425W，適合于游泳池水加熱或家用熱水的加熱。
IR部分的總屬性是150W置換的空調(diào)電能+夏天時(shí)425W的溫水或冬天時(shí)425W的熱水。
因此，太陽能系統(tǒng)S/S(500A)可以產(chǎn)生或置換每KW輸入太陽能(它相當(dāng)于ISL的主反射器中1m2孔徑表面)。
在可見光譜部分·1330W置換用于建筑物照明的電能(約置換33個(gè)熒光燈)·400W置換用于空調(diào)的電能在I/F輻射的部分(沒有P/V的熱水和空調(diào))·150W置換用于空調(diào)的電能+·425W用于產(chǎn)生夏天時(shí)的溫水和·425W用于產(chǎn)生冬天時(shí)的熱水全部1880W置換的電能和425W用于夏天時(shí)的溫水和1330W置換的電能+425W用于冬天時(shí)的熱水。
這意味著，對(duì)于每KWp輸入太陽能，在夏天時(shí)超過2.30KWp和冬天時(shí)約1.75KWp置換或產(chǎn)生電能和熱能。
在常規(guī)的P/V系統(tǒng)中，對(duì)于每1000Wp的輸入太陽能，它產(chǎn)生約120至180Wp的電能，而本發(fā)明太陽能系統(tǒng)S/S(500A，B)以合理的價(jià)格產(chǎn)生或置換10倍的電能和3倍的熱功率或冷卻功率(熱水或空調(diào)功率)，即使沒有外來的激勵(lì)，它可以在3年之內(nèi)償還太陽能系統(tǒng)S/S(500A)的費(fèi)用。
2.單點(diǎn)聚焦的太陽能系統(tǒng)S/S(100A)圖2描述和表示S/S(100A)，其特征是，它包含有頂點(diǎn)(102A)的完整主拋物型全反射反射器(PRTR)(101A)，太陽能射線(051A)在入射到主PRTR(101A)之后建立第一反射的寬光束射線(052A)，它聚焦到焦點(diǎn)(104A)上，或借助于輔助反射器(363A)直接聚焦到P/V電池(302A)上，或它們?cè)诖畏瓷淦?201A)[它利用支架(207A)支撐在環(huán)(105A)上]反射之后建立窄光束射線(053A)，該射線到達(dá)最后的焦點(diǎn)(201A)并借助輔助裝置(363B)聚焦到P/V電池(302A)上，它們是基于環(huán)(105Γ)。反射器(101A)是基于金屬支撐環(huán)(105A)(外部)和(105C)(內(nèi)部)，它們是由金屬支架(107A)支撐，該支架(107A)是基于水平旋轉(zhuǎn)頭(108A)。水平旋轉(zhuǎn)頭(108A)是基于底座(110A)上的支柱/垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(109A)。
全反射反射器(101A)包含沒有氧化鐵的水透明玻璃[一片小表面或包含全反射瓦片(TRT)(131A)，它包含部分的拋物面(131′A)和基于合適拋物型基片的較大表面]或自支撐式或基于合適基片的透明塑料。(131′A)的前表面(131A)有光滑的拋物型形狀，而后表面(131Γ)有浮雕式拋物型形狀，并平行于(113A)，它包含校正的彎曲矩形棱鏡(114A)或(007A)，其頂部Acmes(115A)會(huì)聚并相交于反射器(101A)的頂點(diǎn)(102A)。此外，我們有對(duì)稱軸(111A)(指向太陽)和旋轉(zhuǎn)軸(112A)和(112Γ)(分別對(duì)應(yīng)于垂直和水平方向)。
次反射器(201A)有拋物型或旋轉(zhuǎn)橢球型形狀[取決于它放置在對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)(104A)或(504A)之前或之后，在本發(fā)明的情況下，它設(shè)計(jì)成用于收縮太陽圖像的橢球型]，并可以包含1，2，3，4或更多個(gè)全反射瓦片(TRT)(231A)，其前表面(231Γ)是光滑的橢球型，而后表面(213Γ)是浮雕式橢球型，并平行于(213A)，它包含校正的彎曲矩形棱鏡(CRP)(214A)，其頂部Acmes(215A)會(huì)聚并相交于反射器(201A)的頂點(diǎn)(202A)。
3.太陽能照明，太陽能空調(diào)，太陽能水浴加熱和P/V電能的太陽能系統(tǒng)S/S(600A)圖3a，3b，3c所示太陽能系統(tǒng)S/S(600A)的結(jié)構(gòu)類似于太陽能系統(tǒng)S/S(500A)，但其特征是，通過添加與P/V[P/V電池(302A)，聚焦輔助反射器(363A)，電纜(340A)和電池或反相器]有關(guān)的結(jié)構(gòu)元件到S/S(500A)的結(jié)構(gòu)元件上，它設(shè)計(jì)成太陽能照明和生產(chǎn)電能以及生產(chǎn)S/S(500A)的冷卻或熱功率，如以下所述。
S/S(600A)的所有結(jié)構(gòu)元件(S/E)，它們類似于S/S(500A)和S/S(100A)的結(jié)構(gòu)元件，具有與對(duì)應(yīng)S/S(500A)和S/S(100A)相同的名稱和代號(hào)，但是，它們把第一代號(hào)5或1改變成6[例如，S/S(500A)的垂直旋轉(zhuǎn)軸(512A)改變成S/S(600A)中的(612A)，而S/S(100A)的(302A)，(363A)和(340A)相應(yīng)地改變成S/S(600A)中的(602A)，(663A)和(640A)]并相應(yīng)地改變S/S(600A)的功能形式[例如，吸收表面(662A)不再需要被選擇性吸收輻射層覆蓋，以及P/V電池(602A)可以對(duì)IR靈敏]。
為此目的，P/V電池IR(602A)，電纜和輔助反射器(663A)添加到最后焦點(diǎn)(604B)上冷反射器(631Γ)之后的熱吸收表面(662A)上，因此，利用入射的集中輻射首先生產(chǎn)P/V電能，然后生產(chǎn)熱水，如上所述。
4.有彎曲矩形棱鏡的校正拋物型或橢球型全反射反射器以下，給出有彎曲矩形棱鏡(CRP)(007A)的新拋物型全反射反射器(TRR)(001A)的詳細(xì)技術(shù)描述，用于校正常規(guī)拋物型TRR的漫射和不良聚焦的缺陷(由于簡單的矩形棱鏡)并實(shí)現(xiàn)高的集束比。
圖1a表示完整拋物型全反射反射器(001A)，其特征是，它配置具有彎曲矩形棱鏡(CRP)(007A)的外部浮雕表面(002A)，如圖1b所示。
圖1b表示矩形棱鏡H1ΘH2＝007A的細(xì)節(jié)A，它是外表面(002A)與平面(013A)的相交部分，該平面垂直于(尚未校正)矩形棱鏡(007A)Acmes(012A)在點(diǎn)Θ的切線。平面(013A)在點(diǎn)O1垂直于內(nèi)表面(004A)而它與點(diǎn)O1區(qū)域中(004A)的相交線近似于半徑O1E=2×O1E0]]>的圓周∏1。
