专利名称：电磁辐射集中系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，这种装置能够以相对较低的成本覆盖相对较大的收集区 域，不需要具有特殊折射率的材料，这种装置的结构可以较轻，并且可以将辐射集中到一个 单一的目标区域上。 本发明能够比现有技术的集中装置的质量更小，外形更小。本发明还能够具有高 的集中因数。其适用于任何希望收集和集中电磁辐射的应用，特别地可用于太阳辐射的收 集和集中。在太阳辐射的情况下，根据本发明的装置可以和光电池结合在一起使用或用于 加热流体以将太阳能利用于期望的用途。在无线电频率辐射的情况下，所述主题的装置可 以被用于收集、聚焦和调整辐射。 这种装置的一个例子具有通道区域的组件，所述通道区域的组件用于收集和集中 入射的电磁辐射。还公开了制造这种主题的装置的方法。 本发明的特定实施例提供了一种电磁辐射收集器，其具有用于收集和集中电磁辐 射并将其导向目标的集中腔，所述集中腔具有至少一个进入开口 ，所述的进入开口具有横 截面。收集器还具有一通道区域，所述的通道区域包括具有一横截面、用于接受电磁辐射的
3入口端，与所述集中腔的进入开口相邻的出口端，以及至少一个位于入口端和出口端之间 的反射壁面。所述进入开口的横截面小于所述集中腔入口端的横截面。 本发明的其它实施例提供了用于收集电磁辐射的方法。这种方法包括在通道区域 内引导电磁辐射，所述的通道区域具有用于接收电磁辐射的入口端、出口端和至少一个位 于入口端和出口端之间的反射壁面，所述的入口端具有横截面；在集中腔内收集和集中电 磁辐射，所述的集中腔具有与所述通道区域出口端相邻的至少一个进入开口 ，所述的进入 开口具有横截面；以及将收集和集中的电磁辐射导向目标。所述进入开口的横截面小于所 述通道区域入口端的横截面。 本发明的进一步其它实施例提供了电磁辐射收集器，其具有锥形部件，所述的锥 形部件具有用于接收电磁辐射的入口端，其具有沿第一方向的中心轴，和垂直于所述第一 方向的横截面；出口端，其具有沿第二方向的中心轴，和垂直于第二方向的横截面；以及连 接所述入口端和出口端的壁面，所述的壁面能够将所述入口端接收的电磁辐射导向所述出 口端。所述入口端的横截面大于所述出口端的横截面，并且所述第二方向与所述第一方向 不平行。 根据本发明的另一方面，提供一种电磁辐射集中系统，包括多个抛物线形反射百 叶窗，所述百叶窗按平行阵列方式设置，其中每一个百叶窗放置成将入射辐射反射和集中 到至少一个接收部件上，所述接收部件放置成接收所集中的辐射。 根据本发明的另一方面，提供一种电磁辐射集中系统，包括多个锥形反射通道， 按照阵列的方式设置，以捕获和集中入射的电磁辐射，其中每一个通道包括入口、出口、输 送长度和反射内表面，其中所述输送长度为入口宽度的至少5倍，并且其中每一个通道沿 着其输送长度形成曲线形，使得通道的出口会聚在比相同数量的入口的面积小的面积上， 使得出口的会聚导致没有入射辐射可以在没有沿着输送长度反射至少一次的情形下离开 集中系统，并且，其中与进入入口的辐射相比，离开出口的辐射是集中的。
从下文中对多个本发明优选实施例的更具体的描述，以及附图中示出的内容，本
发明前述的以及其它的特性和优点将非常明显，在附图中相似的附图标记通常表示相同
的、在功能上类似的、和/或结构上类似的部件。
附图1示出了本发明的第一实施例； 附图2示出了本发明的第二实施例； 附图3示出了本发明的第三实施例； 附图4示出了本发明第四实施例的截面图； 附图5示出了本发明第五实施例的截面图； 附图6示出了本发明的第六实施例； 附图7示出了本发明的第七实施例。
