专利名称：非成像的光学照亮系统的制作方法
技术领域：
本发明为一种用于收集阳光的改进的固定光收集器。具体地说，本发明为一种带有对称或不对称反射区，并带有一个或多个吸收器的非成像太阳能聚集器。
背景技术：
非成像太阳能收集器已经应用很多年了，用于在高温下聚集和利用阳光。术语“被动式”意思是收集器可在较宽角度范围接收和使用太阳能，于是不需移动跟踪太阳。当然，这种收集器如果在需要时也可移动。在Winston等人在1996年7月23日申请的题为“非成像太阳能收集器”的美国专利US5537991中给出了非成像收集器的例子。该专利在这里被参照地引用。由该专利教导的发明为对称反射器，带有中央热交换管和楔形吸收器。该吸收器从吸收管延伸或靠近对称反射器。专利US5537991把楔形吸收器称为“冰淇淋圆锥”几何结构，因为其横截面象冰淇淋圆锥。专利US5537991克服了如下现有技术的缺点如具有经由辐射而损失效率的径向肋片，以及具有非同心设置的热交换管。然而，专利US5537991具有对称的反射器，该反射器限制了在阳光入射角范围内收集的多功能性。它还具有从中心热交换管直接朝向反射器延伸的楔形收集器。这也在收集上产生了某些缺点。本领域现有技术的状况在以下专利中进行了归纳名称为“非成像光学照射系统”的美国专利US5586013；名称为“非成像光学照射系统”的US5816693和名称为“非成像辐射能装置”的US5610768。
当使用太阳能收集器时，如果热量不从吸收器的区域进行交换，那么聚集的辐射流产生一个问题。如，经过收集器循环流动制冷剂用的泵失效时会发生问题。如果不迅速采取措施，收集器会被破坏或甚至被彻底毁坏。
发明内容
本发明的目的是提供更好的被动式太阳能收集器。
本发明的另一个目的是提供被动式太阳能收集器，该收集器可在白天在空调负载处于或接近最大时，最大量地收集太阳能。
本发明的另一个目的是提供被动式太阳能收集器，该收集器可吸收大量的太阳能辐射，而再辐射达到最小量。
本发明的另一个目的是提供被动式太阳能收集器，该收集器可在不需要人介入情况下，抵御过高温度。
本发明的另一个目的是提供太阳能收集器，该收集器包括作为吸收器的热水瓶结构。
本发明的再一个目的是提供一种改造的方法和设备，用于从自然的光源产生由使用者选择的非成像输出。
本发明的又一个目的是提供一种新颖的方法和设备，用于通过控制光源的边缘光线，从光学设计中提供由使用者可选择的光能的非成像光学输出。
其他目的将从下面的本发明的描述中得知。
被动式太阳能收集器具有收集器、中心管和连接到中心管上的吸收器。吸收器可以沿某些轴对称或也可不对称。中心管可以是加热容纳在其中液体的热水瓶形式，或者可以是热交换管，或者可以是热管的一部分，或者可包含流有待加热液体的管。对于一年中具体的季节，选择最优的不同反射器，于是就可以有冬天的收集器和夏天的收集器，或者用于不同季节的收集器。反射器和吸收器可以包在透明管内。该透明管通常盛有小于空气压力的气体，或如具有热交换性能特性的氩、氙的气体，或气体混合物。收集器可通过一个或几个系统来抵御过热，这些系统包括吸气剂，吸气剂可在过热时释放气体，以破坏真空，在冷时吸收气体，恢复真空。吸气剂可以是钡、锆或可买到的吸气材料。收集器也可在过热时，通过覆盖在其上面的机械操纵的屏障所保护，吸收性材料有可设计成在过热时减少吸收，或者透明管可涂有一种材料，该材料会因为过热而变暗，以减少获得的光量。
图1示出了用于提供非成像输出的二维光学装置。
图2示出了图1中的光学装置一部分，该部分相关的光学光源和该装置的直接反射面。
图3A示出了光学系统的底部，图3B示出了反射面的渐开线部分，该部分具有选定的临界设计尺寸以及与光源相关的角度设计参数。
图4A示出了用于非成像照射的三维光学系统的透视图，图4B示出了图4A的光学系统的一部分。图4C和4D分别为图4A的系统的端视图和侧视图。