為了使分析簡單化，我們假設(shè)(001A)的焦點(diǎn)E0位于平面(005A)與軸(003A)的相交點(diǎn)，點(diǎn)K′1位于圓周(005A)和圓周∏1＝(013A)的直徑Δ1＝360cm/π＝114.6cm，因此，圓周∏1＝(013A)的長度等于360π·π=360cm,]]>并假設(shè)拋物型TRR(001A)包含150個(gè)矩形棱鏡(007A)，其結(jié)果是，每個(gè)矩形棱鏡(007A)的寬度對(duì)應(yīng)于∏1＝(013A)上長度為2.4cm的弧或?qū)?yīng)于角度_＝2.4°。
我們考慮入射太陽能射線(006A)的矢量分量AK1＝A0K′10，它與平面的相交部分K1′E一致，該平面定義為入射太陽能射線(006A)＝A0K′10與有平面(013A)的(尚未校正)拋物型TRR(001A)的平行軸(003A)的組合。射線AK′1＝K′1E垂直于(尚未校正)矩形棱鏡007A(其中O1K′1＝1.0cm和_1＝1°)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)K′1的周邊(013A)，以直線穿透到矩形棱鏡(007A)的內(nèi)部，并在與垂線K1Λ1的44°角度下落在側(cè)面H1Θ的點(diǎn)K1上，和在44°角度下被反射，并在與垂線K2Λ2的46°角度下的點(diǎn)K2相交于側(cè)面ΘH2，和在46°角度下被反射，并從點(diǎn)K′2的TRR(001A)射出，它與K′2Δ″成3°角[它垂直于周邊∏1＝(013A)在點(diǎn)K′2的切線K2′O1″]。垂線K′2Δ″穿過周邊∏1＝(013A)的中心E，它是射線K′2Δ投影的理想路線，為了使它聚焦到E和實(shí)際射線K′20Δ″0聚焦到E0(注1)(注1)在這個(gè)分析中，假設(shè)普通水透明玻璃的衍射系數(shù)n＝1.5，和sin_4/sin_3＝1.5＝_4/_3，這是因?yàn)榻嵌萠和_都非常小這意味著我們證明，常規(guī)矩形全反射棱鏡呈現(xiàn)出射矢量分量K′2Δ(在矢量分量AK′1的全反射之后)的射線象差角_4(會(huì)聚象差)，精確聚焦的所需路線K′2Δ″，等于3_1(其中_1是對(duì)應(yīng)于弧O1K′1的角度)，而相同的會(huì)聚象差給出實(shí)際出射光線K′20Δ″0。
顯而易見，由于存在會(huì)聚象差_4＝3_1，為了使常規(guī)(未校正)拋物型TRR有可接受的聚焦，這些TRR必須有非常小厚度的壁，例如，無色塑料(丙烯酸樹脂)和矩形棱鏡的高度和寬度盡可能地小，因此，會(huì)聚象差是盡可能地小[因?yàn)開1幾乎直接正比于拋物型TRR(001A)給定直徑D＝(010A)＝(005A)的對(duì)應(yīng)矩形棱鏡(007A)的高度(008A)＝1/2寬度(009A)]。
與利用普通水透明玻璃制成的拋物型TRR對(duì)比，其n＝1.5和矩形棱鏡的高度和寬度尺寸為2-10cm，若利用彎曲矩形棱鏡(007A)不能完成會(huì)聚象差的校正，則以前例子的會(huì)聚象差，其周邊∏1＝(013A)＝114.6cm和Δ=(005A)=114.6/2=81cm]]>和矩形棱鏡的高度(008A)＝1/2寬度(009A)，在周邊∏1＝(013A)中等于1.2cm，入射光線A離點(diǎn)O1的距離O1K1＝1.0cm和聚焦距離K′20E0=114.6/2=81cm,]]>我們有_1＝1°和_4＝3°和反射光線K′20E0離焦點(diǎn)E0的象差等于81*tan3°＝4.25cm(對(duì)于入射到點(diǎn)H1的射線A1，象差大于5.1cm)。因此，理論集束比限制在250以下(實(shí)際上，由于投影太陽圖像的缺陷等因素會(huì)更大)，其結(jié)果是，這種拋物型TRR完全不適用于集束比大于200或更小的P/V集束系統(tǒng)。
所以，為了精確地聚焦射出的射線K′20Δ″0，這個(gè)光線和矢量分量射線必須取直線K′2Δ″的方向，該直線垂直于在點(diǎn)K′2處的切線K′2O″1，從而傳輸通過周邊∏1＝(013A)的中心，使實(shí)際射線K′20Δ″0通過焦點(diǎn)E0[以下，我們分析在∏1＝(013A)平面上的矢量分量，它也代表實(shí)際光線]。
這意味著，射線K′20Δ0的矢量分量K′2Δ必須逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(向左)角度_4＝3_1和在n＝1.5的矩形玻璃棱鏡(007B)中射線K20K′20的矢量分量K′K′2必須逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度3_1/1.5＝2_1，這意味著，側(cè)面H1Θ和ΘH2必須在點(diǎn)K1和K2各自轉(zhuǎn)動(dòng)_1/2[H1Θ順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(向右)和ΘH2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)]。
在以上特定的例子中，為了使矢量分量射線K′2Δ轉(zhuǎn)動(dòng)角度3°(因此，它與垂線K′2Δ″重合并路由通過焦點(diǎn)E)，側(cè)面H1Θ必須圍繞全反射點(diǎn)K1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1.0°/2＝0.5°(因此，矢量分量射線K1K2按照時(shí)針方向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)0.5°×2＝1.0°)，而側(cè)面H2Θ必須圍繞全反射點(diǎn)K2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1.0°/2＝0.5°(因此，矢量分量射線K2K′2按照反時(shí)針方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)0.5°×2＝1.0°)，即，矢量分量射線K2K′2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1.0°+1.0°＝2.0°和K2Δ逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)2.0°×2＝3.0°，并與方向K2Δ″的方向一致，該方向垂直于在點(diǎn)K′2的切線K′2O1″(因此，它路由通過焦點(diǎn)E)。
我們證明，為了正確地聚焦從拋物型或橢球型或拋物面型(注2)反射器全反射的反射光線，其后表面形成會(huì)聚(在拋物型或橢球型或拋物面型全反射的頂部)的矩形棱鏡，則矩形棱鏡的側(cè)面必須僅在圍繞每個(gè)彎曲矩形棱鏡(007A)的小(dz)區(qū)域內(nèi)是矩形的。
