一种用于将光传输到培养液的光导设备和装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于将光传输到培养液的光导设备和装置。一种光导设备，用于使光通过一透光介质柱并进入相邻的生长培养溶液中，该光导设备包括一用于将该介质和溶液隔开的屏障结构，屏障结构是透光的，以允许提取光，并可调整以容纳折射率比介质小的材料，使得入射光以大于临界角的角度进入屏障结构来提供全反射，从而引导光通过设备。
【专利说明】一种用于将光传输到培养液的光导设备和装置
【技术领域】
[0001]本实用新型通常涉及用于将光散布到光合生物(如藻类)可生长培养液中的光导设备。
【背景技术】
[0002]藻类的生长受到入射光密度和波长的影响。藻类在室外、池塘中等培养的情况下，藻类可能会暴露在阳光直射下。藻类在阳光直射下变得光抑制，因而生长速率会降低。
[0003]此外，更接近表面的藻类可遮盖生长于其下的藻类，这同样使得在水下更低的藻类的生长速率降低。
[0004]因此，已提出了各种系统来控制进入水体的光量以影响藻类生长速率。特别是，这些系统通常利用光导来将进入水体的光更均匀的散布到不同深度的相关的光合培养基里。
[0005]一种已知形式的光导设备由固体塑料材料制成，这需要高质量以有效传输光。但是，与生产这种材料相关的成本使得这种光导设备不适合大型项目。
实用新型内容
[0006]根据本实用新型的第一个方面，提供一种光导设备，用于使光穿过一透光介质柱并进入相邻的生长培养溶液，该光导设备包括一屏障结构用于分离该介质和溶液，屏障结构是透光的，允许光的提取并可调整以容纳折射率比介质减小的材料，使得入射光以大于临界角的角度进入屏障结构来提供全反射，从而引导光通过设备。
[0007]优选地，屏障结构包括一用于容纳介质的第一壁以及一用于容纳上述材料第二壁，该第二壁通过一间隙与第一壁隔开。
[0008]优选地，介质是液柱的形式，所述材料是气体。
[0009]本实用新型的另一方面提供一用于传输光的光导设备，其包括一具有第一和第二壁的屏障结构，该屏障结构用于分离光传输介质柱和培养溶液；其中第一和第二壁由一间隙隔开；并且其中第一和第二壁是透光的，允许从介质中提取光到培养溶液中。
[0010]优选地，介质是液体。
[0011]优选地，间隙充满气体，允许入射到在液柱中屏障结构的光通过全反射传输通过液柱。
[0012]优选地,气体是空气。
[0013]优选地，第一和第二壁由聚合物薄片组成。
[0014]优选地，第一和第二壁的部分接合从而形成接合部分。
[0015]优选地，间隙是由多个限定在壁接合部分之间的间隙部分形成的。
[0016]优选的，间隙的最小宽度是I微米。
[0017]在一种形式中，该设备包括一波长转换元件，用于转换射入该设备的光波长。
[0018]在一种形式中，第一和第二壁中的至少一个包括波长转换元件。
[0019]在一种形式中，波长转换元件以薄片材料形式提供，该薄片材料位于培养溶液内。[0020]在一种形式中，波长转换元件包括荧光或磷光材料。
[0021]优选地，设备是单元格(cell)的形式，并且将屏障结构配置成容纳介质或者培养溶液，与相邻的另一种介质或培养溶液隔开。
[0022]在本实用新型另一方面，提供了一种培养装置，包括根据上述定义的单元格形成的单元格阵列。
[0023]优选地，该相邻的单元格共享共同的屏障结构。
[0024]优选地，在培养溶液上方提供盖子以防止培养液受到阳光直射。
[0025]优选地，盖子配置成将光从培养溶液上方导入光导设备。
[0026]在本实用新型的另一个方面，提供一培养装置，包括与上述定义的单元格一致的单元格，其中单元格具有包括屏障结构的相对的侧壁，该侧壁从单元格的第一末端朝单元格第二末端彼此叉开。
[0027]优选地，在介质内至少有两个所述单元格，该单元格与在其间的介质柱并排布置，每个单元格的第一末端位于朝向介质的表面，每个单元格的第二末端位于朝向远离介质表面。
[0028]优选地，从单元格的前端和后端中的一个的角度观察时，该单元格或每个单元格大体上是二角形的。