具体实施例方式
本发明的一个示例性实施例已在附图中示出，并在此进行描述。 根据本发明的一种装置的一个实例包括具有通道区域的组件，其中电磁辐射可以在通道区域内被内部反射。通道区域构造成使至少部分进入通道区域的开阔端部的电磁辐 射在通道区域内被引导，从而沿与其进入方向不同的方向离开通道区域的狭窄端部。通道 的开阔端部被设置形成为一个平面，所述的平面在此被称为收集表面。电磁辐射落在收集 表面上，并进入通道区域的开阔端部。电磁辐射从通道区域的壁面被反射，以便被引导从通 道区域的狭窄端部离开。这一过程的实现是通过确保在每一个反射点处，电磁辐射相对于 反射表面的入射角都小于90度。 一种确保如此的方法就是入射到收集表面的电磁辐射的 较大的角度弧度使通道区域成形为使得通道区域的长度要比其在开阔端部的宽度更长。在 一些实施例中，这提供了通道区域壁面的一个小的锥形角，因此，实现了对于一个较宽范围 的电磁辐射入射角的反射角的要求。通道区域的长度与其开阔端部宽度的比率期望地是在 2到1000之间，更优选地是5到100之间，最优选地是10到50之间。图1示出了单一通道 区域和典型路径20的一个实施例，电磁辐射可能在通道区域内经过所述典型路径20。
通道区域可以由固体材料制成，所述的固体材料能够传输要被收集和集中的电磁 辐射，并且具有将电磁辐射反射回到通道区域内的壁面。在本发明的另一个实施例中，通道 区域形成为多个空腔，其中空腔的壁面能够将电磁辐射反射回到空腔内。
在本发明的一个实施例中，通道区域组件的狭窄端部被聚集在一起，且聚集而成 的面积小于通道区域组件的开阔端部的面积。在这样的实施例中，在开阔端部区域收集的 电磁辐射就被集中到狭窄端部区域。这一实施例的例子如图2所示。 在本发明的一个特定实施例中，通道区域的狭窄端部通向集中腔内，所述的集中 腔用于进一步集中离开通道区域狭窄端部的辐射。通道区域的狭窄端部通向集中腔的一个 面，其中集中腔的这个面能够反射电磁辐射。集中腔的这些面中的至少一个，优选地是只有 一个面是可传输或者可吸收电磁辐射的，其余的面则反射电磁辐射。集中腔的可传输或可 吸收的面是一个端口 ，这里被定义为出口 ，通过所述的端口 ，被集中的电磁辐射能够离开装 置或被吸收，并以期望的方式被利用。在一个实施例中，利用电磁辐射的目标放置在出口 处。通向集中腔的通道区域的狭窄端部设置成使离开通道区域狭窄端部的电磁辐射被直接 地或经过集中腔的反射面一次或多次反射后导向出口。这样一种构造的例子如图3所示， 该图示出了所述装置一部分的截面示意图。在图3中，装置100具有通道区域120，所述的 通道区域120具有开阔端部130和狭窄端部140。集中腔200具有入口 210和出口 220。在 图3中还示出了指示路径22，一束电磁辐射可以通过所述的指示路径22穿过装置。在另一 个可替换的实施例中，集中腔200可以在其另一端具有附加出口 230，这使得任何朝向集中 腔这一端反射的电磁辐射也都可以被利用。这将使装置的成本稍许增加，但可以增加其效 率。 为了使进入集中腔的电磁辐射导向出口，还提供一种具有低矮外形的装置，期望 的是使电磁辐射在通道区域内被转向以使得垂直于通道区域狭窄端部平面的方向与垂直 于收集表面的方向不同。实现这一目的的一种方法是将通道区域弯曲，例如如图3所示。在