(注2)該分析是針對(duì)于光線(006A)在∏1＝(013A)平面上的投影。因此，它也適用于上述拋物面型或橢球體型的情況，其中入射光線A′＝(006′A)不平行于(001′A)的軸(003′A)，但是，它們?cè)醋話佄锩嫘?TRR)(001′A)的軸(003′A)上的點(diǎn)(012′A)。
在任何的其他點(diǎn)，必須呈現(xiàn)每個(gè)矩形棱鏡的側(cè)面，在它們投影到垂直于拋物型TRR(001A)Acmes(012A)的平面上，其曲率角_2等于_1的1/2，其中_1是內(nèi)周邊∏1＝(013A)在點(diǎn)K′1的切線形成的，如同以上∏1＝(013A)在中心點(diǎn)O1的切線。這意味著，它必須通過在彎曲矩形棱鏡(007A)側(cè)面上每個(gè)點(diǎn)K1的_2＝1/2_1，其中相對(duì)的每次K1對(duì)應(yīng)于每次垂直入射[到內(nèi)周邊∏1＝(013A)]射線A0的矢量分量相交點(diǎn)，到矩形棱鏡(007A)的相對(duì)側(cè)面H1Θ上[該分析是針對(duì)上述P1＝(013A)的平面上射線矢量分量]。
按照這種方法，彎曲矩形棱鏡H′1ΘH′2＝(007A)的每個(gè)側(cè)面Θ′H′1和Θ′H′2是由普通的水透明玻璃制成(其折射率n＝1.5)，它相對(duì)于矩形棱鏡H1ΘH2的對(duì)應(yīng)側(cè)面ΘH1和ΘH2有增大的曲率，其曲率角_2在每次Θ′H′1和Θ′H′2的點(diǎn)K1或K2大致等于對(duì)應(yīng)角_1的1/2，角_1是在以上內(nèi)周邊∏1的每次點(diǎn)K′1或K′2，而在頂點(diǎn)Θ′，我們有ΘH′1和ΘH′2的矩形相交。
當(dāng)我們希望利用橢球面型或拋物面型次反射器(201A)或(201′A)或(231A)時(shí)，構(gòu)造有彎曲矩形棱鏡的拋物型或橢球型或拋物面型TRR(001A)或(201A)或(201′A)的需要變得更加迫切，必須轉(zhuǎn)移焦點(diǎn)(204A)或(504B)到用于收縮或消失太陽圖像的主反射器(001A)或(101A)或(501A)之后，為的是實(shí)現(xiàn)非常大的集束比(超過1500個(gè)太陽)。
在這種情況下，必須在主反射器和次反射器中有精確的聚焦，它還需要相對(duì)彎曲矩形棱鏡(007A)，但是，在每個(gè)主和次拋物面型或橢球面型中角_2與對(duì)應(yīng)角_2之間準(zhǔn)確的關(guān)系是由合適計(jì)算機(jī)程序確定的，它取決于以上聚焦的需要。
5.有彎曲矩形棱鏡的校正太陽能波導(dǎo)和太陽能波導(dǎo)網(wǎng)格元件構(gòu)造有彎曲矩形棱鏡的TRR的另一個(gè)應(yīng)用是制造有小損耗或小泄漏輻射的空心太陽能波導(dǎo)，因此，可以實(shí)現(xiàn)傳輸很長距離的太陽能輻射有可接受的損耗，例如，在建筑物內(nèi)傳輸太陽能輻射，利用太陽能照明置換人工方式照明。
圖1c表示有全反射壁的空心太陽能波導(dǎo)典型結(jié)構(gòu)。
圖1d表示用于實(shí)現(xiàn)彎曲矩形棱鏡的細(xì)節(jié)A，它可以消除常規(guī)太陽能波導(dǎo)的漫射缺陷(由于常規(guī)的矩形棱鏡)。
太陽能干線(551A)包含有薄壁(554A)的空心管，它是利用有非常小的太陽輻射吸收系數(shù)的透明材料制成，例如，特殊的透明塑料或其他透明塑料，它可以是制成的光纖，例如，PMMA或熔凝石英或甚至沒有氧化鐵的水透明玻璃。
空心管的內(nèi)壁是光滑的圓柱形，其直徑是從幾個(gè)厘米(或更小)至幾十個(gè)厘米(或更大)?？招墓艿耐獗谑歉〉袷讲⒂性S多互相平行的結(jié)構(gòu)[與空心管的軸(553A)平行]，以下說明這些彎曲的矩形棱鏡(556A)。
太陽能干線的壁(554A)有光滑和圓柱形的內(nèi)表面，而它們的外表面也是圓柱形，有互相平行和浮雕式的彎曲矩形棱鏡(556A)，其Acmes(557A)平行于太陽能波導(dǎo)的軸(553A)，而它們的Acmes角(558A)僅在Acmes角(558A)附近的小區(qū)域內(nèi)是90°。彎曲矩形棱鏡(556A)的外表面是覆蓋合適的透明保護(hù)層(562A)，它們可以保護(hù)電信中所用光纖的外表面，最后，利用外部塑料覆蓋層(563A)保護(hù)。太陽能波導(dǎo)(551A)的直徑是足夠大，在焦點(diǎn)附近(551A)末端聚焦的窄光束(053A)是在光角度的圓內(nèi)，例如，10°-20°，這是我們從波導(dǎo)(551A)的截面周邊(555A)向著中心(552A)觀看時(shí)[取決于太陽能波導(dǎo)壁(554A)的水透明材料折射率]，為的是在彎曲矩形棱鏡(556A)的全反射角以及太陽能波導(dǎo)元件(571A)和(581A)的相對(duì)角之內(nèi)，它們配置以下描述的全反射反射器(571A)和(581A)。
光束射線(053A)必須按照這樣的方式從其一端進(jìn)入這種太陽能干線(551A)，光束(053B)的聚焦點(diǎn)(504′B)與太陽能干線(551A)的張角中心(552A)重合與，而光束(053A)的對(duì)稱軸與太陽能波導(dǎo)的對(duì)稱軸(553A)一致。光束(053A)的聚焦點(diǎn)(504′B)實(shí)際上不是一個(gè)點(diǎn)，而是直徑為(Δ2)的圓(∏2)，其中(Δ2)＜(Δ)＝太陽能波導(dǎo)的直徑，它的名稱是輸入圓(560A)。在本發(fā)明的情況下，光束(053A)的輸入圓(560A)直徑應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)在太陽能波導(dǎo)(551A)內(nèi)壁(555A)上的任何點(diǎn)，其角度小于2Ψ*5°(其中因子Ψ＞1變得較大，只要光束的張角變得較小，例如，光束的張角等于±5°和折射率n＝1.5，則輸入圓的直徑可以變成與太陽能波導(dǎo)的內(nèi)直徑相等)。以上的條件是必須的，為了使光束射線(053A)是在彎曲矩形棱鏡(556A)內(nèi)表面之內(nèi)，在折射率n＝1.5的情況下，其角度小于Ψ*5°，因此，我們可以使太陽能光束(053A)在任何彎曲矩形棱鏡(556A)上有全反射。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)入射角是在±Ψ′*5°的要求[其中Ψ′*5°＝Ψ*5°在垂直于軸(553A)上的投影]，該角度是相對(duì)于(555A)內(nèi)周邊Δ1任何點(diǎn)的Δ1半徑，輸入光束射線(053A)必須有直徑Δ2＜Δ的輸入圓和相對(duì)于其傳輸軸的開口角_小于或等于±x*5°，其中0＜x＜45/9。