[0029]优选地，该单元格或每个单元格包含培养溶液，并且介质是水。
[0030]在本实用新型的另一方面，提供一种将光传输通过设备并进入培养溶液的方法，包括:通过与液柱相邻的气体处发生的全反射，引导光穿过液柱，远离设备的光接收末端；以及从液柱提取光。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]仅通过非限制性实例方式结合相应附图描述本实用新型，其中:
[0032]图1是两个相邻光导设备的分割视图；
[0033]图2是光导设备的第一和第二壁的侧视图；
[0034]图3是第一和第二壁之间的间隙部分的侧视图，展示了全反射；
[0035]图4a、4b、4c和4d是光线追踪图；
[0036]图5是光导设备的侧视图，该光导设备浸入到含有培养溶液的容器中；
[0037]图6是浸入到含有培养溶液的容器中的单元格的侧视图，培养液中具有添加到水柱的光分散粒子；
[0038]图7是包括波长转换元件的单元格的第一和第二壁的侧视图；
[0039]图8是适于户外培养藻的培养装置的侧视图；
[0040]图9是一具有设备的光接收末端以及相关藻培养单元格盖子的培养装置的顶视图；
[0041]图10是一培养装置的顶视图，其中设备的光接收末端是圆形的；
[0042]图11是适于户外培养藻的培养装置的侧视图；
[0043]图12是具有将第一和第二液体隔开的屏障的另一个设备的视图；
[0044]图13a、13b和13c展示了设备的三种备选布置；
[0045]图14a展示了在培养藻的培养装置中使用的藻培养单元格的透视剖面图；[0046]图14b所示为在水介质中具有多个藻培养单元格的培养装置的剖视图；
[0047]图14c所示为藻培养单元格的屏障结构的详细视图。
【具体实施方式】
[0048]图1所示为用于将光传输通过透光介质柱3a进入相邻的培养溶液5的光导设备1，所述透光介质柱是水柱3的形式。设备I包括用于将水柱3和培养溶液5隔开的屏障结构6。
[0049]所述屏障结构6是透光的，以允许光的提取，并且是可调整的，以容纳折射率比水3小的材料(9a)，优选地，9a是气体，例如空气9。结果使得入射光以大于临界角的角度进入屏障结构来提供全反射，从而引导光通过设备I。
[0050]屏障结构6包括一用于容纳水柱3的第一壁2以及一相邻的第二壁4，该第二壁4用于将设备I从周围的培养溶液5分开。第一和第二壁由间隙10隔开，而第二壁4是透光的，允许从水柱3提取光进入到培养溶液5中。培养溶液5包括处于生长介质中的藻,该生长介质可能主要基于水。
[0051]图2所示为第一壁2和第二壁4，二者在接合部分连接到一起，以限定其中的间隙部分。间隙部分7充满气体，优选是空气9。替代地，空气9可替换为另一种气体，如氮气、氩气或二氧化碳。可设想到，由于第一壁2和第二壁4的通透性降低，使用惰性气体，如氩气，在一些情形下可能是有利的。如图2中“D”所示，间隙部分7的最小宽度至少为I微米或入射光的两个波长。
[0052]第一壁2和第二壁4由透光聚合物形成，如透明的塑料薄片，并且可通过热焊接接合。接合部分8也可以是网状或编织的形式与间隙部分I相邻。在这种形式中，应了解的是，屏障结构6是充满气体的双`层透光屏障结构的形式，其提供了水柱3和培养溶液5之间的透光性。
[0053]图3显示了屏障结构6的一详细视图，展示了一光线11以与垂直于第一壁2的表面的法线成α角的入射角度入射到第一壁2上。在这种配置中，光线11将会遇到位于水柱3和培养溶液5之间的气体9。由于气体9的折射率约为1.0003,而水柱3的折射率约为1.33，入射角度超过临界角Qrait (在本例中为大约49度)，入射光11将会发生全反射。在该图中，入射角α大于临界角Θ rait，因此光线11会发生全反射。
[0054]在水柱3和空气9之间的第一壁2的存在并不影响临界角，因此不会影响光线的全反射。这是因为第一壁2由折射率大于空气和水的聚合物形成。下面给出这一点的证明，以阐明尽管有第一壁2的存在，全反射角度不会改变。