一个特定实施例中，通道区域的曲率角度沿着其长度方向近似相等，从而增加了装置的可 制造性，然而对于装置的功能来说这不是必须的。 在本发明的一些实施例中，通道区域只在一个维度上形成锥形，也就是说以锥形 狭缝的形式。在其它的实施例中，通道区域在两个维度上形成锥形，使得他们可采取锥形棒 的形式，其中棒的截面可以是任何形状以适合于以较高的密度堆积在一起。这种形状的例子是圆形、正方形、矩形、三角形以及其它多边形。 当通道区域采取锥形棒的形式时，为了有助于容纳弯曲部分或者棒，保持通道区域开阔端部较高的堆积密度，以及增加通道区域组件的强度，通道区域可以设置成每个通道区域都相对于与其相邻的通道区域彼此错开。在本发明这一方面的一个特定实施例中，通道区域的行组装成每行中的通道区域都相对于前面一行偏置，从而每个通道区域的狭窄端部都位于主题行(subject row)的正前面和正后面的各行中相邻通道区域的狭窄端部之间。通过将通道区域以这种方式组装，使得每个通道区域的狭窄端部都能够弯曲进入前一行中相邻的通道区域之间的空间。这就允许在保持通道区域的开阔端部较高的堆积密度的同时将通道区域弯曲。 期望的是保持区域通道开阔端部在收集表面的较高的堆积密度，使得入射到收集表面上的最高份数的电磁辐射进入通道区域，并且不被反射回来。 在本发明的一个实施例中，通道区域具有圆形的横截面，并且开阔端部组装成如图4所示的堆积布置，其中圆形通道区域开阔端部组装行的顶视图如图所示是相互偏置的。图中的三角形是层叠的，以示出圆形端部中心的位置关系。这种布置增加了堆积密度，并且获得了如上文所述的通道区域弯曲所需的空间。通过这种布置，可收集入射辐射的最
大份数是;r/2V^ (约为90% )。在本发明这一方面的一个特定实施例中，可以使用具有正方形或矩形截面的通道区域。这种布置的顶视图如图5所示。利用这种形状的通道区域，通道区域的开阔端部可以堆积成使得进入通道区域的接近100%的入射辐射都因此而被收集。应当注意到，在图5所示的实施例中可能的是，但不是必须的，通道区域在接下来的整个长度上都具有矩形的截面。例如，通道区域的收集表面可以是正方形或矩形，但是当我们沿着通道区域向其尖端移动时，其会转变成圆形区域。 根据本发明的装置在现有技术中使用电磁辐射集中装置的应用中是有用的，特别是太阳辐射和无线电频率辐射。特别地与太阳辐射的收集和集中相关的这种应用的例子用于加热通过管道或导管循环的流体，以及用于直接利用光电池产生电力，或者用于从水中制取氢。应当注意到，本发明在利用光电池产生电力的应用方面有特别的用途，因为其允许使用本发明相对便宜的装置从扩大的区域收集光，并且将其集中到相对较贵的光电池的相对较小的区域上。这就潜在地允许以较低的基本费用产生电力。此外，这种装置解决在现有技术中试图将集中器用于光电池时产生的缺陷。除了价格昂贵和重量，常规的装置缺陷在于相对较低的集中因数，通常低于10，以及还存在光电池过热并且效率随之降低的问题。本发明可以具有高的集中因数。例如，对于一种基于图3所示实施例的两米长、具有垂直于其长度轴的出口的面板，该出口横跨面板的整个宽度并且高度为2毫米，计算出的集中因数为1000。此外，对于如图3所示的实施例，光电池可以布置在相邻并面对出口的位置，使得光电池面板的背面就处在一个自由空间内，而不是象现有技术中通常的状况那样靠着一个表面，例如屋顶来设置。在这种结构中，光电池面板的背面因此很容易接近冷却装置，例如翅片式散热器、水可以滴落在其上并通过环境气流蒸发的衬垫、或其它冷却装置。