彎曲矩形棱鏡結(jié)構(gòu)實(shí)施的校正使全反射光線有這樣的性能，以角度_＜Ψ*5°入射到太陽能干線(551A)內(nèi)壁上的光線投影到與軸(553A)垂直的水平(∏)上，射出平行于輸入光線在(∏)上的投影，為的是繼續(xù)順序的反射(其中每個(gè)射出光線在(∏)上的投影平行于輸入光線在∏上的對(duì)應(yīng)投影)，總是入射到內(nèi)壁(555A)的其他的入射點(diǎn)上，其角度可以確保從彎曲矩形棱鏡(556A)上的全反射。
以橫向角_入射到內(nèi)壁上的光束射線A0K10(其中有上述的投影，例如，_＜5°，n＝1.5)，由于全反射的橫向特向，它們?cè)趶澢匦卫忡R(556A)中以全反射射到相同的側(cè)面，它們由此輸入并平行于(在它們路由的垂直方向)入射光線A0K10。按照這種方法，橫向入射到內(nèi)壁上的光線(但是總有角度_，例如，-5°＜_＜5°，n＝1.5)遭受相繼的全反射，其中入射到內(nèi)壁上的角度是在獲得全反射的限制內(nèi)，因?yàn)樗偸巧涑銎叫杏?與它的路由垂直投影有關(guān))入射光線的光，因此，可以保持全反射的相對(duì)位置，它總是從圓∏2的內(nèi)部傳輸[可以總是確保與太陽能干線(551A)內(nèi)壁(555A)接觸的下一個(gè)點(diǎn)也有確保的全反射]。
與此相反，沒有彎曲矩形棱鏡(556A)施加的校正性路由，從全反射形成的出射光線K20Δ0就偏離與入射光線AK10′的平行路由[在射線A0K1′的例子中，其投影垂直入射到太陽能波導(dǎo)內(nèi)壁(555A)上點(diǎn)K1′的水平∏]，在每個(gè)全反射中角度為_1(n＝1.5)，其中_1是以上確定的入射點(diǎn)曲率角(相同的關(guān)系也適用于橫向入射)。
在一些全反射次數(shù)之后出現(xiàn)這樣的結(jié)果，由于發(fā)散誤差的代數(shù)和，反射的光線到了輸入圓∏1＝(561A)邊界線的限制之外，在該限制中我們有全反射，所以，下一個(gè)入射的光線不會(huì)在太陽能波導(dǎo)的內(nèi)壁上經(jīng)受全反射并射出太陽能波導(dǎo)(損耗)。
所以，在太陽能波導(dǎo)的情況下，彎曲矩形棱鏡(556A)必須施加到出射光線K2′Δ路由的校正，左旋K2′Δ的角度_1(在拋物型反射器的情況下是1×_1代替3×_1)，因此，K20′Δ0的投影以平行于入射光線A0K10′的投影射出(和K2′Δ平行于A K1′)。
所以，K2K2′應(yīng)當(dāng)左旋_1/n(在該例子中，_1＝1°，1°/4×1.5＝0.1667°)，所以，常規(guī)矩形棱鏡的側(cè)面H1Θ和ΘH2應(yīng)當(dāng)各自圍繞點(diǎn)K1和K2轉(zhuǎn)動(dòng)_1/4n，H1Θ右轉(zhuǎn)和ΘH2左轉(zhuǎn)，(在該例子中，_1＝1°，1°/1.5＝0.6767°)。即，彎曲矩形棱鏡(556A)的側(cè)面在每個(gè)點(diǎn)K1的曲率等于_1/4n，其中_1是在每個(gè)點(diǎn)K1′的對(duì)應(yīng)角，和n是太陽能干線材料的折射率(同樣，考慮到sin_3/sin_4＝_3/_4＝n＝1.5，這是由于角度很小)。
實(shí)際上，彎曲矩形棱鏡(556A)對(duì)在橫向角度下入射光線的校正不是100％(即，出射光線不是與入射光線完全平行)，因?yàn)樗笄手钊Q于從中心位置去除全反射點(diǎn)K1和K2，它們對(duì)應(yīng)垂直于(555A)入射光線的反射。然而，利用統(tǒng)計(jì)互衰減發(fā)散度施加的校正增大或減小到初始入射角(取決于第二個(gè)全反射是在理想K1或K2的右側(cè)或左側(cè))，可以使太陽能干線(551A)給出的損耗幅度至少小于常規(guī)太陽能管一個(gè)數(shù)量級(jí)，常規(guī)太陽能管利用全反射的反射壁，但它是全反射矩形(沒有彎曲校正)的棱鏡。
這意味著，對(duì)于相同百分比的損耗，例如，50％，太陽能干線(551A)能夠傳輸?shù)奶柲芄庵辽俦冉ㄖ镏刑柲苷彰鏖L一個(gè)數(shù)量級(jí)(例如，若常規(guī)太陽能管傳輸太陽能光50m有50％的損耗，則有彎曲矩形棱鏡的太陽能波導(dǎo)在相同的損耗下可以傳輸500m或更長)。
或者，在校正的太陽能干線(551′A)中，其結(jié)構(gòu)類似于上述校正的太陽能干線(551A)(且它有相同數(shù)目的結(jié)構(gòu)元件，但利用音調(diào)增強(qiáng)亮度)，其特征是，彎曲矩形棱鏡(556A)對(duì)全反射產(chǎn)生的出射光線K20Δ0施加校正性路由，可以使入射光線A0K10′產(chǎn)生發(fā)散[垂直入射到太陽能干線內(nèi)壁(555A)的點(diǎn)K1′水平∏上的矢量分量光線A K1′例子]，在每次全反射中，發(fā)散的角度為_1/4n≤_2≤3_1，例如，角度_4＝3_1(其中n＝1.5，如同以上第1節(jié)中拋物型反射器的情況，和圖1b中表示的細(xì)節(jié)A)，其中_1是以上確定入射點(diǎn)的曲率角(相同的關(guān)系也適用于橫向入射的情況)，因此，K′2Δ不是以平行于AK1′的方向射出，而是會(huì)聚到焦點(diǎn)E，如同在以上第1節(jié)中拋物型反射器的情況)。
然而，在太陽能干線(551′A)的情況下，彎曲矩形棱鏡(556A)必須校正出射光線K2′Δ的路由(左旋K2′Δ)角度_4＝3_1(如同以上拋物型反射器的情況)。所以，K2K′2應(yīng)當(dāng)左旋2_1(在該例子中_1＝1°，2_1＝2°)，所以，常規(guī)矩形棱鏡的側(cè)面H1Θ和ΘH2應(yīng)當(dāng)各自圍繞點(diǎn)K1和K2轉(zhuǎn)動(dòng)_1/2，H1Θ右旋和ΘH2左旋(在該例子中_1＝1°，_1/2＝0.5°)。即，彎曲矩形棱鏡(556A)的側(cè)面在每個(gè)點(diǎn)K1的曲率等于_1/2，其中_1是每個(gè)K1′的對(duì)應(yīng)角，和n是太陽能波導(dǎo)的折射率(同樣，考慮到sin_3/sin_4＝_3/_4＝n＝1.5，這是由于角度很小)。
對(duì)于傳輸太陽能光譜可見光部分的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用常規(guī)光纖(即使高質(zhì)量光纖)傳輸20m-30m的損耗是50％，因?yàn)椴淮嬖诳梢娞柲芄庾V中所有波長范圍的合適材料(每種光纖材料被調(diào)諧到特定的波長，光損耗在此波長之外急劇地增長)。