[0055]通过插入一个具有较高折射率112的层，我们想要展示来自折射率为Ii1的介质的光到较低折射率n3的介质的临界角不变,其中nPnArv
[0056]参照图4a展示了一个水-空气界面，其中ηι>η3，根据折射定律
[0057](I)Ii1SinQ1=Ii3SinQ3,
[0058](2)...Gcrit=SirT1(Ii3Ai1)
[0059]参照图4b展示了插入到水-空气界面之间的折射率为112的塑料薄片，其中
根据折射定律，我们看到在Ii1和n2的边界,有
[0060]On1SinQ1=Ii2SinQ2,[0061]现在薄片是薄而平滑的，因此
[0062]⑷Θ 2，= Θ 2
[0063]所以，根据折射定律，在n2和n3的边界处
[0064](5)n2sin Θ2， =n3sin Θ 3
[0065]结合(3)、(4)和(5)，
[0066](6) Ii1Sin Θ J=Ii2Sin Θ 2=n2sin Θ 2，=n3sin Θ 3 ；
[0067](7)...1i1Sin Θ ^ngsin Θ 3 ；
[0068](8)因此，Θ Mt=SirT1(Ii3Ai1),这与(2)相同，因此折射率为112的中间层的存在不
会影响Θ crit°
[0069]图4c显示了在折射率Ii1和n3的材料之间的界面上一些入射角θ 4> Θ crit发生的全反射。如图4d所示，插入高折射率n2的层(其中n2>nl>n3)，将全反射点从Ii1-1i3界面移到n2-n3界面，但这没有改变折射光线的最终角度。(该折射光线由于多个小的中间层厚度而发生侧偏，但是该层是薄的，因此侧偏没有效果。)
[0070]鉴于上述情况，应了解的是，可用其他材料取代柱3中的水和气9，只要ηι>η3。相应的，水柱3可 填充其他液体，例如甘油，这可能是藻类生长过程中产生的副产物(b1-product)0在这种情况下，气体也可以用水代替。考虑到甘油的折射率比水高，仍能满足I^n3,全反射仍然能发生。
[0071]图5，阐明了设备I以单元格22形式的优选实施例，其中屏障结构6配置成从周围培养液5中包含水柱3。另外,单兀格22可以从周围水柱3包含培养溶液5。在任意一种情况下，屏障结构6将培养液5和水柱3隔开。
[0072]单元格22至少部分地浸入在容器15的培养液5中，使得单元格22，以及水柱3从培养液5的表面14附近的上端16处向下延伸至培养溶液5中。容器15可以是一小的或大的水槽、池塘、坝或其他容纳水的结构，单元格可浸入其中。
[0073]屏障结构6从上端16向下大体延伸入容器15中，直至底部18。底部18的形成大体类似于双层的屏障结构6或者具有一反射表面如镜子19，以反射光。或者，不使用镜子19，而是使用一漫反射器用于反射光。但是，如果使用漫射反射器，效率将会降低。可设想到，该底部18可进一步包括压重物20或固定点21，可在固定点上连接限制物，以将容器和单元格22固定并将屏障结构6保持在一优选的垂直方向。方向优选是大致垂直的。替代地，可选择一倾斜方向以更好的将季节性变化的阳光和藻类生长的最佳光模式相匹配。
[0074]单元格22在上端16具有一光接收末端17，将光传到单元格22内。例如，如图5所示，光线11进入光接收末端17，并假设入射角大于临界角，如图3所述，从屏障结构6中的空气9发生全反射。请注意，光线11在图5、6和7中的描述仅起说明作用。例如，当光线11穿过充满空气的外部环境，随着其进入培养溶液5的表面14，其可发生折射。
[0075]此外,如果底部18具有一镜子19,光将进一步从镜子18反射,如果入射角大于临界角，光将再次从屏障结构6发生全反射。因此，应理解的是，在一优选形式中，单元格22形成一光捕获结构，可使用任何一种已知技术从该处提取光到周围的培养溶液5中。
[0076]在一种形式中，可设想到，单元格22从底部18到上端16的垂直高度与光接收末端17的宽度的比例在4:1至20:1的范围内。优选的，比例是10:1，例如，如果设备的垂直高度是lm，光接收末端17的宽度将会是0.lm。相应地，应理解的是，相对于垂直高度来说相对狭窄的光接收末端17的孔配置成使得入射光以大于临界角的角度接收，使得发生全反射。