在无线电频率(RF)辐射的应用中最期望的是一种具有低矮外形的收集器和集中器。在这些应用中，装置可以用来将无线电频率辐射集中到无线电频率接收器上。此外，通过仔细地选择通道区域的尺寸，主题的装置可以用于将收集到的无线电频率辐射调整到一个更容易被接收器接收的频率。例如，该装置可被用于将无线电频率辐射调整到一个较高的频率，在该频率下需要的接收器更小也更容易实现。 主题的装置可以通过任何合适的方法制造。通道区域可以是可传输光线的固体部件，由聚合物或玻璃之类的材料制成。对于这些固体部件，部件的壁面可以涂覆上一层反射材料，或者材料的反射指数可以使大多数情况下被反射至部件壁面的电磁辐射的入射角超过临界角，从而发生内部全反射。这个实施例在易于制造方面具有潜在的优势，但仍然趋向于笨重。通过制造多个部件，然后将这些部件组装在如上文所述的排列中可以构造这个实施例。开阔端部可以被夹紧或通过其它方式保持在一起，在图3所示的实施例的情况中，狭窄端部可以固定成安装在一个平板里，并穿透这块平板，所述的平板形成了集中腔的上表面。 在一个特定的实施例中，通道区域是在由金属或聚合物材料构成的整块中形成的多个空腔。这种结构可能制造起来较为困难，但是相对更轻。 一种制造该实施例的方法是，利用具有延展性的材料，例如铜或镍，形成弯曲部件的组件，例如锥形部件。该组件可以是多个独立部件中的一个或者多行形成梳形部件中的一个，其中每个锥形部件都是梳形的一个"齿"。每个梳形成部件的一行或一行的一部分，组件中连续行的梳形的"齿"是交错的，从而形成了图4或5所示的布置。在被组装到阵列之前，这些部件是直的或者是已经被弯曲的。如果部件是直的，作为一种形成期望曲率的便利方法，可以使一个杆件穿过部件狭窄端部的组件上方。组装的部件可以通过被夹紧在一个框架或其它类似的装置中而保持在其组件中。弯曲的组装部件与侧壁相结合，如果适用的话，以及与顶部和/底部相结合，一起用作最终整体成形的模具。可以通过任何适用的方法来成型具有期望的空腔组件的形状。可以通过将聚合物注入模具中并使其固定来浇铸，或者通过喷射模塑工艺来浇铸。在这一过程中，期望的是首先在模具上涂覆一层合适的脱模剂，以便于将模具部件从浇铸成形件上分离出来。待浇铸成形件固定后，可以去除模具部件。首先通过将浇铸成形件与模具的侧面、顶面和/或底面分离，然后松开部件组件，将其以最便利且实用的方法单个地或成组地取出，可以很容易地实现这一过程。应当注意到，在大多数情况下，需要稍微矫直一些部件以便于从空腔中取出，因此期望制成锥形部件的材料是具有延展性的，从而其能够经受矫直处理而不会断裂或使空腔的形状扭曲，其中所述的锥形部件是从所述的空腔中取出的。这一过程可形成一种铸造形状件，所述的铸造形状件包含具有密堆积的、弯曲的、轻的导向空腔的组件，其中空腔的开阔端部都在形状件的一个面上开放，并且空腔的狭窄端部都在形状件的另一个不同面上开放。 如果形状件不是由一种固有的反射材料铸造而成，例如金属或填充金属的聚合物，那么形状件的外表面和/或空腔的壁面可以覆盖有反射层。对于聚合物材料，最容易实现的方法是通过无电金属沉淀处理，例如无电铬或镍沉淀。如果希望保护反射涂层，可以在反射涂层上施加另一个透明的涂层。在形状件内狭窄端部的开口面与盒子的反射底面隔开时，通过将形状件安装在具有反射内部底表面的盒子里，然后将模塑和涂覆的形状件装配成收集器和集中装置。盒子的底面以及形状件的下表面形成了集中腔的顶面和底面，其中在空腔的狭窄端部所指向的盒子末端是作为出口的开口或传输部分。 一块透射材料例如玻璃或纯聚合物片可以放置在装配好的形成收集表面的空腔开阔端部的阵列上方，以便于清洁或防止灰尘、泥土或水进入空腔。 —种收集电磁辐射并将其注入集中腔的可替换的方法是，使用一系列的反射镜将