與此相反，所有從內(nèi)部進(jìn)入太陽能干線(551A)壁(554A)的窄光束射線(053A)經(jīng)受外部彎曲矩形棱鏡(556A)的全反射，并按照全內(nèi)反射定律再次從內(nèi)側(cè)射出，如以下所描述的，它們?cè)诳諝庵醒夭▽?dǎo)(551A)的內(nèi)部傳播，其損耗小于相同質(zhì)量透明材料制成的常規(guī)光纖(例如，熔凝石英，超透明塑料光纖等)。太陽能干線(551A)中每個(gè)反射光線在每次全反射之后沿內(nèi)部(551A)傳播，在空氣中傳播的距離至少比在透明光學(xué)材料中大10-100倍[取決于干線(551A)中的壁(554A)厚度和直徑(555A)]，因此，它的吸收損耗減小相同的倍數(shù)。
所以，對(duì)于傳輸可見太陽能光譜相同的距離和相同的結(jié)構(gòu)材料，利用太陽能干線(551A)可以減小光損耗，相對(duì)于以上報(bào)告的光纖損耗，減小的百分比為5-10％或更小，因此，在相同的損耗水平下，太陽能光譜中可見光部分可以傳輸?shù)木嚯x約長10或20倍(或更大)。
以下描述太陽能干線(551A)與角度元件(571A)和集中或分配元件(581A)的組合，可以在建筑物內(nèi)對(duì)應(yīng)的太陽能照明器件(591A)中建立收集網(wǎng)絡(luò)(590A)和分配網(wǎng)絡(luò)(590B)[照明器件(591A)還可以配置有調(diào)光器的普通燈，用于補(bǔ)償夜間太陽能光的減小]。
太陽能干線(551A)最好是筆直的部件，可以最大限度利用輸入光束(053A)的張角_(它們還可以接受其路由軸角的變化，直至允許每次實(shí)現(xiàn)全反射的限制)。
利用角度元件(571A)可以使沿路由(例如，90°)方向有很大的變化，角度元件的結(jié)構(gòu)是輸入和輸出太陽能干線(551A)(固定或圍繞其軸轉(zhuǎn)動(dòng))，以及有高反射率的一個(gè)常規(guī)反射器(574A)，例如，寬光束(052A)的角度范圍是-45°＜_＜45°，而窄光束(053A)的角度范圍是-5°＜_＜+5°，它利用有平行矩形棱鏡(576A)的全反射反射器(575A)，其頂部Acmes(577A)平行于確定輸入部件(572A)和輸出部件(573A)的軸(578A)和(579A)。
反射器(574A)或TRR(575A)放置在與太陽能波導(dǎo)軸成45°角，為的是可以改變傳輸?shù)奶柲芄馐?053A)方向?yàn)?0°，但也可以改變放置的角度為50°，則實(shí)現(xiàn)光束(053A)的改變方向是二倍角，在此情況下為100°。
借助于右角發(fā)散的棱鏡(571′A)也可以實(shí)現(xiàn)角度元件(571A)，它是利用衍射透明材料或晶體或水透明玻璃制成，它在-90°＜_＜90°的條件下起作用，然而，光束(053A)的輸入和輸出造成反射損耗。
在從各種小的太陽能干線(551A)輸入許多光束到一個(gè)較大波導(dǎo)的情況下，可以利用有多邊反射面(582A)的多角度元件(581A)，它是由許多TRR(575A)構(gòu)成，每個(gè)TRR(575A)與相反太陽能波導(dǎo)(551A)的軸(553A)成45°角，太陽能干線(551A)被支撐在與(551A)相對(duì)的穿孔容器(583A)上，借助于(575A)，光束(053A)從各種有小直徑的太陽能干線(551A)中輸入到較大的太陽能波導(dǎo)(561A)，或與其相反，光束(053A)從較大的太陽能干線(551′A)中射出，并分配到許多較小的波導(dǎo)中，這些較小的波導(dǎo)中排列成圓形，它們與(551′A)的軸(553′A)成90°角。
利用截頭錐形(內(nèi)部)棱鏡(581′A)也可以制成多角度元件，其材料與(571′A)的相同，然而，它增大角度_和輸入-輸出的反射損耗。
最后，從較大的太陽能干線(551′A)減小到較小的太陽能波導(dǎo)(551A)，我們利用減法角度元件(571′A)，它是由圓形常規(guī)反射器(574′A)或TRR(575′A)構(gòu)成，并把它放置在較大太陽能干線(551′A)內(nèi)成45°角，和在＜90°角度下發(fā)送反射的太陽能光束(053A)通過橫向圓形開孔(562A)進(jìn)入較小的太陽能干線(551A)，它最初的直徑等于開孔(562A)的直徑。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能照明，太陽能空調(diào)和太陽能水浴加熱的單點(diǎn)聚焦太陽能系統(tǒng)S/S(500A)，其特征是，它配置校正的主拋物型全反射反射器(501A)和次橢球型反射器(201A)以及校正的太陽能波導(dǎo)(551A)和太陽能波導(dǎo)附件(571A)和(581A)，它們相應(yīng)地配置彎曲矩形棱鏡(CRP)(007A)，(CRP)(007′A)和(556A)，因此，可以消除簡單的常規(guī)矩形全反射棱鏡的缺陷；其特征是，它設(shè)計(jì)成提供建筑物內(nèi)的太陽能照明并生產(chǎn)冷卻和熱能；其特征是，實(shí)現(xiàn)S/S(500A)中結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)，如以下所描述的主拋物型全反射反射器(PTRR)(501A)包含拋物型反射器中的一個(gè)部分[它也表示為(101A)且該部分可以理解為完整反射器中的任何一個(gè)部分或完整反射器]；例如，主PTRR(501A)可以包含1，2，3，4或更多個(gè)基于合適拋物型基片的全反射瓦片(TTR)(131A)，每個(gè)瓦片的主要尺寸約為20×20cm，因此，利用現(xiàn)有的玻璃壓制機(jī)器可以低成本制作(TTR)(131A)；(501A)和(131A)的材料包括例如，沒有氧化鐵的水透明玻璃或自撐式或支撐在合適基片上的透明塑料；其特征是，TTR(131A)的前表面(113A)有光滑的拋物型形狀，而后表面(113Γ)也是拋物型和浮雕形狀，并包含校正的矩形棱鏡(007A)[它也表示為(114A)]，其頂部Acmes(115A)會(huì)聚并相交于完整拋物型全反射反射器(101A)的頂點(diǎn)(102A)[(101A)與主PTRR(501A)一致，而校正矩形棱鏡CRP(114A)或(007A)的側(cè)面相交線不是直線，它們是CRP(114A)或(007A)的校正曲線，因此，可以實(shí)現(xiàn)精確的聚焦；其特征是，它有對(duì)稱軸(551A)(指向太陽)以及旋轉(zhuǎn)軸(512A)和(512Γ)(分別對(duì)應(yīng)水平和垂直方向)；其特征是，主PTRR(501A)是基于金屬支撐架(505A)(例如，其結(jié)構(gòu)是利用壓制鋁片制成衛(wèi)星電視天線的拋物型板)，它基于垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(508A)，該機(jī)構(gòu)基于水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(508B)[類似于以下的機(jī)構(gòu)(108A)和(109A)]，并借助基于支撐底座(510B)的兩個(gè)軸