图5A示出了本发明实施例的等强度线，图5B示出了根据现有技术的非成像输出等强度线。
图6A示出了给出cos3r照射分布的二维朗伯光源的简图。图6B示出了带有图6A中朗伯光源的平面光源。图6C示出了非成像反射器的几何结构，该反射器为图6A的光源提供r＝40°的均衡照射，图6D示出了给出cos4r照射分布的三维朗伯光源。
图7A示出了光线轨迹分析的二维解，图7B示出了三维解的三个经验拟和。
图8示出了接收角函数，该函数表示在与狭窄的一侧朗伯条状光源(二维)一定距离平面上产生恒定辐射，其中α＝1。
图9示出了反射器轮廓，其中在一侧朗伯条状光源(二维)一定距离的平面上产生恒定辐射，其中在原点，R(φ＝π/2)＝1，α＝1。示出了CEC(内曲面)和CHC型解(外截短曲面)。
图10示出了设计用以在靠近光源产生反射图像的反射器，由两条边缘光线Rsin2α的分离确定了-θ方向辐射的综合的强度。
图11示出了接收角函数，该函数表明在与限定的一侧朗伯条状光源一定距离的平面上，产生恒定辐射；仅有CHC型解。
图12示出了在与2个单位(WIDTH TWO UNITS)的限定的一侧朗伯条状光源一定距离的平面上产生恒定辐射的反射器轮廓。
图13示出了图12中的反射器与V-槽的偏差。
图14示出了在与光学平面垂直的一定距离的平面上的期望辐射分布，该光学平面由光源单独沿着轴产生的辐射分开(DIVIDED)；虚线示出了截短装置产生的辐射。
图15示出了对应于图13中示出的辐射分布的角度能量分布；虚线是指截短装置。
图16示出了对应于图13中给出的期望辐射分布的接收角函数。
图17示出了反射器轮廓，该反射器轮廓从宽度为2个单位的限定尺寸的一侧朗伯条状光源在一定距离的平面上，产生图13所示的期望辐射；注意仅有CHC型解，并且被截短。
图18示出了以与光源垂直距离为函数的反射器的斜度。
图19示出了图16中的反射器与真正V槽的偏差。
图20示出了由角度表示并以反射器垂直长度为函数画出的截短的效果，达到该角度，截短装置与期望能量分布匹配。
图21示出了光源以及沿着参照线的带有相同矢量的边缘光线族。
图22A示出了用于CEC反射器的光源、反射器、参照线和边缘光线。
图22B示出了用于CEC反射器的光源、反射器、参照线和边缘光线。
图23示出了在边界照射的反射器终止的效果。
图24示出了用于目标区域两侧照射的反射器。
图25示出了在与均匀亮度的限定尺寸的圆柱光源在一定距离平面上，以角度为函数的辐射。
图26示出了在与圆柱光源一定距离平面上产生恒定辐射的CEC型反射器轮廓。
图27示出了对应于图25中指定角度的一些边缘光线。
图28为用于本发明实践的装置的透视图。
图29a为图28的装置沿剖面线28-28的剖面图。
图29b、29c和29d为图28和29a的太阳能收集器的可选择实施例的剖面图。
图29e和29f示出了图29b、29c和29d的计数器225的可选择形式。
图30为示出了在适当位置吸气剂的图28和图29的外部管筒的一部分视图。
图31为示出了机械屏障以及传感器和屏障控制系统的图28和图29的外部管筒的一部分视图。
图32为在阴天的日射和热收集率的图像，该热收集率由图28和图29中设备进行并以时间为函数。
图33为本发明的非成像太阳能收集器的可选择实施例的侧视图，该实施例包括用于反射器表面的几种不同类型的表面处理。
图34为图33的收集器的端视图。
图35为图33的收集器的俯视图。
图36为液体吸收器306和局部剖面图，该吸收器经过双管310循环液体308。
图37为另一种类型的热管314的局部侧视图，该热管314把热送到热交换器316。
图38为太阳能收集器330的可选择实施例的俯视图，该收集器330具有在区域334的平滑突脊332以及在区域338参差不齐的突脊336。