[0077]图6显示了一个实例，其中入射光线11穿过光接收末端，并如图3所示假设入射角度大于临界角度，入射光线11从屏障结构6发生全反射，并从镜子进一步反射。如上所述，关于图5所述的例子，单元格22充当为一光捕获结构，目的是释放捕获的光使得其可分散在培养液5中。相应地,液柱3可包含光散射颗粒30,用于制造散射光31,作为一种可能的提取光的方式。优选地，这些光散射颗粒30是微颗粒形式，配置成用于减少反向散射。
[0078]应理解的是,散射光31的一部分的入射角比临界角小，因此散射光31的一部分将被传送到培养液5中。相应地，由于光线发生全反射和散射，藻类不会经受直射光，而是在培养液5的所有深度中受到更分散的光源。而且，如果底部18由屏障结构6而不是镜子形成，光可穿过底部18进入培养液5中。
[0079]例如，如果为了进一步引导入射光线11的散射，第一壁2可进一步包括一植入形式的光散射颗粒30和/或光散射兀件32。例如,散射兀件32可在第一壁2上包括一表面纹理33使得光散射。优选地，表面纹理33配置成使得可以在单元格的各深度均匀的提取光。为此，纹理33可以是渐变的，以在光穿透单元格22到更深处时，控制散射并提供均匀的光密度。
[0080]图7说明了第二壁4，包括一波长转换元件34。波长转换可通过荧光、磷光或其他方式实现。使用波长转换元件34的好处是，可将入射的太阳光波长转换成适合藻类光合作用的波长。例如，波长优选大致集中在大约430纳米和660纳米。
[0081 ] 优选地，波长转换元件34能够通过将荧光或磷光材料合并到第二壁4里面或上面形成。替代地，波长转换元件34可以并入第一壁2里面或上面。优选地，波长转换元件34是掺有荧光或磷光材料的聚合物薄片。或者，波长转换元件34是掺有荧光或磷光材料的聚合物薄片，其中，材料层压到一层或更多层透明的聚合物薄片上。这种第二壁4的实施例的优势在于与培养液5接触的表面可优化成与藻类生物相容的，而不用损害第二壁4的波长转换性能。在进一步的变化中，波长转换元件34可以以一个或多个荧光或磷光材料薄片的形式提供，该薄片位于培养液中，与第二壁4相邻或具有预定的间隔关系。如果波长转换元件34位于培养液5中，或者在第二壁4的内表面或外表面之上或在其中，可灵活的设计系统使得很大部分转换了波长的光进入培养液。在进一步的变化中，如果培养液5中的藻类吸收多个波长的光，波长转换元件34可包含多个转换入射光波长的荧光或磷光材料，使得波长转换元件34发出多种与藻类吸收的光波长匹配的光。
[0082]但是，如果波长转换元件34在第一壁2的内部或者表面上，很大一部分转换波长的光可能从光传递单元格22上部逃离。
[0083]此外，在光已经被传送到邻近需要光的第一壁2和/或第二壁4后，通过转换光的波长，在实施波长转换的系统中潜在地提高波长转换效率，然后将光传送到所需的地方。
[0084]在本实用新型另一方面，提供一种培养装置，包括根据上述定义的单元格形成的单元格阵列。
[0085]图8展示了一培养装置40，包括单元格22阵列，如上所述，这些单元格22之间有一定间隔，使得屏障结构6的第二壁2限定出空间，这些空间形成藻培养单元格42，用于容纳培养溶液5。因此，单元格22和藻培养单元格44共用屏障结构6。[0086]在本实例中，培养装置40浸入液体43使得至少一薄层液体43覆盖设备1，以有助于保持装置40干净并且使其隔离外部环境。
[0087]藻培养单元格42包括不透明盖41，其至少部分过滤任何入射光。重要的是，盖41降低了表面14附近的光密度，因为对于朝向培养溶液5的表面14的藻类优化生长来说，该光密度太高了。盖41也用于在藻培养单兀格42中容纳培养溶液5。盖41也可包括一导向元件44，其可反射并且成一定形状，以便将入射到盖子41上的光引导进入光传输设备3中，并因此增加到达培养溶液5的光量。在一种形式中，导向元件44可以是一种凸形表面的形式，具有一淹没在表面14下的尖端。培养装置40的效率由每平方米的生物产量来衡量，通过利用导向元件44增加到达培养液5的光量，可使生物产量翻倍。应了解的是，在一种形式中，盖41和导向元件44是单独的设备，然而在另一种形式中，盖41和导向元件44是相同的设备，这时，导向元件44也可充当不透明盖41。