承(508Γ)；其特征是，次全反射反射器(STRR)(201A)包含橢球型反射器中的一個(gè)部分，它類似于對(duì)應(yīng)物(501A)中的這個(gè)部分，并由與對(duì)應(yīng)物(501A)相同的材料制成；其特征是，STRR(201A)包含1，2，3，4或更多個(gè)基于金屬支撐架(507A)的全反射瓦片(TRT)(231A)，該金屬支撐架基于支撐架(505A)；其特征是，TRT(231A)的前表面(213A)有光滑的拋物型或旋轉(zhuǎn)橢球型形狀[取決于(201A)位于焦點(diǎn)(504A)之前或之后]，而后表面(213Γ)也是拋物型或橢球型和浮雕形狀，并包含校正的矩形棱鏡(214A)，其Acmes(215A)會(huì)聚到(201A)的頂點(diǎn)(202A)，而校正矩形棱鏡CRP(214A)的側(cè)面(233Γ)相交線不是直線，它們是CRP的校正曲線，因此，可以實(shí)現(xiàn)精確的聚焦；其特征是，主全反射反射器(501A)[利用CRP(007A)或(114A)校正]建立寬光束射線(052A)，它入射到次反射器(201A)上并被反射返回，次反射器(201A)設(shè)計(jì)成有合適尺寸的旋轉(zhuǎn)橢球型，并放置在焦點(diǎn)(504A)之后，因此，它收縮太陽圖像到所需的程度，并按照這種方式建立有所需光束角(例如，小于±5°)的窄光束射線(053A)；其特征是，S/S(500A)在入射到焦點(diǎn)(504′B)之前具有窄光束射線(053A)的反射媒體(231C)(例如，有平行后表面全反射棱鏡的全反射反射器)，它放置成與窄光束軸(053A)成45°角，非常接近于焦點(diǎn)(504′B)并在它之后，和非常接近于太陽能波導(dǎo)(551A)的入口，因此，它反射窄光束(053A)進(jìn)入太陽能波導(dǎo)(551A)，該波導(dǎo)的開口接近于反射窄光束(053A)的焦點(diǎn)(504A)及其光軸(553A)，該軸平行于一個(gè)光束(053A)；在那些情況下或在建筑物內(nèi)不需要太陽能照明的白天時(shí)間，可以抽出TRR(231Γ)或其中一些，因此，窄光束直接聚焦到選擇性黑色吸收劑表面(562A)，它放置在焦點(diǎn)(504′B)上，從而可以轉(zhuǎn)移光束(053A)的熱能進(jìn)入工作流體(502E)[利用它作為熱水或通過有硅膠的吸收熱泵用于空調(diào)的冷卻功率]；其特征是，反射的窄光束射線(053A)被聚焦到太陽能波導(dǎo)(551A)的中心(552A)，該波導(dǎo)放置在最后的焦點(diǎn)(504B)上，而太陽能波導(dǎo)的軸(553A)平行于窄光束軸(053A)；太陽能波導(dǎo)(551A)結(jié)構(gòu)中有校正的彎曲矩形棱鏡(556A)，可以使損耗減至最小，因此，太陽能光譜的窄光束(053A)通過太陽能波導(dǎo)(551A)被轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，通過特殊的太陽能照明器材(SLF)(591A)進(jìn)行自然照明；其特征是，對(duì)于集中太陽能輻射的許多主反射器(501A)，它們串聯(lián)地安排在固定底座或浮動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座上，每個(gè)主反射器(501A)的太陽能波導(dǎo)(551A)集合地通過角度附件(571A)到主多角度附件(581A)，每個(gè)主反射器(501A)的太陽能波導(dǎo)(551A)中每個(gè)太陽能光束(053A)與附件一起插入到主波導(dǎo)(551′A)并被轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)部，其中按照相反的方式借助于多角度附件(581A)分配太陽能輻射(053A)到每個(gè)樓層的較小波導(dǎo)，該波導(dǎo)發(fā)射光到我們需要照明的房間，其中利用較小直徑的太陽能波導(dǎo)(551A)或較大直徑的光纖，最后分配到照明器件，從而可以實(shí)現(xiàn)恒定的照明強(qiáng)度進(jìn)入房間，當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度變化時(shí)，常規(guī)的熒光燈通過調(diào)光器可以保持照明強(qiáng)度恒定，相應(yīng)地增大或減小熒光燈的光通量。
2.一種用于太陽能照明，太陽能空調(diào)和太陽能水浴加熱的單點(diǎn)聚焦太陽能系統(tǒng)S/S(500′A)，它有按照權(quán)利要求1中S/S(500A)的結(jié)構(gòu)，并有相同數(shù)目的結(jié)構(gòu)元件；其特征是，反射媒體(231C)是普通冷反射鏡(231Γ)，其中S/S(500′A)的特征是，窄光束射線(053A)在聚焦到與普通冷反射鏡(231Γ)相交的焦點(diǎn)(504′B)上之前以45°角射向窄光束(053A)的軸，該反射鏡僅反射光譜中可見光部分(從λ＝0.4μm至0.7μm)，其反射系數(shù)大于96％，與太陽能波導(dǎo)(551A)成90°角[該波導(dǎo)的開口是在窄光束(053A)的焦點(diǎn)(551A)上，且它的軸(553A)平行于一個(gè)光束(053A)]，同時(shí)允許光譜中紅外(IR)部分(從λ＝0.7μm至2.4μm)以很小的吸收損耗5-10％傳輸通過，其中窄光束(053A)中IR部分直接聚焦到放置在焦點(diǎn)(504′A)的選擇性黑色吸收劑表面(562A)，它轉(zhuǎn)移IR光束(053A)的熱能到工作流體(502E)上[利用它作為熱水或通過有硅膠的吸收熱泵用于空調(diào)的冷卻功率]，與此同時(shí)避免轉(zhuǎn)移太陽能光譜中IR部分熱能進(jìn)入建筑物，可以節(jié)約建筑物中空調(diào)單元冷卻裝置的相應(yīng)功率；其特征是，隨后，全部或僅僅部分太陽能光譜中窄光束(053A)通過太陽能波導(dǎo)(551A)被轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，可以通過特殊的太陽能照明器材(SLF)(591A)進(jìn)行自然照明；其特征是，與常規(guī)的P/V系統(tǒng)比較，本發(fā)明太陽能系統(tǒng)S/S(500A)產(chǎn)生或代替超過10倍的電功率和3倍的熱或冷卻功率(用于熱水或空調(diào)功率)。