图39为太阳能收集器330的可选择实施例的端视图，该收集器330具有在区域334的平滑突脊332以及在区域338参差不齐的突脊336。
图40为太阳能收集器330的可选择实施例的侧视图，该收集器330具有在区域334的平滑突脊332以及在区域338参差不齐的突脊336。
具体实施例方式
A.较小光学光源在提供非成像照射的光学系统的设计中，其中照射使用了相对于其他系统参数较小的光源，应该考虑到光源不能展开的受限制情况。也就是说，例如，光源的尺寸比靠近任何反射或者折射元件的最近距离要小。于是，在任何反射或者折射元件的光源所成角度可以看成很小。较小光源尺寸d和较大观察者的距离D的近似值相当于d＜＜R0＜＜D。这就从某种意义上说，是通常非成像问题的对立面，其中光源的限定尺寸和特定形状在确定设计中是关键的。在任何实际的情况中，限定但有是很小宽度的光源最好通过这里描述的小光源非成像设计进行调整，而不是通过目前的现有技术限定光源设计而实现。
我们把光源理想化成点或者线，而忽略直径，并寻找一种类似于传统非成像光学“边缘-光线方法”一次反射解(请参见W.T.Welford和R.Winston的“高聚集非成像光学”，纽约学院出版社，纽约(1989))。如图3A和3B所示出的，极坐标R和Φ将光源的作为原点、θ作为反射光线的角度使用。图3A中的几何结构表明下面光源角度和反射角度之间的关系，D/dΦ(logR)＝tanα(1)其中α为相对于法线的入射角。于是α＝(Φ-θ)/2 (2)方程(1)容易积分得到log(R)＝∫tan a dΦ+常数 (3)于是R·常数·exp[∫(tan a dΦ)] (4)方程(4)确定了对于任何期望的函数关系式θ(Φ)的反射器轮廓。
假定我们希望从线光源来的辐射能量具有特定的角度分布(Φ)，而其中的线源假定为轴对称。例如，从θ＝0到θ1，P(Φ)＝常数，而在该角度范围P(θ)≌0。根据能量守恒，P(θ)dΦ＝P(Φ)P(θ)(忽略材料反射损失)，我们仅需要保证，dθdΦ＝P(Φ)/P(θ)， (5)从而获得期望的辐射束轮廓。为了描述该方法，把上述常数P(θ)的实例考虑为线光源。利用线光源的旋转对称，dP/dΦ＝常数，于是根据方程(4)，我们把θ看成是Φ的线性函数，例如θ＝aΦ。这样方程(3)的解为R＝R0/cosk(Φ/k)(6)其中，k＝2/(1-a)，(7)并且R0为R在Φ＝0的值。
我们注意到当a＝0时(k＝2)，给出了极坐标形式的抛物线，
R＝R0/cos2(Φ/2) (8)同时当θ＝常数＝θ1，得到离轴抛物线，R＝R0cos2(θ1)/cos2[(Φ-θ0)/2](9)假如我们想要以特定强度分布代替照射平面。那么我们以角度q修正在平面上的位置，并进行上面计算，旋转到球面对称点光源，考虑当常数P(Ω)的条件，其中Ω为辐射的立体角。下面根据能量守恒就得到P(Ω)dΩ＝P(Ω0)dΩ0(10)其中Ω0为由光源辐射产生的立体角度。根据点源的球面对称，可知P(Ω0)＝0。而且，得到dΩ＝(2π)dcosθ，以及dΩ0＝(2π)dcosΦ，这样，我们需要使cosθ是cosΦ的线性函数，cosθ＝acosΦ+b (11)其中的边界条件为在Φ＝θ时，θ＝0，而在Φ＝Φ0时，θ＝θ1，我们就得到a＝(1-cosθ1)/(1-cosΦ0) (12)b＝(cosθ1-cosΦ0)/(1-cosΦ0) (13)例如，因为θ1＜＜1和Φ0≌л/2，所以就得到θ≌√2θ0sin(Φ)。该函数关系式用于方程(4)，然后对其中方程(4)利用传统算术方法进行积分。