[0088]盖41也可形成有渗透性的，其允许过量的二氧化碳和/或氧气从藻单元格排出去。在任意一种情况下，盖41从制造目的来说，应该制造简单，且重量轻，以避免使装置40过量负重。在这方面，设想了盖41可能是膜的形式，可由设备内的气体支撑以尽量减少结构组件。
[0089]在这种配置中，双层屏障结构6不仅在单元格22和藻培养单元格42之间提供屏障，也在单元格22之间、藻培养单元格42和液体43之间提供屏障。此外，底部18在包含藻培养单元格42和水柱3的双层屏障结构6之间延伸。因此，培养装置40能够布置成浸入容器15中，使得培养溶液5和水柱3都不会与液体43混合。
[0090]此外，当设备I用于装置40中，基本上都充了水的单元格22和藻培养单元格42实质上与液体43保持流体静力学平衡。相应地，除了空气9的浮力和压重物20或固定点21的联合反应力外，作用在装置系统40上的力相对小。这允许培养系统40的结构主要由相对薄的双层塑料屏障结构6组成。
[0091]图9展示了一实例，其中多个设备I被配置形成水柱3的基质，用于将光分散到邻近的藻培养单元格42中，该单元格在盖41下面含有培养溶液5。
[0092]图10显示了进一步的实例，其中培养装置40的设备I形状是圆形的。在这种配置中，藻培养单元格42形状不规则，其由设备I的放置形式限定，并浸入隐藏在盖41下的培养溶液5中。可设想到，这种配置是可以调换的，这样，藻培养单元格42是圆形的，并且被不规则形状的单元格22包围。上述配置的二者的共同特征是水柱3和培养溶液5之间的屏障结构6。
[0093]图11显示了另一个实例，其中培养装置40的单元格22配置成长条的直角棱柱46，其锚到管道45的底部。一般情况下，当配置为长条形直角棱柱46时，设备I的光接收末端17宽度可为约100mm，长度可为约100m。藻培养单元格42可进一步包括多个水门47，通过它们可以输入或输出操作流体49如二氧化碳、氧气和藻类生长介质。然后水门47可连接到管道45的相应的管48，从而将操作流体49运输到位置50和/或从该处输出操作流体。此外，应了解的是，当配置为浸入液体中时，管道45提供了结构支持，抵抗任何与装置40相关的浮力。
[0094]为了方便起见，本实用新型提供了 一和培养装置40 —起使用的单元格22，其主要组件为简单的塑料屏障结构6、空气9和充水的柱子3。该单元格22通过从包含在屏障结构6第一壁2和第二壁4之间的空气发生全反射来捕获光。捕获到的光可以通过各种方式分散，例如前述的光散射颗粒30，所以光能够穿过塑料屏障6并进入培养溶液5中。全反射以及光的散射从而在光穿过水柱3进入培养溶液5时提供光密度和光散射的控制。此外，当波长转换元件34添加到单元格22时，光的波长可转换成优选的用于藻生长的波长，优化藻类生长。
[0095]相应的，相对于现有技术的由高质量的固体塑料材料制成的光导设备，设备I的薄的双层屏障结构6提供简单的和低价的光导结构。设备I能够在不同深度将密度和波长适合藻类加速生长的光传输到相关的培养溶液5。
[0096]应了解的是，根据以水作为光传输介质，且以空气作为屏障内的气体详细描述了上述例子中的光导设备和单元格。但是，本实用新型的原理仍以更概括的结构呈现在图12中。在这方面，图12显示了一更为概括的设备51，其中相同的部件用相同的参考数字标记。设备51包括第一液体52和第二液体53之间的屏障结构6。屏障结构6是透光的，并且包括具有比第一液体52的折射率低的第三液体54，因此从屏障结构6射入第一液体52的光发生全反射。
[0097]屏障结构6包括第一液体52和第三液体54之间的第一壁2以及第三液体54和第二液体53之间的第二壁4。其中，第一壁2和第二壁4由间隙10隔开，间隙中容纳第三液体54。
