专利名称：非跟踪型太阳能集中器的制作方法
背景技术：
本发明涉及用于传输射线，特别是光线的装置。具体地讲，是一种非聚集型反射器，其用于在一个所需区域以广范围的入射角聚集诸如太阳光等射线，以及一种非聚集型反射器，其用于在一个相对较大的立体角反射诸如太阳光等射线。
过去已经制造出多种用于被动或非跟踪聚集太阳能的系统。在美国专利5,537,991、3,957,041、4,002,499、4,003,638、4,230,095、4,387,961、4,359,265和5,289,356中显示了一些这样的系统，上述专利均完全接合在此作为参考。这些系统的一个共同特征是，利用光滑表面将光线从太阳反射到被加热区域上。此外，对于大多数非聚集型反射器来说，它们具有相似的结构，从而可以将这些反射器称为光传输装置，这是因为，到底反射器是用于将射线从大入射立体角聚集还是将射线从一个较小光源以相对较大立体角传播出去这一点是不重要的。
只有在射线的入射立体角被增大了才可能聚集射线。这种要求直接源于空间守恒定律，该空间即射线的相空间。具有高集中度的太阳能集中器必须跟踪太阳；也就是说，它们必须连续地重新定向，以补偿太阳在地球中心(托勒密)坐标系中的视在运动。相反，在大部分照明用途中，反射器是固定就位的。对于跟踪型集中器来说，指向太阳中心的方向相对于它们的开口是静止的。这种集中器可以在空气中获得高达大约45000的集中度。而在透明介质中还可以获得更高的集中度。
然而，跟踪仅是技术上的要求而已，这是因为太阳能集中器通常很大，而且使这种系统的定向活动性会显著增加其成本。此外，装有热传输液体以及管道的吸收器也需要是活动的。这些是利用静态非跟踪装置以获得聚集能力的研究动机。而在需要将光线或其它辐射能量从一个源头以一个相对较大的立体角传输时，也适用于相同的原理。
首先，我们在不参考任何特定集中器的前提下导出理论上的上限。之后，我们将集中讨论沿一个方向具有线性不变性的槽式或线性系统。我们将揭示槽式系统并不象静态集中器那样理想。对于槽，需要采用更严格的上限。
地球在近乎圆形的轨道上绕着太阳的年运动加上绕着自身轴线的日旋转运动导致了太阳在地球坐标系中的视在运动，地球的上述自身轴线相对于轨道(黄道)平面倾角δ。我们采用相同的概念并利用一个坐标系，其一条轴线沿水平从东指向西。第二条轴线平行于地球轴线从北指向南，从而相对于当地水平方向倾斜一个与纬度角相等的角度。第三条轴线垂直于另两条轴线，并在二分点处指向正午时的太阳。该坐标系对应于静态集中器的通常定向。一个指向特定方向的单位矢量由它沿着E-W(东-西)轴线的分量kE和沿着沿着N-S(北-南)轴线的分量kN表示。第三个分量kH可以通过正交化而获得。在kE、kN方向的面积分量对应于太阳能的投射角并可以用于评估集中度。
太阳的视在方向可以通过下面的方程良好地近似求出
kN=-sinδ0cos(ωyt)kE=-1-kN2sin(ωd(t+T))]]>其中ωy=2π/年，表示在轨道上的年角度运动速度，ωd=2π/日，表示日角度旋转速度，而t表示从二分点开始所经过的时间。校正系数T包含一个偏离常数、最近当地正午与二分点之间的差值以及基于时间的校正，该基于时间的校正又称作时间方程，是由于地球轨道从一个圆形路径上偏移而产生的。这个校正在一年中缓慢地变化最多±15分钟。它的作用在我们的工作中可以忽略不计。倾角δ0=23.45度，它是年轨道即黄道所在平面与地球旋转极轴之间的夹角。
太阳的运动显示于图4中。作为一个良好的近似，太阳在一天中沿着一条直线kN≈常数而平行于W-E轴线移动。在一年中，日间路径在夏至时的最大值与冬至时的最小值之间摆动。这可以通过平行线表示，这些平行线用于描述一年中以相等时间间隔分布的36个抽样日。
首先我们注意到，所选择的平行于轴线的表面只能接收位于下面带宽中的太阳射线-sin(δ0+α3)≤kN≤sin(δ0+α3)这里，α3=4.7mrad，它是面对着太阳的半角。将它加在倾角上是为了计入太阳表面边缘发出的射线。