3.一種太陽能系統(tǒng)S/S(100A.B)，它有按照權(quán)利要求1中S/S(500A)的結(jié)構(gòu)，但其特征是，它僅包含有頂點(diǎn)(102A)的完整(或其部分)主拋物型全反射反射器(PRTR)(101A)，其中太陽能光線(051A)在入射到主PRTR(101A)之后建立第一反射的寬光束射線(052A)，它聚焦到焦點(diǎn)(104A)并借助于輔助反射器(363A)直接聚焦到P/V電池(302A)，而從P/V電池(302A)冷卻中得到熱水形式的熱能或冷卻能，并利用有硅膠的吸收熱泵，其中反射器(101A)基于金屬支撐環(huán)(105A)(外部)和(105Γ)(內(nèi)部)，它是由金屬支撐架(107A)支撐，該支撐架是基于水平旋轉(zhuǎn)頭(108A)，而水平旋轉(zhuǎn)頭(108A)是基于底座(110A)上的柱狀/垂直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(109A)；其特征是，全反射反射器(101A)包含沒有氧化鐵的水透明玻璃[一片小表面或包含全反射瓦片(TRT)(131A)，它構(gòu)成部分的拋物型表面(113′A)和基于合適拋物型基片的較大表面]或自撐式或基于合適基片的透明塑料，其中(113′A)的前表面(113A)有光滑的拋物型形狀，而后表面(113Γ)有浮雕式拋物型形狀，并與(113A)平行和包含校正的彎曲矩形棱鏡(114A)，其頂部Acmes(115A)會(huì)聚并相交于反射器(101A)的頂點(diǎn)(102A)，該反射器有對(duì)稱軸(111A)(指向太陽)和旋轉(zhuǎn)軸(112A)和(112Γ)(分別對(duì)應(yīng)垂直和水平方向)。
4.一種太陽能系統(tǒng)S/S(100A)，它有按照權(quán)利要求3中S/S(100A，B)的結(jié)構(gòu)，但其特征是，太陽能光線(051A)在入射到主PRTR(101A)之后建立第一反射的寬光束射線(052A)，它聚焦到焦點(diǎn)(104A)上，在從次反射器(201A)[它支撐在環(huán)(101A)上的支架(207A)]反射之后，建立窄光束射線(053A)，該射線到達(dá)最后的焦點(diǎn)(201A)并借助于輔助裝置(363B)聚焦到基于環(huán)(105Γ)的P/V電池(302A)；其特征是，次反射器(201A)有拋物或旋轉(zhuǎn)橢球型形狀[取決于它放置在對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)(104A)之前或之后，在本發(fā)明的情況下，它設(shè)計(jì)成用于收縮太陽圖像的橢球型]，并包含1，2，3，4，或更多個(gè)全反射瓦片(TRT)(231A)，其前表面(231Γ)是光滑的橢球型，而后表面(213Γ)是浮雕式橢球型并平行于(213A)，它包含校正的彎曲矩形棱鏡(CRP)(214A)，其頂部Acmes(115A)會(huì)聚并相交于反射器(201A)的頂點(diǎn)(202A)。
5.一種太陽能系統(tǒng)S/S(600A)，它有按照權(quán)利要求2和4中S/S(500′A)和S/S(100A)的結(jié)構(gòu)，但其特征是，它設(shè)計(jì)成生產(chǎn)用于太陽能照明的電能以及通過添加結(jié)構(gòu)元件到S/S(500′A)的結(jié)構(gòu)元件上，生產(chǎn)S/S(500′A)的冷卻或熱功率，該結(jié)構(gòu)元件與P/V有關(guān)[P/V電池(302A)，輔助反射器(363A)，電纜(340A)和電池或反相器]；其特征是，S/S(600A)的結(jié)構(gòu)元件(S/E)，它們類似于S/S(500′A)和S/S(100A)的結(jié)構(gòu)元件，并有與S/S(500′A)和S/S(100A)相同的名稱和代號(hào)，但是它們把第一代號(hào)5或1改變成6[例如，S/S(500A)的垂直旋轉(zhuǎn)軸(512A)改變成S/S(600A)中的(612A)，而S/S(100A)中的(302A)，(363A)和(340A)相應(yīng)地改變成S/S(600A)中的(602A)，(663A)和(640A)]和相應(yīng)地改變S/S(600A)的工作類型[例如，不再需要吸收表面(662A)被選擇性輻射吸收層覆蓋，以及P/V電池(602A)也可以對(duì)IR靈敏]，為此目的，添加P/V電池IR(602A)，電纜和輔助反射器(663A)到最后焦點(diǎn)(604B)上冷反射鏡(631C)之后的熱吸收表面(662A)，利用這種方式，入射的集中輻射首先用于生產(chǎn)P/V電能，然后用于生產(chǎn)熱水。
6.按照以上權(quán)利要求1，2，3，4和5的太陽能系統(tǒng)，其特征是，它利用有彎曲矩形棱鏡(007A)的校正拋物型全反射反射器(001A)，其特征是，它們的外部浮雕式表面代替常規(guī)TRR的常規(guī)矩形棱鏡(007a)，它會(huì)聚到拋物型反射器的頂點(diǎn)，具有不同于(007a)的彎曲矩形棱鏡(CRP)(007A)，它們的側(cè)面H′1Θ′和Θ′H′2是彎曲的，且在其最后點(diǎn)K1有曲率角_2＝1/2_1，其中_1是周邊∏1＝(013A)弧K′1O′1的角，導(dǎo)致平面(007A)與拋物型TRR(001a)內(nèi)表面(004A)的區(qū)域O1的相交部分[且其中點(diǎn)K′1O′1是K1和Θ在∏1＝(013A)上的投影；其特征是，利用(CRP)(007A)，拋物型TRR(001A)校正常規(guī)TRR的漫射缺陷并實(shí)現(xiàn)完全的聚焦，例如，從TRR(001A)射出的光線K10′Δ0″(它來自入射的A0K10′)并不偏離焦點(diǎn)K20′Δ0′的路由，在_4＝3_1的情況下，在有矩形棱鏡的常規(guī)TRR中，它跟隨K20′Δ″和精確地聚焦，從而可能實(shí)現(xiàn)非常大的集束比(數(shù)量級(jí)為500-1000個(gè)太陽或更多)，其中拋物型TRR(001A)是利用折射率n>2=1.41]]>的透明材料制成，例如，透明塑料(丙烯酸樹脂)或水透明普通玻璃；它們的結(jié)構(gòu)是有彎曲矩形棱鏡(007A)的浮雕式外表面(002A)，它有對(duì)稱軸(003A)，光滑的拋物型內(nèi)表面(004A)，周邊∏＝(005A)，入射光線A0K10′＝(006A)，出射光線K′20Δ0″，焦點(diǎn)E0，∏1＝(013A)水平上的輔助焦點(diǎn)E，CRP的高度(008A)(007A)，CRP的寬度(009A)，∏＝(005A)的直徑Δ＝(010A)，并在最后給出內(nèi)表面(004A)的矩形部分(301A)，它可用作其他太陽能系統(tǒng)中的主拋物型CRP。