描述反射器轮廓R(Φ)的有用方法是利用反射光线r(Φ)的包迹(或者聚光线)。这可根据反射光线的方向可非常简单地获得，t＝(-sinθ，cosθ).由于r(Φ)随着反射光线而变化，因此，它具有下面的形式r＝R+Lt. (14)其中R＝R(sinΦ1-cosΦ)，另外RdΦ＝Ldθ， (15)这是反射定律的结果。于是r＝R+t/(dθ/dΦ). (16)在前面提到的情况中，其中θ为aΦ的线性函数，聚光线曲率变得极其简单，r＝R＝t/a.(17)
根据聚光线，我们把反射器轮廓看成是拉紧绳的轨迹；绳从集散点处r展开，同时一端固定在原点处。
在任何实际的设计中，光源较小但是确定的尺寸变化成上面得到的较小量—“点状”或者“线状”角度分布。为了阻止辐射返回到光源，可以希望在θ＝0附近利用到虚拟源的渐开线“着手”解决方案。于是，反射器设计可内卷到“冰淇淋圆锥”的虚拟源。在本领域中，大家都知道如何运行该结果(例如参见R.Winston，“Appl.Optic，”卷17，第166页，1978)。另外，参见在这里被参照引用的专利号为US4230095的美国专利。同样，通过考虑从光源到原点，不是从中心而是从周围，就象非成像设计中的“边缘光线”，调整光源的确定尺寸。利用附录的计算机程序，可实施本方法，同时进行轮廓计算(参见图2)，图1中示出了线光源和轮廓的例子。另外，当光束图或者光源不是旋转对称的情况中，可采用与传统截面为抛物线形状的反射表面类似的截面为二维的反射器。在一些情况中，当光源比其他参数较小时，本方法特别有用。
各种实际应用中的光源包括较长的圆弧光源，该光源可近似看成为轴对称的线光源。然后我们可利用反射器轮廓R(Φ)，该反射器轮廓R(Φ)在这里得到确定，这在方程(5)到(9)以及伴随的说明中得到解释。该分析同样地用于光学装置的二维和三维反射表面轮廓。
另一个应用的光源为较短的圆弧光源，该圆弧光源可近似地看成球面对称的点光源。方程(10)到(13)中表示了确定光学轮廓的细节。
图4A、4B、4C和4D中示出了非成像光学系统20的最佳形式，同时图5A中示出了典型非成像输出。该输出一般可采用传统红外光源22(参见图4A)而获得一例如，该光源为高强度弧光灯或石墨发光条。反射侧壁24和26收集从光源22发出的红外辐射，并从反射侧壁24和26把该辐射反射到反射侧壁24和26的远场。理想的红外发生器把从光源22来的辐射集中在特定的角度范围(一般为大约为％15度的锥体)或者是在水平平面％20度、竖直平面％6度的不对称区域。从图5B的轮廓中可以看出，现有技术的抛物面反射器系统(图中未示出)提供了非均匀强度输出，同时如图5A所示，光学系统20提供了基本上是均一强度的输出。注意在从现有技术的复合抛物线集中器(CPC)设计中对强度轮廓的良好改进。这些改进可归纳为下面表I中的表格形式。
表ICPC与改进设计的比较CPC 新设计峰值与轴向辐射强度的比率 1.58 1.09方位角边缘与轴向的比率0.70 0.68仰角边缘与轴向的比率 0.63 0.87拐角与轴向的比率 0.33 0.52在有用角度内辐射的百分比 0.80 0.78标准化的进入区1.00 1.02在最佳实施例中，设计实际的光学轮廓包括四个参数的说明。例如在集中器的设计中，这些参数为a＝圆吸收器的半径b＝间隙的尺寸c＝在方程θ＝c(Φ-Φ0)中θ与Φ-Φ0之间的比例系数，及d＝最大高度计算机的程序已经用于实现该计算，从而使用者中可获得这些数值(参见程序的第6行和第13行，该程序附加到计算机软件附录中，作为本说明书的一部分)。
在图3B中，从Φ＝0到Φ＝Φ0，反射器轮廓是圆周的渐开线，其渐近的最近距离等于b。该圆弧的参数方程通过角度a表示成参数(参见图3A)。从图3B中可以看到，其中当Φ从0到Φ0变化时，α从α0到90度变化。角度α取决于a和b，同时在计算机软件程序第14行中得到计算。在第15行和第101行之间，通过这些参数方程，利用步进法，计算出极坐标系中渐开线的55个点。(r，θ)点被分别读取成数组r(i)和θ(i)。