只从这个带宽中接收射线的静态集中器可以获得在不舍弃任何射线的条件下的最大集中度，该集中度等于整个圆的面积与方程(2)所给定带宽中的面积之比，即Cmax=π2(δ0+α3)+sin(2δ0+2α3)≈2.0]]>方程(3)中的值适用于需要接收所有射线的理想装置。我们如果分析图4就可以发现，射线并不是均匀地分布在方程(2)所描述的带宽内。太阳路径在极限附近经历的时间多于中央。我们定义在一个特定方向上的平均相对辐射率为从该方向接收到的射线与假定相同能量均匀地分布在天体所有区域时能够从相同方向上接收到的恒定射线之比。该相对辐射率与下面的值成正比BP(kN,kE)~1sin2δ0-kN2=BP(kN)]]>译者注此方程有误其中dt表示时间导数，而P表示辐射能量。在分子中，ωyωd表示一个区域的被访问频率，而根式表示一个点源的强度，其与入射角的余弦成正比，或与立体角与投射立体角之比成正比。分母表示太阳在间隔dkNdkE中度过的时间。将时间导数|dtkN|=sinδ0ωy1-(kNsinδ0)2]]>|dtkE|=ωd1-kN21-kE21-kN2=ωd1-kE2-kN2]]>代入方程(4)中，可以获得相对强度BP(kN,kE)~1sin2δ0-kN2=BP(kN)]]>在方程(6)中，我们忽略了与ωy成正比的项，因为ωy＜＜ωd。请注意，辐射率分布与kE无关；它沿相同纬度方向保持恒定。因此，我们省略掉依赖于kE的项。在早晨和傍晚沿W-E方向的速度降低可以被余弦作用补偿，而在至日沿S-N方向的速度降低则未被补偿。方程(7)只在太阳表面的可忽略尺寸的限度中绝对有效。该方程是良好的近似，除了在kN=sinδ0处以外，该处是太阳辐射率为无限时的点。为了计入太阳的有限尺寸，需要将相对辐射率在整个太阳表面上平均化B(kN)=2π∫x=-1x=11-x2BP(kN+xα31-kN2)dx]]>第一个平方根是太阳表面的弦，而第二个平方根表示投射中的畸变。计入太阳的有限尺寸可以保持辐射率的有限分布。相对辐射率分布与KN之间的关系见图5。位于中央附近的辐射率大约是整个带宽中的平均辐射率的2/π倍。
通过舍弃低强度射线，可以以降低收集效率的代价使装置获得比Cmax高的集中度值。因此需要有一个完整的说明，以提供效率与集中度之间关系的极限曲线，从而对于给定集中度获得最高的效率，而对于给定的收集效率获得最高的集中度。在光学装置的理论极限分析中也经常遇到类似的情况。假定在一年中环绕着二分点的一小部分时间内太阳的射线被舍弃。那么，收集效率会以相同的系数被降低。然而，集中器不需要接收带宽中央的射线，因此集中度较高。
通过接收所有位于某个特定亮度之上的射线并舍弃所有位于该亮度之下的射线，可以使光学装置对于相同集中度获得最高的效率，而对于相同效率获得最高的集中度。这可以通过相反的假设证实一个集中器可以接收亮度为B1的射线，但不能接收所有亮度为B2＞B1的射线。接下来对集中器进行修改，即减少所接收的亮度为B1的射线量，并以等量增加亮度为B2的射线，以提高集中度而不影响收集效率。使B2附近的接收相空间的增加量等于B2附近的相空间减少量，可以提高收集效率而不改变集中度。
我们在图6中显示了理想静态集中器的效率与集中度的关系曲线，在计算该关系时，假定通过提高接收亮度极限而使舍弃的相空间带宽越来越宽。通过正交化处理，即平均亮度为单位亮度，对应于最大集中度的亮度峰值可以到达收集效率的零极限。如图6所示，对于理想静态集中器来说，该峰值为12左右。
请注意，通过这种方法获得的集中度是在所有时间内的平均值。在实际应用中，装置在一年中的两个至日附近的相等时间内具有零效率，而在一年中的其它时间内具有理想单位效率。因此我们可以确定出收集的射线只与操作时间的关系。从图7中可以看到明显提高了的集中度。
本节中所有的结论均只适合于直射射线。我们忽略了大气中的任何散射和吸收。实际上，太阳向地球发出的射线经常被充分改造成一个直射部分和一个完全散射部分，而二者之间的比例取决于特定的气候。因此，上述结构只适用于直射部分。散射部分不能被聚集。被收集的散射部分的比率正好等于被接收相空间的比率。我们也忽略了反射损失；因此，这里的收集效率与光学通过率的意义是一样的。图4中所示的分布只在赤道上绝对有效。对于平行于极轴，即以纬度角安置的集中器来说，如果纬度较高，则太阳光带宽的边缘将落在可见水平面之外。