7光线聚焦到集中腔顶部的多个点或狭缝上。在狭缝的情况下，最优选的反射镜形状是位于狭缝所在平面中并垂直于狭缝所在平面内的抛物线形。在点的情况下，反射镜视需要地是抛物柱面反射器。狭缝或点布置成位于反射镜的焦线或焦点，使得经反射镜反射的电磁辐射大体上被集中到位于集中腔顶部的开口上。为了允许入射到反射镜上的电磁辐射的不同入射角，可以使反射镜相对于其焦线或焦点旋转，使得光线的聚焦与集中腔的开口保持重合。 一个控制机构可以执行该旋转，所述的信号从电磁辐射目标输出或者来自一个独立的传感器，由此监控该信号并且进行反射镜的旋转进而使施加到目标的电磁辐射的量最大化。 在本发明的另一个方面，集中腔可以设计成使得集中腔的下表面从集中腔的非目
标端部向目标端部倾斜，由于这种倾斜的存在，目标端部相对于非目标端部具有更大的高
度。这有助于最小化电磁辐射施加到目标上之前在集中腔中需要的反射次数。 另一个方面，集中腔顶部的开口可以被设计成，在开口的边缘距离目标最远的位
置附有一个下垂进入集中腔内的片状物(flap)。该片状物有助于使进入集中腔的电磁辐射
偏转以使角度变小，从而使电磁辐射更可能在集中腔内以更少的反射次数施加到目标上，
该片状物还有助于防止已经进入集中腔的光线通过集中腔顶部的其它开口而损失。集中腔
顶部的开口可以是固体部件上的缝隙或者可替换地所述开口是一个整体式固体部件上相
对于电磁辐射透明的区域，而所述部件的其它区域则反射电磁辐射。例如，集中腔的顶部可
以是玻璃或聚合物薄片，所述玻璃或聚合物薄片被选择性地涂覆反射涂层，该反射涂层位
于不同于那些形成集中腔开口部位的其它区域。在这个实施例中，片状物还可以是突出到
集中腔内部的材料板，或者所述的片状物可以形成为集中腔顶部突起的后表面，其中该突
起的后表面涂覆或者被制成反射性的，而前表面(与集中腔的目标端部更接近)可透射电
磁辐射。 图6是描述这些方面的一个剖面示意图。在该实例中，装置300具有聚焦镜310，
在其上聚焦电磁辐射的狭缝或点320，位于狭缝或点320背面边缘的片状物340，电磁辐射
的目标350以及集中腔330的倾斜下表面360，所述的下表面360有助于将电磁辐射导向目
标350。为了允许电磁辐射入射到反射镜310上的入射角有所不同，可以使反射镜310围绕
其焦点或焦线旋转。可替换地，整个装置都可以旋转，使得入射到反射镜310上的电磁辐射
具有恒定的入射角，或者使整个装置的旋转和单个反射镜310的旋转相结合。 图6所示实施例的潜在的局限性在于，当反射镜的底部与集中腔的顶部碰撞时以
逆时针方向旋转的抛物线形反射镜(如图6所示)的旋转将受到限制。这种局限性的影响
在于入射到抛物线形反射镜上的光线的入射角范围将受到限制。特别地，在一些结构中，某
些比与反射镜顶部平面正交更大的角度不能被聚焦到集中腔的入口点上，因为这些光线不
能与反射镜凹入的抛物线形表面相交。为了克服，或者至少改善这种局限性，反射镜结构的
背面可以形成为将如下光线以恰当的角度反射，从而将这些光线聚焦到集中腔的一个入口
点上这些光线在抛物线形反射镜后面以超过正交的角度入射到抛物线形反射镜的凹形表
面上。在这一方面，背面优选是一个平面反射镜，至少在以超过正交角度入射的光线聚焦而
施加的部分上方是平面反射镜。也就是说，所需要的反射镜结构的后反射表面的一部分相
对于入射光线角具有固定的角度。可以使反射镜结构的背面反射表面的所需部分相对于入
射光角度是恒定的角度。