对于比Φ0大的Φ，轮廓是微分方程的解，d(lnr)/dΦ＝tan{1/2[Φ-θ+arcsin(a/r)]}。其中θ是Φ的函数。这就使轮廓，r(Φ)，形成了一个θ的函数式。在进行的采样计算中，如在步骤4中，θ被看成是Φ的线性函数。在说明书中描述了其他的函数形式。在该区域中需要得到150个(r，θ)点。另外，轮廓必须截断成具有最大高度h。我们不清楚对应于该最高点的(r，θ)点，于是，必须通过超过Φ0来增加Φ，直到最大高度条件得到满足，来解上面方程。这可利用第102行和115行之间的传统Kunge-kutta数值积分方法实现。在第116行和120行之间校对了最大高度条件。
一旦知道了最大高度处的(r，θ)点，就可设置步长来精确计算Φ0和最大高度点之间的150个(r，θ)点。这些点再次被读取成数组r(i)和θ(i)。
最后，我们得到两个数组r(i)和θ(i)，每个数组都有表示反射表面的两百个(r，θ)点的两百个分量.这些数组于是可以作为设计说明书和光线轨迹应用。
在均匀光束设计轮廓中，(P(θ)＝常数)，一组典型参数为(也可参见图1)，a＝0.055英寸，b＝0.100英寸，h＝12.36英寸，及c＝0.05136，用于θ(Φ)＝c(Φ-Φ0)。
在指数形式的光束轮廓图(P(θ)＝ce-aθ)中，一组典型参数为a≌0英寸，b＝0.100英寸，h＝5.25英寸，及c＝4.694，用于θ(Φ)＝0.131ln(Φ/c-1)能量可以以特定角度分布P0(θ)从光源辐射，其中光源自身以能量分布P0(Φ)辐射。光源的角度特性是光源形状、表面亮度和每一点处的表面角度发射率的综合结果。如果远距离观察者以角度θ为看带有反射器的光源，那么将看见除了光源本身外，还会看见光源的反射图像。如果反射器是曲面的，那么该图像将被乘以因数M。理想上，光源和其反射的图像具有相同的亮度，于是产生的能量与视尺寸成正比。观察者观察到的强度P0(θ)将是两者之和，即P0(θ)＝P0(θ)＝|M| P0(θ) (18)必须取乘数的绝对值，因为如果反射的图像和光源在反射器的不同侧，以及如果我们看到图像相反或者颠倒向下，那么乘数为负数。实际上，光源和其反射的图像可以较小角度对齐。可是观察者仅仅看到两者中较大者。但如果M较大，观察者可忽略从光源来的直接辐射。
这样，观察者要考虑反射器的乘数。远距离观察者将会看到位于凹进的反射器轴上的微小光源，反射器在宽度上乘以因子，Mm＝dΦ/dθ (19)由于光源反射的能量因反射而保存，于是可根据光源守恒得到证明PsdΦ＝MPsdθ对于旋转对称反射器，方程(19)中给出的乘数Mm与子午线方向有关。在径向(sagittal)方向，乘数为Ms＝(d1/d2)＝(sinΦ/sinθ)(20)其中1和2在垂直于图2中截面的径向平面中是较小角。方程(20)可通过观察光轴上，也必须位于光轴上的径向图像而容易得到验证。原因是因为对称，所有反射光必须与光轴共面。
总乘数Mt为径向和子午向乘数的乘积，Mt＝MsMm＝dcos(Φ)/dcos(θ) (21)通过注意不同立体角分别与dcos(θ)成正比，实际上方程(21)也可根据能量守恒直接得到。
于是，根据情况，把方程(21)或方程(19)给出的乘数，代到方程(18)，得到了Φ和θ之间的关系，其中产生了对于给定光源角度能量分布Ps的想要的能量分布，该关系可以如方程(19)中展现的那样，进行积分，建立了反射用的形状，解决了该具体问题。
根据我们假定的乘数是正还是负，则有两个定性不同的解。如果Mm＞0，则推导出是CEC型装置；而当Mm＜0。则推导出是CEC型装置。术语CEC表示复合椭圆聚能器，CHC表示复合双曲线聚能器。
