专利名称：光等电磁波的折射型导波器和固定静置式全方位集散汇聚方法
技术领域：
本发明涉及光等电磁波(如阳光、散射光等)的定向导波汇聚和大面积的全方位 集散汇聚的方法和技术，特别是利用透波介质(如玻璃、亚克力等透明物质)的折射性能， 对光等电磁波实施导向，从而使光按照设计的路径实现定向汇聚和固定静置方式的全方 位、大面积集散汇聚的方法和技术。属光等电磁波能源技术领域。
背景技术：
自然光(如阳光、散射光)等电磁波几乎是取之不尽、用之不竭的绿色可再生能 源。照射到地球及周边空间范围内的太阳光能量的总量非常巨大。自然光在空间传播的过 程中不需要外加能量，可以自行传输到各处空间。自然光分布广泛，没有许多能源资源存在 的远距离运输问题，处处都有可能实现采集和利用。因此，自然光(太阳能)具有无可比拟 的优越性。但自然光(太阳能)不仅能量密度较低，而且传播的角度是在全方位范围内变 化，并且传播分布的空间非常大，限制了自然光在许多方面的应用。反射内壁管道可以较好 地传输自然光，但直接缩径汇聚会使部分光的传播反向而出现光反转传输损失；同样，两个 反射内壁管的直接并列并联汇聚或交叉连接汇聚也会出现类似的问题。
发明内容
本发明的目的是利用透波介质(如玻璃、亚克力等透光物质)的折射性能，以几何 光学为基础设置汇聚器和棱镜体导光器的结构、方法与技术，使自然光等电磁波按照设计 的路径在反射型内壁管道中实现定向汇聚和固定静置方式的全方位、大面积集散汇聚。获 得高能量密度的光等电磁波能源，克服自然光等电磁波存在的传播分散、能量密度低等方 面问题。本发明通过如下的方法、结构和技术实现上述目的设置汇聚器以并列式或各种 角度交叉式汇聚，即两个反射内壁管中的光通过导光器以并列式汇聚或交叉式汇聚。在汇 聚处的两个管的各自一侧设置一个折射式棱镜体导光器，其入射面与出射面之间的夹角大 于棱镜体的全内反射临界入射角的一定角度(折射率分别为1. 3,1. 5,1. 7的透明介质的临 界入射角分别为50. 3度、41. 8度、36度)，并且出射面与其对面的紧贴管壁的棱镜体第三侧 面之间夹角小于全内反射临界入射角的一半的一定角度。这样，两个导光器之间的空间构 成汇聚通道。由汇聚通道和两个导光器及它们外周的反射内壁管道构成一个汇聚器。在汇聚器中，两个反射内壁管中上游方向的光从导光器的入射面进入棱镜体导光 器，光发生折射后透过棱镜体并入射在出射面的内侧面上。其后，由于导光器的折射作用， 一部分光从出射面透出棱镜体后再次偏折并以适宜角度通过两个导光器之间的汇聚通道 进入下游管中，并继续向下游传播。其余部分的光在棱镜体出射面内侧发生内反射，透过棱 镜体后入射到管内壁上，从管内壁上反射后再次透过棱镜体入射到出射面的内侧，这其中 的在出射面内侧面上入射角较大的一部分光也从出射面透出棱镜体后通过汇聚通道进入下游管中，并继续向下游传播；这其中的入射角较小的其余部分光将再次发生内反射。如此 反复，上游两个反射内壁管中的光将都通过导光器和汇聚通道进入下游的一个管中，实现 从上游两个管中传播来的光全部进入下游一个管中的汇聚。通过多个汇聚器的并列并联、分层梯进、逐次多级方式的汇聚，可将大面积分散传 播、并且是在全方位角度范围内变化传播的光等电磁波聚集到较小尺寸的反射型内壁管道 中，实现大面积的光等电磁波的集散汇聚，而且是全方位范围内传播的的光等电磁波的聚 集，大大提高了能量密度，可获得有利于多种领域应用的光等电磁波绿色能源。并列或并联式汇聚器，既可以作为位于首级(首层)的采光器兼汇聚器，也可以作 为首级以后各级的汇聚器。采光器的采光口可以是矩形、等腰梯形、等边或等腰三角形等规 则的平面几何结构，便于将多个采光器拼组起来形成一个大的整体采光面。交叉式汇聚器可作为除首级以外各级的汇聚器。各级之间可用反射型内壁的空管 传输光等电磁波。