反射镜结构可以顺时针方向旋转(如图6所示)以确保一旦以超过正交角度的不 同入射角度入射的光已经被前面的反射镜结构的凹入的抛物线形表面反射，它们都会被聚 焦到集中腔的入口点上。在一个可替换的实施例中，为了改善这种局限性，抛物线形的反射 镜可以放置地更紧密，因此对于每个通道来说一定程度上减小了进入区域的横截面。这就 允许升高抛物线形反射镜的底面，从而增大了抛物线形反射镜的底面和集中腔的顶面之间 的间隙，同时确保了所有通过入口区域进入通道区域的电磁辐射施加在抛物线形反射镜的 凹入表面上。抛物线形反射镜的底面和集中腔的顶面之间增大的间隙允许反射镜进一步按 逆时针方向旋转(如图5和6所示)，这样可以将入射到通道区域进口上的更大角度范围的 辐射导向通道区域的出口。 图7是一个剖面示意图，它示出了图6所示实施例的一个变形例。在该变形例中， 聚焦镜310具有与狭缝或点320相邻的背面，具有将电磁辐射(由光线400所示的实例) 反射到聚焦镜310之一上的后反射表面370。反射表面370可以增加被最终导向狭缝或点 320的电磁辐射的量。类似地，集中腔330的上侧外表面也可以形成为将电磁辐射反射到反 射表面370和/或聚焦镜310上，从而捕获更多的电磁辐射。 本发明不限于上文所述的示例性实施例。在这些公开内容的基础上，显而易见的 是，本领域技术人员可以对本发明做出许多变化和改进，而不脱离其精神和范围。
权利要求
一种电磁辐射集中系统，包括多个抛物线形反射百叶窗，所述百叶窗按平行阵列方式设置，其中每一个百叶窗放置成将入射辐射反射和集中到至少一个接收部件上，所述接收部件放置成接收所集中的辐射。
2. 根据权利要求1所述的系统，每一个百叶窗具有凹入的前面，其中所述前面沿同一 方向取向。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁辐射包括光。
4. 根据权利要求1的系统，其中所述接收部件是进入集中腔的开口。
5. 根据权利要求1所述的系统，每一个百叶窗具有焦线，其中所述百叶窗设置成每一 个百叶窗可绕其自身的焦线旋转。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述百叶窗的旋转是协同的。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中所述百叶窗的旋转允许在辐射源相对于集中系统 移动期间在集中装置处集中辐射。
8. —种电磁辐射集中系统，包括多个锥形反射通道，按照阵列的方式设置，以捕获和集中入射的电磁辐射，其中每一个 通道包括入口 、出口 、输送长度和反射内表面，其中所述输送长度为入口宽度的至少5倍， 并且其中每一个通道沿着其输送长度形成曲线形，使得通道的出口会聚在比相同数量的入 口的面积小的面积上，使得出口的会聚导致没有入射辐射可以在没有沿着输送长度反射至 少一次的情形下离开集中系统，并且，其中与进入入口的辐射相比，离开出口的辐射是集中 的。
全文摘要
本发明提供了一种电磁辐射集中系统，包括多个抛物线形反射百叶窗，所述百叶窗按平行阵列方式设置，其中每一个百叶窗放置成将入射辐射反射和集中到至少一个接收部件上，所述接收部件放置成接收所集中的辐射。
文档编号H01L31/0232GK101752432SQ20091022130
公开日2010年6月23日 申请日期2005年12月16日 优先权日2004年12月17日
发明者加里·钱伯斯, 阿拉斯泰尔·麦金杜·霍奇斯 申请人:星期日太阳能技术有限公司