光集中器结构和方法技术

一种装置出于诸如用集中均化的能量照射目标区域的目的而利用组合的衍射、反射和／或折射光学元件来对诸如陆地环境中的自然日光的电磁能量进行加强和匀化。还描述了一种热激活安全机构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于光学领域。并且，本专利技术属于对诸如日光的电磁能量的集中有用的光 学结构和技术的领域。
技术介绍
在对文献、法案或知识项目进行参考或讨论的本说明书中，此参考或讨论不是承 认该文献、法案或知识项目或其任何组合在优先权日时可公开获得、为公众所知、是公共 常识的一部分、或根据可适用法律规定以其他方式构成现有技术；或已知其与解决本说明 书所涉及的任何问题的尝试有关。日光集中器(concentrator)可以包括光学系统，该光学系统拥有大于其出口 孔径的入口孔径，其被设计为将日光集中到小于入口孔径面积的目标区域上。技术术 语“孔径”指的是收集或聚集入射能量或日光的有效面积、以及在其上接收集中能量或日 光的有效面积。入口孔径的面积Aa与目标孔径的面积At的比定义系统的几何集中比 (concentrationratio)Cg,即Cg = Kjkto在历史上，已经使用具有比光的波长大得多的特 征尺寸的几何光学元件实现了日光集中器，并且其根据几何或射线光学的原理操作。这些 光学元件本质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(例如球形弯曲或抛物线形弯曲)的反射镜形 成，诸如一级三维(即点聚焦)共轴椭圆抛物线集中器，其由以回转抛物面的形状形成的反 射镜组成，即由(x/a)2+ (y/b) 2-z = 0来描述反射镜的曲率；其中，a = b，或者二维(即线聚 焦)共轴抛物线线性集中器，其由这样的反射镜组成，该反射镜具有回转抛物面的二维横 截面形状，该回转抛物面沿着ζ轴切割并纵向地突出而形成槽。有时，使用平面(即平坦) 镜阵列来近似曲面镜。折射集中器通常依赖于球面透镜或非球面透镜或其近似物。如图1 2A所示，这 些透镜是常规曲面透镜10，或者阶梯或菲涅耳透镜20。这些透镜用来使日光30聚焦或集 中到点或线。常规透镜由具有比空气的折射率大的折射率(即η > 1. 0003)的固体光学透 明介质组成。典型地，利用诸如熔融石英玻璃(η = 1.459)或聚碳酸酯塑料(诸如Lexan (η =1.586))的材料。阶梯或菲涅耳透镜具有与常规透镜的厚度相比减小的厚度。在传统的 成像菲涅耳透镜20中，通过将连续的标准透镜表面划分成一组不连续棱柱曲面来实现厚 度减小，每个棱柱曲面具有与其近似的常规透镜表面的片段相同的曲率。典型地使用与常 规透镜相同的材料来制造阶梯或菲涅耳透镜。曲面镜、用来近似曲面镜的平面镜阵列、以及透镜通过几何光学原理操作。曲面镜 具有取决于其表面的曲率半径的焦距f，典型地f是曲率半径的二分之一。平面镜阵列具有 取决于由其相对于彼此的物理放置形成的虚拟曲线的半径的有效焦距。常规透镜具有取决 于其入口和出口表面的曲率半径、透镜材料的折射率η、和透镜材料的物理厚度的焦距。另外，如果必需的阵列冷却系统发生故障，则射到诸如光生伏打电池阵列的太阳 能阵列上的集中太阳能可能由于过热而导致对电池的灾难性且不可逆转的损坏。
技术实现思路
根据某些方面，本专利技术提供了解决常规集中器和阵列所拥有的一个或多个上述问 题的结构、装置和技术。因此，根据一方面，本专利技术提供一种用于使入射电磁能量集中到近似线的高度偏 心椭圆中的装置，该装置包括至少一个光学部件，包括折射部件或反射部件；至少一个衍 射部件，该衍射部件包括多个衍射元件，所述衍射元件被构造和布置为对入射电磁能量进 行衍射和均化。根据另一方面，本专利技术提供一种装置，该装置包括至少一个部件，其适合于在正 常工作温度期间接收入射在其上的电磁能量；以及热激活安全机构，该机构被配置和布置 为在达到预定最高温度后从入射电磁能量的路径中去除所述至少一个部件或阻止电磁能 量到达所述至少一个部件。附图说明图1是常规构造的曲面光学元件的剖视图。