[0098]在这种形式中，应了解的是，尽管第一流体52优选是水柱3的形式，第二流体53优选是培养溶液5的形式，第三流体54优选是空气9的形式，设备51可配置成将光传输过任何合适的介质。
[0099]图13a, 13b和13c说明了设备51的三个备选布置,其中相同部分用相同的参考数字标记。在这些布置中，设备51进一步包括在屏障6 —侧或两侧上的透明的辅助膜55，以便容纳另外的液体56，例如，一层薄薄的水。在这种形式中，辅助膜55和另外的液体56对如图12讨论的光学原理具有相对较小的影响。因此，从屏障结构6入射到水柱3中的光仍能发生全反射。
[0100]尤其是，图13a展示了一种可能的设计，其中设备51进一步包括一组透明的塑料包57和58，其中塑料包57和/或58的侧边形成辅助膜55。水柱3包含在一套塑料包57中，培养液体5包含在另一套塑料包58中。这两套包57和58由屏障6隔开，另外的液体56填充屏障6和塑料包57和/或58的侧边之间的空间。可以设想，另外的液体56可以是一层薄薄的水。屏障6中的空气间隙9通过全反射捕捉光，而辅助膜在其每侧具有另外的液体56，因此它们不会反射光。这种设计的优点是，水柱3和藻培养柱5都是可以密封的。它的缺点在于，它使用两倍材料。此外，可设想到，包含培养溶液5的塑料包58能包括一波长转换元件34。
[0101]图13b展示了另一种设计，其中通过双层屏障6容纳水柱3，通过塑料袋57中的一个容纳藻培养柱5，在双层屏障6和塑料袋57之间有薄薄的一层另外的液体56。
[0102]图13c展示了另一种设计，其中可使用多个塑料袋58中的一个容纳水柱3，通过双层屏障6容纳藻培养柱5，在双层屏障6和塑料袋58之间有薄薄的一层另外的液体56。
[0103]图14a_14c展示了培养装置40的进一步的实例。在本实例中，培养装置40通常包括三角形形状的藻培养单元格60，这些单元格并排的位于水介质64内，水柱3处于相邻的藻培养单元格60之间。
[0104]更具体地说，图14a所示为一种藻培养单元格60的剖面透视图。藻培养单元格60以三角柱的形式提供，具有以一定间距隔开的前端68和后端69，以及多个主侧面67，其从尖端或顶端65朝底部或底端66叉开。每一个主侧面67包括屏障结构6，如根据图14c进一步描述的。从图中应了解，当从前端68或后端69中的一个的角度观察时，藻培养单元格60是三角形的。
[0105]藻培养单元格60的顶端65包括排除氧气的浮动管61，其漂浮以协助保持藻培养单元格60在水介质64中的定位，以及控制藻培养单元格60中的氧气水平的，从而维持有利于藻类在培养溶液5中生长的条件。藻培养单兀格60的底端66包括一二氧化碳管62和肥料管63，在培养溶液5中分别为藻类供应二氧化碳及肥料。底端66还可包括一些结构特征(未显示)，以便能够保持底端66的形状和重量，和/或拴到另一个结构(未显示)以协助保持藻培养单元格60在水介质64中的定位。
[0106]参考图14b，显示了在水介质64中具有多个藻培养单元格60的培养装置40的剖视图。为了清楚表达，排除氧气的浮动管61，二氧化碳管62以及肥料管63已省略。多个藻培养单元格60以并排配置方式布置，并且相邻单元格60的底端66相互邻接或以相对较近的距离相互隔开。藻培养单元格60的顶端65优选位于水介质64的表面14的下面。
[0107]从图14b应该了解的是，当藻培养单元格60并排布置在水介质64中时，藻培养单元格60，尤其是相邻的藻培养单元格60的侧边67，在相邻的藻培养单元格60之间界定了水柱3。每一个界定的水柱3相对于三角形的藻培养单元格60通常是倒三角形。相应地，通常这些水柱3位于屏障结构6的侧面，每个水柱3充当光导设备1，如光线11所示。
[0108]此外，随着光线11反射向下到水柱3中，由于水柱3的倒三角形状，入射角在每次反射时变小，直到光线的入射角小于临界角，光线通过光屏障。尤其从图14b应理解的是，光线11首先在位置A以大于临界角的入射角照射到屏障结构6上，并反射到位置B。