基于相空间的带形结构，或基于太阳主要在一维上的视在运动，具有线性对称性的太阳能收集器被制造出来，并成为目前实际应用中最成功的能量产生器。这意味着在每个位置上均有一个空间方向平行于反射器切线中的一条。因此，射线沿该特定方向上的分量不会被与入射点无关的反射所改变。在吸收器中利用相同的对称结构，通常是一个管或一个翼片，整个问题就成为二维的。出于这个原因，槽式集中器有时也被称作二维装置。希望集中器能够与太阳外形所提供的相空间匹配。
然而遗憾的是，这种希望无法实现。假定一个槽式太阳能收集器以其线性轴沿E-W方向定向。还假定该集中器被设计成接收所有在-θ至θ中照射到子午面上的光线。在这里所用的坐标系中，光线被接收的充要条件是|kNkH|≤tanθ]]>利用方向矢量的正交化kN2+kW2+kH2=1]]>可以消去kH。从而获得kN2sin2θ+kE2≤1]]>这表示一个椭圆，其N-S轴等于sinθ，而E-W轴等于单位长度。
上述推导表明，对于具有任何横截面的槽式集中器来说，其接收功能只取决于kN/kH。如果两条光线的该比值相同，但沿线性轴的第三分量不同，则它们在光学上是不可区分的。因此，在投射到开口中时，均匀接收线是椭圆中的线，该椭圆的轴线平行于线性轴并等于单位长度。我们在图4中以虚线椭圆表示出具有35度接收角的理想槽式CPC的接收区域。在这个方面，有一点需要说明。即在理想化的前提下，我们忽略了吸收器的吸收率和实际(而非投射)入射角的反射率可能造成的影响。这种影响在大多数实际系统中是很小的。
由于槽式接受器具有方程(11)所确定的均匀接收线，因此我们可以计算被间隔d sinθ分隔的两条均匀接收线之间的太阳能BT(sinθ)BT(sinθ)=dPdsinθ=∫kE=-1kE=11-kE2B(kN=sinθ1-kE2,kE)dkE]]>这是适合于对理想槽式系统的性能进行评估的一维分布。如图8中所示。
首先，我们注意到在任何地方分布均不为零。这表明槽式集中器要获得任何集中度均会损失收集效率。然而，分布是不均匀的。因此，对于静态槽式集中器来说，可以通过舍弃低于某些极限的射线，从而以损失收集效率的代价获得集中度。
通过计算只接收亮度超过一个预定极限的射线时的收集效率和接收相空间，我们已经求出槽式集中器的特性曲线的上限。该曲线如图9所示。为了便于比较，我们以虚线显示出图6中所示的理想(而非槽式)集中器的上限。再次通过正交化处理，使平均值为单位值。这样，峰值对应于在零收集效率极限内的可达集中度。对于理想静态槽式集中器，该值为5。
请注意，槽式集中器的性能明显低于普通上限。这表明槽式集中器不能很好地匹配带形相空间。对于静态集中器来说，这一点是已知的，而作为静态集中器的槽式收集器的性能也已被推导处理。在此，我们揭示了槽式收集器的线性不变性使得它们不能到达理想上限的原因。
以适宜的相空间测量，太阳的视在运动只占据了天空的50％，因此通过静态集中器可以获得系数为2倍的集中度，而不会损失收集效率。此外，太阳的视在位置不是均匀分布的。这个现象使得，在一年中的两个至日附近的时间内，静态收集器可以获得更高的集中度比率。
发明概述一种线性(槽式)或三维(如球形)对称的光传输装置可以用作被动(非聚集、非跟踪型)太阳能集中器或射线非成像散布器。波纹型或其它断续对称的几何形状提供了更宽的收集接收角和更大的射线立体角。波纹可以是光滑的或带棱角的，也可以对外形进行优化。
附图简要说明
图1是一个带波纹的槽式反射器和一个线性辐射能源或接受器的剖视图。
图2A是一个带波纹反射器的透视图，图2B是图2A中所示反射器的局部视图。
图3是一个带波纹反射器的局部剖开视图，反射器中带有一个三维带波纹光源或接受器。
图4是太阳的方向矢量图。
图5是太阳相对辐射率与方向系数关系的曲线图。