现在有一个问题，连续反射器多长时间，或者是在什么角度范围来描述能量分布。从方程(17)中可以看出，如果Φ-θ＝π，那么R发散。当存在负乘数时，当在θ＝0和θ＝θmax之间，由观察者看到的总能量接近在Φ＝0和Φ＝π之间由光源辐射的总能量时，会发生上述情况。类似的限制条件用于相反的一侧并描述θmin。反射器渐进地接近于无限的圆锥或V槽。在范围θmin＜θ＜θmax之外没有能量辐射。
对于正的乘数，反射的图像位于对称轴相对于观察者的另一侧。在这种情况下，当在观察者一侧的反射器开始阻挡光源及其反射图像时，就达到了反射器的极限。对于对称的装置，当Φ+θ＝π时发生此种情况。还是此种情况，可以看出，极限实际上是由第一定律(law)强制决定的。然而，反射器在此极限范围内保持确定。该反射器始终以垂直的切线中止。对于对称装置，当θmax＝-θmin及Φmax＝-Φmin时，对于CEC型和CHC型两个解的极端方向与下面的式子有关，Φmax+θmax＝π (22)一般地，CEC型装置趋于更加紧密化，需要反射一定光束的反射区域与1/cos(α)成正比。对于对称问题，和Φ的函数关系式是类似的，但除了以下情况，即对于CHC型装置，Φ和θ有相反符号，而对于CEC型装置具有相同符号。可是对于CHC型来说，a增加更快，这就需要较大反射器——假定具有相同的函数值R0。在图8中可看到接收角函数以及入射角函数a均是对于负的乘积而绘制的。
为描述上述原理，条状光源作为例子。对于狭窄的、一侧朗伯带状光源，辐射能量与角的余弦成正比。为了在远距离目标上产生恒定照射，光源的总辐射和反射应与1/cos2(θ)成正比。得到cosθ+|cos(Φ)dΦ/dθ|＝a/cos2(θ) (23)此时边界条件是在Φ＝±π/2时，θ＝0，因为我们假定条状光源一侧向下辐射，方程(11)仅可对a＝1时积分，sinΦ＝1-|tan(θ)-sin(θ)|(24)图8中显示了对于CEC型的接收角函数θ和入射角。对于方程(24)积分获得图9示描绘的反射器外形。
这里描述的分析工具用于解决包括反射器靠近光源的实际问题。通过把上述技术与边缘光线方法结合而完成，边缘光线法在非成像设计是非常有效的。作为第一个例子，对于平面的，朗伯条状光源设计反射器，于是获得了预定的远距离辐射。反射器设计成可使反射图像特别靠近光源。这仅在负的乘数设计中是可行的。如图10示出的，由两条边缘光线划定光源与其反射图像的结合。对于照射某一方向的单位亮度的光源，综合的角度能量密度通过边缘光线隔离而获得，Rsin(2a)＝P0(θ) (25)通过对方程(25)求对数的导数，并相减，得到d(log(R))/dΦ＝-tana (26)我们得到，da/dθ＝sin(2a)dlog(P0(θ))/2dθ-sin2(a) (27)这里描述的是右侧，其中θ＜0。另一侧是反射图像。
对于2a＝π，R发散，就象对于较小光源的CHC型解的情况中。于是，一般地，完全的在反射器延伸到无穷大。为了实际应用要截短。因我们假定在点T处截去反射器，从该点边缘光线反射到方向θτ。对于在±θτ范围内的角度θ，截短没有影响，因为反射器的外部在该范围不辐射。这样，在该范围内，截短的反射器也会准确产生需要的反射。在该范围内，光源和反射器的组合就象由点T和光源相对边缘界定的扁平光源。其角度能量密度由方程(13)给出，其中R＝Rτ＝常数。在θτ辐射的总能量Pτ为Pτ=R(θτ)∫2θτxsinydy=R(θτ)(1+cos(2ατ))-----(28)]]>为了在θτ产生强度PU(θτ)，今R(θτ)为R(θτ)=P0(θτ)sin(2ατ)---(29)]]>总能量守恒表明截短的反射器在以θτ外辐射与未截短反射器相同的总能量，1+cos(2ατ)sin(2ατ)=1P0(θτ)∫θmaxθτP0(ψ)dψ=B(θτ)------(30)]]>对于任何截短θ＝θτ，该方程一定是成立。如果B(θτ)即P0(θ)的积分给定为封闭形式，那么这可使我们精确计算a，并且利用它，可计算作为θ的函数的封闭形式的Φ和R。