上述设置的定向传播导光、多级分层逐次汇聚的光等电磁波的聚集方法、结构和 技术，可实现大面积的光等电磁波的聚集。并且为固定静置式的全方位光等电磁波的聚集 方法，不需要跟踪太阳的运行角度，没有运动机构或部件。而且，汇聚后的光等电磁波可以 传输到需要应用的位置，应用方便。通过聚集大面积的自然光，能够获得高能量密度、绿色 的光能源，可直接或滤波后用于照明、光伏、照射、辐射、加热等各种领域。结构简约，易于实 现，造价和运行成本低廉，聚集设备的制造和运行的可靠性高，应用领域广泛，市场潜力和 前景广阔，经济价值和节能减排的社会效益潜力很大。
图1和图2为侧向并列式汇聚器的典型光路示意图。图3和图4为对称并列式汇聚器的典型光路示意图。图5和图6为侧向交叉式汇聚器的典型光路示意图。图7和图8为对称交叉式汇聚器的典型光路示意图。图9为横向垂直交叉式汇聚器的典型光路示意图。图10为并列垂直交叉式汇聚器的典型光路示意图。各图中透波介质棱镜体导光器用虚线表示，导光器之间为汇聚通道，汇聚器外周 的实线表示的是反射型内壁的传输管道。
具体实施例方式利用透波介质(如玻璃、亚克力等透光的透明介质)的折射性能使光等电磁波的 传播方向在导光器中按照设计的路径发生偏折而实现汇聚。上游两个反射内壁管中的光通 过导光器和汇聚通道，以并列方式汇聚或交叉方式汇聚进入下游的一个管中，可以继续向 下游传播，实现汇聚。导光器的入射面与出射面之间夹角应大于内反射临界入射角的适宜足够大的角 度，而且出射面与其对面管壁之间的夹角应小于内反射临界入射角一半的适宜足够小的角 度，确保从出射面透出的光的传播角度适宜，使全部光之汇聚通道中汇聚并进入下游管道。 可避免从导光器出射面透出的光的一部分进入对面的导光器，否则可能出现部分光在对面
4导光器中反向传播，产生光反转传输损失。采用多个并列式汇聚器兼采光器的并列和并联地拼组成大面积的整体采光面，并 实现首级汇聚。然后分层梯进、逐次多级地进行汇聚，可将大面积分散照射的自然光等电磁 波聚集到较小尺寸的反射型内壁管道中，实现大面积的自然光等电磁波的集散汇聚。而且 是固定静置式的全方位聚集，既可逐级提高能量密度，可获得有利于在多种领域应用的自 然光绿色能源，而且没有运动机构或部件。结构简约，易于实施，聚集设备的制造和运行的 可靠性高。(1)并列式汇聚器图1和图2为侧向并列式汇聚器的典型光路示意图。图3和图4为对称并列式汇 聚器的典型光路示意图。汇聚器上部的两个传输管道的尺寸和结构可以相同，在需要的场 合也可以不同。汇聚器外侧斜管壁与外侧直管壁连接方式为以汇聚器上部中间的直管壁 底端为圆心、以传输管道尺寸为半径作圆，斜管壁与该圆相切后与直管壁相连。避免斜管壁 的斜度过大，否则可能引起部分入射到斜管壁上光的反转传播而产生的反向传输损失。在图2和图4中，由于斜管壁一侧的棱镜体导光器的出射面向汇聚器内部方向偏 斜一定角度，对应地斜管壁也可以向棱镜体汇聚器内部方向偏斜相同的角度，保持斜管壁 与出射面之间的角度不变(小于内反射临界入射角的一半的一定角度)。斜管壁向内偏斜 角度增大，可缩短汇聚器的斜管壁长度。导光器向下游直管中延伸一段，延伸段的出射面与 直管壁之间的角度也小于内反射临界入射角的一半的一定角度。棱镜体导光器上下两段平 面出射面之间以圆弧形出射面相连。并列式汇聚器具有双功能，既可以作为首级的采光器兼汇聚器，也可以作为以后 各级的汇聚器。作为首级采光器兼汇聚器时，可在入口设置滤光或滤波设施。(2)交叉式汇聚器图5和图6为侧向交叉式汇聚器的典型光路示意图。图7和图8为对称交叉式汇 聚器的典型光路示意图。图9为横向垂直交叉式汇聚器的典型光路示意图。图10为并列 垂直交叉式汇聚器的典型光路示意图。图5 图8中的汇聚器上部的两个传输管道的尺寸和结构相同。