[0109]在位置B，入射角仍大于临界角，因此光线11反射到位置C。在位置C，入射角小于临界角，因此光线11通过屏障结构6，并进入包含在藻培养单元格60中的培养溶液5中。
[0110]参考图14c，藻培养单元格60的屏障结构6包括第一壁2和第二壁4，它们相互间隔开以限定一间隙10，该间隙通常装有空气9。第一壁2和第二壁4由透光的聚合物材料组成，其优选为高密度聚乙烯。与此处公开的其他实例相似的是，第一壁2和/或第二壁4可包括一波长转换元件34。此外，如图14c中所示，位于水柱3和藻培养溶液5之间的屏障结构6用于使光发生全反射，所述光以大于临界角的角度射入屏障结构6。
[0111]在一种形式中，藻培养单元格60可布置在1.1m深的水池中，该水池提供水介质64。在这种情况下，三角形藻培养单元格60的顶端65和底端66之间的高度或距离将接近
1.0m,且底端66或底部宽度大约为0.1Om0此外，尽管14a和14b显示了三角形藻培养单元格60的截面图，应理解的是，这些单元格可配置成IOOm以上的长度，即前端68和后端70之间可能有IOOm的距离。此外，应该理解的是，在任何合适的介质，如充满液体如水的人工水池或自然形成的河流、湖泊、河口或海洋环境中，可利用多个藻培养单元格60。
[0112]应该理解的是，尽管此前描述的藻培养单元格60是三角形，其还可以是其他可提供屏障结构6的形状，该屏障结构6使水柱3处于侧面从而提供光导设备I。例如，从第一末端和第二末端中的一个的角度观察时，藻培养单元格60的主侧面可以向内弯曲，以定义成抛物线状的水柱3。或者，从前端68和后端69中的一个的角度观察时，藻培养单元格60的主侧面可以向外弯曲，以定义成抛物线状的水柱3。在另一种形式中，藻培养单元格60的下部主侧面67可以大体相互平行，藻培养单元格60的上部主侧面67可朝另一个主侧面汇合到尖端或顶部65。因此，在这种形式中，从前端68或后端69中的一个的角度观察时，藻培养单元格60具有一通常为矩形下部，其远离水介质64的表面14，以及一三角形上部，其朝向水介质64的表面14。
[0113]在本说明书中，引用藻类仅仅用于举例，任何提及藻的地方都意在包括任何光合生物。此外，引用培养溶液意在包括任何适于光合生物生长的溶液。
[0114]对于本领域技术人员来说，在不背离本实用新型的保护范围的情况下，许多变形是显而易见的。
[0115]本说明书中引用的任何现有公开文献(或从其中获得的信息)，或任何已知的事物不会且不应被当作对“现有公布内容(或从其获得的信息)或已知事物形成了本说明涉及的领域中的普通常识”的确认或承认，或任何形式的暗示。
[0116]部件列表
[0117]1.光导设备
[0118]2.第一壁
[0119]3.水柱
[0120]3a.透光介质
[0121]4.第二壁
[0122]5.培养溶液
[0123]6屏障结构
[0124]7.间隙部分
[0125]8.接合部分
[0126]9.空气
[0127]9a.材料
[0128]10.间隙
[0129]11.入射光
[0130]14.表面
[0131]15.容器
[0132]16 上端
[0133]17.光接收末端
[0134]18.底部
[0135]19.镜子
[0136]20.压重物
[0137]21.固定点
[0138]22.单元格
[0139]30.光散射颗粒
[0140]31.散射光
[0141]32.光散射元件[0142]33.表面结构
[0143]34.波长转换元件
[0144]40.培养装置
[0145]41.不透明顶部
[0146]42.藻培养单元格
[0147]43.流体
[0148]44.导向元件
[0149]45.通道
[0150]46.矩形棱柱
[0151]47.水门
[0152]48.管
[0153]49.操作流体
[0154]50.位置
[0155]51.设备
[0156]52.第一液体
[0157]53.第二液体
[0158]54.第三液体
[0159]55.辅助膜
[0160]56.另外的液体
[0161]57.容纳水的塑料包