图6是理想静态集中器的收集效率与所有时间内平均集中度的关系曲线图。
图7是理想静态集中器的收集效率与操作时间内平均集中度的关系曲线图。
图8是槽式集中器在具有相同辐射率的匀质天空中的投射入射角范围中的亮度分布曲线图。
图9是理想槽式集中器的收集效率与所有时间内平均集中度的关系曲线图。
本发明的详细说明图1是一个带波纹的槽式反射器和一个线性辐射能量源或接受器的剖视图。在图1中，一个反射器20沿着一条轴线22线性安置。反射器20的中间弯折线以一条线24表示。该中间弯折线24以对称的形式被各波纹26断开。这里所示的波纹26是锯齿形或突变的，但它们也可以被优化而具有光滑的曲线。根据应用需要，反射器20可以用作太阳能集中器，或用作反射器。在图1中，其用作反射器，并且显示了一个光源28。如果在实际应用中被用作集中器，则光源28改用作能量接受器，以将能量以热量和光二者中的一种或两种的形式传输到别的地方。
图2A是一个带波纹31的反射器30的透视图，其中一个光源或接受器32以虚线的形式显示。图2B中更详细地显示了图2A中所示带波纹31的反射器30的局部视图。在图2A和2B中，反射器30沿着一条轴线33呈圆筒形对称。在一个通过轴线33的竖直切面上可以看到中间弯折线，其被用于增强反射器30效率的波纹31断开。
图3是一个带波纹42的反射器40的剖视图，其中带有一个球面光源或接受器44(其也可以带有波纹45)。在图3中，反射器40相对于一条轴线46对称。在一个通过轴线46的竖直切面上可以看到中间弯折线，其被用于增强反射器40效率的波纹42断开，如前所述。波纹42是断续的直线段，但它们也可以被优化成光滑的波纹，例如正弦曲线。
图中所示的本发明的各实施例均用作反射器以照明空间，这就能够在不使用电灯泡或荧光灯管等可见集中光源的情况下实现室内照明，同时又提供了一种有效的方法，以将收集的太阳光散布而照亮室内空间。
综上所述，我们显示出任何具有斜角接收功能的线性不变性槽式集中器均不能与太阳的视在运动相匹配，而且可以通过使对称的限制结构断续设置而提高收集器的性能。因此，断续对称可以在二维和三维结构中实施以提高性能。几个断续对称的方法例子包括构成直线或平面不连续性(构成不连续性的尖锐折叠)或光滑不连续性，如在量值和频率上变化的正弦波。
权利要求
1．一种太阳能收集器，其包含一个具有纵向对称轴的反射表面，该表面被波纹断开。
2．根据权利要求1的太阳能收集器，其特征在于，反射表面包含一种金属。
3．一种太阳能收集器，其包含一个具有纵向对称轴的反射表面，该表面被位于包含着纵向对称轴的平面上的波纹断开。
4．一种非成像光学系统，其用于对光线进行操作并带有一个光线反射器，该反射器包含一个具有纵向对称轴的反射表面，该表面被位于包含着纵向对称轴的平面上的波纹断开。
5．根据权利要求4的非成像系统，其特征在于，波纹选自下面一组尖锐波纹和光滑波纹。
6．一种非成像光学系统，其用于对光线进行操作并带有一个光线反射器，该反射器包含一个具有纵向对称轴的反射表面，该表面被波纹断开。
7．根据权利要求6的非成像系统，其特征在于，波纹选自下面一组尖锐波纹和光滑波纹。
8．根据权利要求7的非成像光学系统，其特征在于，光滑波纹包含正弦波轮廓。
全文摘要
一种用于对光线进行操作的非成像光学系统(20),其采用了断续对称表面(24,26)。从太阳视在运动的抽样投射立体角可以确定静态集中器在低纬度处的太阳直射射线集中度的理论上限。基于太阳射线在投射立体角中并不是均匀分布这个事实,我们推导出可以通过舍弃低强度射线而获得更高的集中度。具有线性对称性的槽式系统不可能是理想的静态集中器。通过在反射器和光源或集中器中采用断续对称表面,可以提高效率(图6,7,9)。我们发现,适用于集中器的规律也同样适用于照明用反射器。
文档编号F24J2/10GK1301334SQ98808529
公开日2001年6月27日 申请日期1998年7月24日 优先权日1997年7月25日
发明者罗兰·温斯顿, 哈拉尔德·里斯 申请人:阿奇开发公司