图5和图7中上 游两个传输管交叉方式为导光器出射面与同侧管壁之间夹角的相同角度。在图6和图8中，由于斜管壁一侧棱镜体导光器的出射面向汇聚器内部方向偏斜 一定角度，对应地斜管壁也可以向棱镜体汇聚器内部方向偏斜相同的角度，保持斜管壁与 出射面之间的角度不变(小于内反射临界入射角的一半的一定角度)。斜管壁向内偏斜角 度增大，可缩短汇聚器的斜管壁长度。导光器向下游直管中延伸一段，延伸段的出射面与直 管壁之间的角度为上部出射面与斜管壁之间相同的角度(也是小于内反射临界入射角的 一半的一定角度)。棱镜体导光器上下两段平面出射面之间以圆弧形出射面相连。图9和图10中的垂直交叉式汇聚器为两个传输管道之间的最大交叉角度的汇聚。 由于汇聚角度大，为了使光通过导光器后通过导光通道按照设计路径继续向下游定向传播， 对于常规折射率的导光器，受光管的尺寸需要大于垂直汇入管道的尺寸，以使导光通道有足 够的尺寸。对于非常高折射率的导光器，两个管道尺寸可以相同，但汇聚器的长度较大。对于介于上述交叉角度之间的汇聚方式，可采用图9类似的方式并结合其他汇聚 器的结构，设置适宜的导光器和汇聚通道，构成适宜的汇聚器。
权利要求
1.本发明涉及光等电磁波的定向导波汇聚和大面积的全方位集散汇聚的方法和技术。 设置如下定向导波汇聚和大面积的全方位集散汇聚的结构、技术和方法汇聚器以并列式 或各种角度交叉式汇聚。在汇聚器的汇聚处两侧各设置一个折射型棱镜体导光器(定向 导波器)，导光器的入射面与出射面之间的夹角大于棱镜体内反射临界入射角的一定角度， 并且出射面与其对面管壁之间夹角小于内反射临界入射角的一半的一定角度。两个导光 器使上游传播来的光通过导光器后发生偏折，使全部光通过两个导光器之间的空间(汇聚 通道)汇聚后进入下游反射内壁管道中，并继续向下游方向传播，实现了光的定向导波和 汇聚。汇聚器可作为采光器。将多个并列汇聚式采光器拼组构成较大面积的整体式采光 面。采用多汇聚器的并列并联、分层梯进、逐次多级方式的汇聚，各级之间以反射内壁管道 连通，可将大面积、全方位分散照射的光等电磁波聚集到较小尺寸的反射型内壁管道中。实 现固定静置式聚集设施的大面积光等电磁波的全方位集散汇聚，可获得高能量密度的光等 电磁波绿色能源。
2.根据权利要求1所述的折射型棱镜体导光器，其特征在于该折射型导光器可用多种 透波(透光)介质制造。
3.根据权利要求1所述的采光器，其特征在于该采光器的采光入口可以是矩形、等边 或等腰三角形、等腰梯形等规则的平面几何结构。
4.根据权利要求1所述的汇聚器，其特征在于该汇聚器包括可以是相同管道之间的汇 聚，也可以是不同尺寸管道之间的汇聚。其特征还包括使汇聚角度与两个导光器的结构参 数(折射率、入射面与出射面间角度、出射面与其对面管壁间角度)之间形成适宜的配合， 使透过导光器的光全部通过两个导光器之间的汇聚通道实现定向导波和汇聚。
全文摘要
本发明涉及光等电磁波导波汇聚和大面积聚集方法和技术。设置汇聚器以并列式或交叉式汇聚。在汇聚器两侧各设置导光器，入射面与出射面间夹角大于临界入射角，出射面与其对面管壁间夹角小于临界入射角一半。导光器使光定向折射，全部光通过导光器间汇聚通道实现汇聚。汇聚器可做采光器。多采光器拼成大面积整体采光面。多汇聚器并联、分层、逐级汇聚，级间以反射内壁管连通。构成固定静置式聚集装置，实现大面积、全方位分散照射光的集散汇聚。汇聚的高密度光能可传输到需要位置。可广泛用于照明、光伏、照射、加热等各种领域。结构简约，易实现，成本低廉，可靠性高，市场潜力和前景广阔，经济价值和节能减排社会价值潜力很大。
文档编号G02B6/00GK102109670SQ201110034820
公开日2011年6月29日 申请日期2011年2月9日 优先权日2011年2月9日
发明者黄太清 申请人:黄太清