[0162]58.容纳培养溶液的塑料包
[0163]60.三角形藻培养单元格
[0164]61.去除氧的浮动管
[0165]62.二氧化碳管
[0166]63.肥料管
[0167]64.水介质
[0168]65.顶端
[0169]66.底端
[0170]67.主侧面
[0171]68.前端
[0172]69.后立而。
【权利要求】
1.一种光导设备，用于使光通过一透光介质柱并进入相邻的生长培养溶液中，所述光导设备包括一屏障结构用于将所述介质和溶液隔开，所述屏障结构是透光的，以允许提取光，并可调整以容纳折射率比介质小的材料，使得入射光以大于临界角的角度进入所述屏障结构而发生全反射，从而引导光通过设备。
2.根据权利要求1所述的光导设备，其中所述屏障结构包括一用于容纳所述介质的第一壁以及一用于容纳上述材料的第二壁，该第二壁通过一间隙与第一壁隔开。
3.根据权利要求2所述的光导设备，其中所述介质是液柱的形式，所述材料是气体。
4.一种用于传输光的光导设备，包括一具有第一和第二壁的屏障结构，所述屏障结构用于将光传输介质和培养溶液隔开；其中所述第一和第二壁由一间隙隔开；以及其中所述第一和第二壁是透光的，允许从介质中提取光到培养溶液中。
5.根据权利要求4所述的光导设备，其中所述介质是液体。
6.根据权利要求5所述的光导设备，其中所述间隙充满气体，允许入射到在液柱中的所述屏障结构的光通过全反射传输通过所述液柱。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的光导设备，其中所述第一和第二壁由聚合物薄片组成。
8.根据权利要求2-6中任意一项所述的光导设备，其中所述第一和第二壁的部分接合到一起形成接合部分。
9.根据权利要求8所述的光导设备，其中所述间隙是由在多个壁的接合部分之间限定的多个间隙部分形成的。
10.根据权利要求9所述`的光导设备，其中所述间隙的最小宽度是I微米。
11.根据权利要求2-6中任意一项所述的光导设备，进一步包括一波长转换元件，用于转换射入所述设备的光波长。
12.根据权利要求11所述的光导设备，其中所述第一和第二壁中的至少一个包括所述波长转换元件。
13.根据权利要求11所述的光导设备，其中所述波长转换元件以薄片材料形式提供，位于培养溶液内。
14.根据权利要求11所述的光导设备，其中所述波长转换元件包括荧光或磷光材料。
15.根据权利要求2-6中任意一项所述的光导设备，其中所述设备是单元格的形式，以及所述屏障结构配置成容纳所述介质或者所述培养溶液，与相邻的另一种介质或培养溶液隔开。
16.一种培养装置，包括由根据权利要求15定义的单元格形成的单元格阵列。
17.根据权利要求16所述的培养装置，其中相邻的单元格共用共同的屏障结构。
18.根据权利要求16或17所述的培养装置，其中，在所述培养溶液上方提供盖子以防止培养液受到阳光直射。
19.根据权利要求18所述的培养装置，其中所述盖子配置成引导光从培养溶液上方进入光导设备。
20.一种培养装置，包括与根据权利要求15定义的所述单元格一致的单元格，其中的单元格具有包括屏障结构的相对的侧壁，该侧壁从单元格的第一末端朝单元格第二末端彼此叉开。
21.根据权利要求20所述的培养装置，其中在所述介质内至少有两个所述单元格，所述单元格与在其间的介质柱并排布置，每个单元格的第一末端位于朝向所述介质的表面，每个单元格的第二末端位于远离所述介质表面。
22.根据权利要求20所述的培养装置，其中从所述单元格的前端和后端中的一个的角度观察时，所述单元格或每个单元格大体上是三角形状。
23.根据权利要求20所述的培养装置，其中所述单元格或每个单元格包含所述培养溶液，以及所述介质是水。`
【文档编号】G02B6/00GK203595828SQ201190001010
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2011年11月30日 优先权日:2010年12月3日
【发明者】J·B·富兰克林 申请人:悉尼科技大学