总能量的守恒表明未截短的反射器与仅有光源辐射相同的总能量。这导出标准化的条件，B(0)=1P0(θ)∫θmaxθP0(ψ)dψ=1.--------(31)]]>该条件可用于寻找θmax，这与在方程(30)中设定θτ＝0和2aτ＝π/2是相同的。解a的方程(30)，得到，B(0)=1P0(θ)∫θmaxθP0(ψ)dψ=1.--------(32)]]>把a＝(ψ-θ)/2替换进去，得到接收角函数。Φ(θ)＝θ+2α. (33)从方程(25)中得到半径，R(θ)=P0(θ)B2+12B.-------(34)]]>对于任何期望的角度能量分布P0(θ)，这些方程以参数极坐标表达式描述反射器的形状。直接计算表明方程(32)是真正的微分方程(27)的解。实际上，方程(27)对于反射器形状求导是不需要的。我们提出来仅仅是表明方法的一致性。
例如，为了在平行于光源的平面上产生恒定的辐射，我们令P0(θ)＝1/cos2(θ)，于是B(0)＝cos2(θ)-tan(θ)-tan(θmax)。利用方程(31)，我们发现θmax＝-π/4，于是B(θ)＝cos2(θ)(tan(θ)+1)带有非不确定的常数。
在图11和图17中分别示出了求出的接收角函数和反射器轮廓。反射器形状接近于V槽。尽管接收角函数仅仅不充分地近似直线，该直线以V槽形状为特征。在图13中，我们示出了图12中的反射器形状与真实的V槽之间的偏差。注意真实V槽产生要与cos(θ+π/4)cos(θ)成正比的明显非恒定的辐射分布，其中0＜θ＜π/4。
作为第二个实例，对于特定非恒定辐射，反射器在图14中示出的平面上产生辐射分布。图15中示出了相应的角度能量分布。在图16和图17中可见根据方程(33)和(32)的接收角函数，以及根据方程(34)得到的反射器形状。
虽然在本实例中的期望辐射与前面实例中产生的恒定的辐射明显不同，然而反射器形状又在表面上类似V槽以及前面例子中的反射器。在图18和图19中可见在实例中反射器形状和真正V槽之间的细微差别，其中我们给出了反射器的斜度以及到真正V槽的距离。大部分结构限定成靠近光源的区域。反射器形状上的微妙变化对装置的能量和辐射分布上产生影响。这归于较大入射角，利用该角度，边缘光线射在反射器的外部。
如上所述，通常反射器具有无限尺寸，然而截短仅仅使外部的分布改变。为了描述对于本实例的反射器截短的效果，在图20中给出的角度直到截短装置与期望能量分布匹配，该角度为反射器的垂直长度的函数。于是，在图17中示出的截短装置具有图14和图15中虚线示出的辐射分布和能量分布。注意，垂直长度截成光源亮度3倍的反射大于5/6的角度范围。B、一般光源假如对反射器的几何限制可通过同时解决(sovle)一对系统来限定，非成像照射也可通过一般光源而得到。前面提到的方程(1)和(2)与光源角度和从反射器表面光反射时的角度有关，d/dΦ(logRi)＝tan(Φi-θ)/2以及远场照射器的第二个一般表达式为，
L(θi)Risin(Φi-θi)G(θi)＝I(θi)其中L(θi)为在角度θi的特征亮度，以及G(θi)几何因子，并且为光源几何形状的函数。在图6A示出的二维朗伯光源中，对于恒定照射时，相对于角度的照射量变为cos3θ，如图6D所示。对于三维朗伯光源，相对于角度的照射量变为cos4θ。
考虑图6B中示出的二维朗伯光源和平面光源的实例，可以容易地描述出利用一般光源的原理，以产生选定远场照射，注意利用符号转换，图6B中θ角度为负。对于利用二维朗伯光源的均一远场照射，同时解方程(18)和(19)。在该实例中，方程19变为，Risin(Φi-θi)cos2θi＝I(θi)一般地，用于裸露的二维朗伯光源，I(θi)≌δcosθiδ≌acosθi/l，及l≌d/cosθ于是，I≌cos3θ.