7.按照以上權(quán)利要求1，2，4和5的太陽能系統(tǒng)，其特征是，它利用有彎曲矩形棱鏡(007′A)的校正旋轉(zhuǎn)橢球全反射反射器(201A)，其結(jié)構(gòu)如同權(quán)利要求6中的校正拋物型TRR(001A)，然而，其特征是，它利用旋轉(zhuǎn)橢球型代替拋物型，且其中它們所有結(jié)構(gòu)元件號(hào)是由音調(diào)激勵(lì)[例如，(001′A)，(002′A)，(003′A)，(004′A)，(005′A)，(006′A)，(007′A)，(008′A)，(009′A)，(010′A)，(012A)，(013A)，而相當(dāng)?shù)木匦涡D(zhuǎn)橢球部分(301′A)名稱為(231A)并用作其他太陽能系統(tǒng)中的次棱鏡(301A)。
8.按照以上權(quán)利要求1，2，5，6和7的太陽能系統(tǒng)，其特征是，它利用有彎曲矩形棱鏡(556A)的校正太陽能波導(dǎo)(551A)；其特征是，它們的外部浮雕式表面，代替常規(guī)的全反射矩形棱鏡(556A)，該棱鏡有常規(guī)的太陽能波導(dǎo)，具有校正的彎曲矩形棱鏡(CRP)(556A)，它不同于(556A)，因?yàn)樗鼈兊膫?cè)面H1′Θ′和Θ′H2′是彎曲的，并在任何點(diǎn)K1有曲率角_2＝_1/4n，其中n是材料(556A)的折射率，而_1是太陽能波導(dǎo)(551A)內(nèi)部周邊∏＝(555A)弧K1′O1′的角度[和其中點(diǎn)K1′O1′是K1和Θ在∏＝(555A)上的投影]；其特征是TRR(556A)，太陽能波導(dǎo)(551A)校正常規(guī)矩形棱鏡的漫射缺陷(損耗)，并在(TRR)(556A)上反射之后輸出光線，輸出光線平行于輸入光線，因此，它們可以確保在以后的反射時(shí)通過輸入圓K2＝(560A)，并確保下一個(gè)TRR(556A)的全反射，可以限制太陽能波導(dǎo)(551A)漫射損耗一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)，相對(duì)于常規(guī)的空心太陽能波導(dǎo)，大于相同百分比損耗下一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)；其特征是，因?yàn)楣庠谔柲懿▽?dǎo)(551A)材料內(nèi)中的傳播比光在光纖內(nèi)傳播相同長度小10-100倍，其結(jié)果是，利用光纖的相同長度的(551A)損耗，它們是小10-100倍，因此，在相同損耗下的傳輸距離是10-100倍大于對(duì)應(yīng)的光纖-波導(dǎo)；其特征是，它的結(jié)構(gòu)是利用透明材料(普通的水透明玻璃)制成薄的空心管，它有開孔中心(552A)，軸(553A)，薄的柱形壁(554A)，光滑的內(nèi)表面(555A)，彎曲的矩形棱鏡(556A)，Acmes(557A)TRR(556A)，矩形頂角(558A)，TRR(556A)，輸入圓(560A)和邊緣(561A)。
9.按照以上權(quán)利要求1，2，5，6和7的太陽能系統(tǒng)，其特征是，它利用有彎曲矩形棱鏡(556′A)的校正太陽能波導(dǎo)(551′A)，它的結(jié)構(gòu)如同權(quán)利要求8中的校正太陽能波導(dǎo)(551A)，但其特征是，它們有彎曲矩形棱鏡(556′A)，與(556A)不同的是，它們的側(cè)面H1′Θ′和Θ′H2是彎曲的，并在任何點(diǎn)K1有曲率角_1/4n＜_2≤_1/2，其中_1是太陽能波導(dǎo)(551′A)內(nèi)部周邊∏＝(555A)弧K1′O1′的角度[和其中點(diǎn)K1′O1′是K1和Θ在∏＝(556′A)上的投影]，[而不是_2＝_1/4n(551A)]，且結(jié)構(gòu)元件具有與音調(diào)激勵(lì)(551A)的相同特征號(hào)。
10.按照以上權(quán)利要求1，2，5，6，7，8和9的太陽能系統(tǒng)，其特征是，它利用太陽能波導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)元件作為角度元件(571A)和多角度元件(581A)，其特征是，在我們有光束輸入角(053A)為-5°＜_＜5°時(shí)，它允許以大角度(例如，90°)改變太陽能波導(dǎo)(551A)的方向而沒有損耗，所以，我們利用有小損耗的全反射反射器(575A)或(582A)，而在-45°＜_＜45°時(shí)，我們利用常規(guī)的反射器(574A)或(584A)和棱鏡(571′A)或(581′A)，其特征是，來自(571A)或(581A)的輸入或輸出太陽能波導(dǎo)(551A)可以圍繞它們的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，(571A)的結(jié)構(gòu)是反射器(574A)(常規(guī))或(557A)(全反射)和棱鏡(571′A)(固定和轉(zhuǎn)動(dòng))的輸入和輸出太陽能波導(dǎo)(551A)，而(581A)的結(jié)構(gòu)是輸入和輸出太陽能波導(dǎo)(551A)，反射器(582A)(全反射)或(582′A)(常規(guī))，和棱鏡(581′A)，支撐架(583A)和大的太陽能波導(dǎo)(561A)，且其特征是，(571A)可以變成減法元件(571″A)，而(581A)可以是收集元件[在大的太陽能波導(dǎo)(561A)中]并從大的太陽能波導(dǎo)(561A)中分配到小的太陽能波導(dǎo)(561A)，其特征是，(571A)和(581A)建立收集網(wǎng)絡(luò)(590A)或分配網(wǎng)絡(luò)(590B)，用于在建筑物內(nèi)部提供太陽能照明(591A)。
全文摘要
本發(fā)明涉及開發(fā)具有彎曲矩形全反射棱鏡的新型拋物型全反射反射器，它消除常規(guī)拋物型TRR中常規(guī)矩形棱鏡的漫射缺陷，因此，可以實(shí)現(xiàn)精確的聚焦和高的集束比(500至1500個(gè)太陽或更多)。此外，本發(fā)明還涉及開發(fā)具有全反射壁，具有彎曲矩形全反射棱鏡的新型太陽能波導(dǎo)，它消除常規(guī)空心太陽能波導(dǎo)中常規(guī)矩形棱鏡處的漫射現(xiàn)象(和損耗)，并在相同損耗水平下增大一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)，和太陽能波導(dǎo)的范圍。本發(fā)明還涉及開發(fā)混合式集束太陽能系統(tǒng)，它利用有上述彎曲矩形全反射棱鏡的校正拋物型反射器，并可以實(shí)現(xiàn)太陽能加熱，冷卻能和電能的適當(dāng)價(jià)格，本發(fā)明還涉及一種混合式太陽能系統(tǒng)，它能夠在上述的太陽能波導(dǎo)中建立窄光束，利用太陽能照明替換建筑物照明以及生產(chǎn)熱能，冷卻能和電能。
文檔編號(hào)F24J2/06GK1798944SQ200480015181
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者亞歷山德羅斯·帕帕佐普洛斯 申請(qǐng)人:亞歷山德羅斯·帕帕佐普洛斯