图2A是常规构造的菲涅耳光学元件的剖视图。图2B是可以结合根据本专利技术的某些方面构造的装置利用的非成像菲涅耳透镜或 光学元件的剖视图。图3A是根据本专利技术的一方面形成的示例性装置的透视示意图。图3B是图3A的区域3B的特写部分透视示意图。图4是根据本专利技术的其它方面形成的示例性装置的透视示意图。图5是在关闭或停机状态下示出的、根据本专利技术的一方面构造的安全机构的示意 图。图6是在打开或操作状态下示出的图5的安全机构的示意图。图7是根据本专利技术的任选实施例形成的安全机构的示意图。具体实施例方式根据某些实施例，本专利技术包括利用衍射元件、衍射和反射光学元件、衍射和折射光 学元件、或衍射、反射、和折射光学元件的组合而实现的非成像型二维、或线聚焦电磁能量 集中器。这些装置的一种可能使用是收集在陆地环境中发现的环境自然日光(即1太阳集 中级)并使所述自然日光加强或“集中”至非常高的强度或在20至200的量级、乃至更高 的。值。本文所使用的“在…量级”意指具有相同的幅值水平或相同的10的幂。因此，根 据其它方面，本专利技术被构造为使日光加强或集中至约20至200的Cg值或强度。提供上述 集中或强度水平的本专利技术的装置可以与例如单轴方位角或双轴极坐标太阳跟踪装置相结 合地使用。然后，可以使用此集中日光来照射光生伏打电池以便产生电。可选地，可以使用集 中日光来照射被设计为捕捉从紫外线到远红外线的宽电磁谱的无源吸收器。可以将此类捕 捉能量用于多种目的，特别是诸如使水加热或过热以便与电解器相结合地用来产生氢气、 使水或诸如油的另一工作流体加热或过热以便间接地产生电、使水加热以便直接使用或消5耗、或用于通过各种热电转换技术中的任何一种来直接产生电。在可替换的实施例中，本专利技术还可以用来使日光集中至低集中度或在< 20的量 级的Cg值，例如在2. 0的量级的Cg值。根据本专利技术的其它方面，可以将装置构造为使日光 集中至低集中度或约< 20的Cg值，例如约2. 0的Cg值。产生这些相对较低日光集中度水 平的装置典型地没有复杂和/或昂贵的跟踪系统。因此，根据本专利技术的原理形成的此类装 置可能更适合用于直接消费者应用，诸如预计用于家庭安装的太阳能阵列。本专利技术可以利用衍射形成物(formation)或元件，以及包括此类形成物或元件的 衍射部件，具体而言是模拟全息光成形表面漫射器(diffuser)、数字(即计算机生成的)全 息图、和/或开诺全息照片(kinoform)，以使落在地面上的光成形为近似线的具有高偏心 率的均化椭圆。在历史上，日光集中器或有时所说的太阳能集中器仅仅依赖于诸如反射镜 的反射光学元件、或诸如透镜的折射光学元件来执行集中任务。通常可以表征为衍射部件的示例的表面漫射器和数字全息图/开诺全息照片可 以具有在光波长量级的衍射形成物或元件尺寸，并根据物理或波动光学的原理作为非成像 光学元件操作。这些衍射形成物或元件(例如105)典型地具有在20 μ m或以下量级的厚 度、。可选地，衍射形成物或元件可以具有约20μπι或以下的厚度tp通过衍射过程，在 进入日光的波长的数量级的距离内发生进入日光的快速成形。相比之下，在典型地为数毫 米、数厘米、乃至数分米的距离内发生通过折射透镜进行的入射日光的弯曲或成形，此距离 对应于光学元件的三个、四个、乃至五个数量级的更大厚度。此减小的衍射元件体积意味 着衍射元件不仅仅薄得多，而且重量更轻且制造更便宜，因为可以用高速、低成本卷绕式 (rol本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将入射电磁能量集中到近似线的高度偏心椭圆中的装置，该装置包括：至少一个光学部件，其包括：折射部件或反射部件；至少一个衍射部件，该衍射部件包括多个衍射元件，该衍射元件被构造和布置为对入射电磁能量进行衍射和均化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RS布洛克，TC福里斯特，
申请(专利权)人：太阳能技术公司，
类型：发明
国别省市：US