在选定均匀远场照射中，I(θi)＝C，如果在B部分第一段最后解方程，那么d/dΦ(logRi)＝tan(Φi-θi)/2，及logRI+log sin(Φi-θi)+2log cosθi＝logC＝常数解dΦi/dθi＝-2tanθisin(Φi-θi)-cos(Φi-θi)，或者令Ψi＝Φi-θidΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨi用传统方法，如Runge＝Katta方法根据数字解方程，对于恒定照射，开始于在θI处Ψi＝0，dΨi/dθi＝1+sinΨi-ntanθicosΨI其中对于二维光源n＝2。
图6C中示出了对于二维解的得出的反射器轮廓，在表III中示出了表格化数据的特性。图7A的光线轨迹拟和中清楚地示出了二维解中相当精确的特征。用于完成这些有选择计算的计算机程序作为附录包括在本说明书中。对于裸露的三维朗伯光源I(θi)≌cos4θi，2＜n＜3。
图7B中示出了用于该三维解的光线轨迹拟和，其中的n值用于均匀远场照射的期望最终结果而进行拟和。其中最佳拟和值为大约n＝2.1。
其他对于不同照射光源的一般例子包括(1)I(θi)≌A exp(BθI)。用于二维指数照射，其中必须解下面方程，dΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨ+Bi；及(2)I(θi)≌A exp(-BθI)，对于高斯照射的二维解，其中必须解下面方程，dΨi/dθi＝1+sinΨi-2tanθicosΨi-Bθi。
B部分的第一段中的方程当然可归纳后包括对于任何期望均照射的任何光源，其中本领域普通技术人员可以传统方式获得会聚性的解。
在下面表II中以输出的表格形式示出了图1光学装置的均匀光束轮廓的光线轨迹。
表II
表III
C、扩展的限定尺寸的光源在本部分，我们证明CEC反射器可设计成多么紧密，以在距离给定的限定尺寸光源的给定目标距离处产生期望的辐射分布。该方法是基于使反射器适合边缘光线族，但同时反射的光源图像的边缘光线也得到控制。
为了把边缘光线调整成二维，例如，可假设边缘光线族由照明光源产生。经过照明光源外一定距离的每一点都是精确的一条边缘光线。边缘光线的方向是连续和可微分的位置矢量函数。如果在该一定距离处的相同区域有由另一个连续矢量函数表达的第二假定的边缘光线族，那么我们就可设计精确地把一族光线反射到另一族的反射器。在空间的每一点是每一族光线的一元的交点。于是，以传统已知的方式计算在空间每一点期望反射器的斜度。这样，一旦选择起始点可获得唯一表示反射器的微分方程。
例如，我们可使用于假定边缘光线族仅仅是沿参照光线给出情况的想法的正式化，其中参照线不一定是直线。这属于在解决照射必要条件中碰到的通常问题。
参照图21，令a＝a(x)为从点X指向光源102边缘的二维单元矢量100，其中k＝k(t)为根据标量(scalar)参数t的参照线104的参数化(parameterization)。令u(t)为在边缘光线107光线的单元矢量106，指向期望由t表示的参照位置。
我们通过把在反射器108上的点写成R(t)＝K(t)+Du(t) (35)来把反射器108轮廓相对于参照线104进行参数化。
在这里，标量D表示从参照线104上的点经过该点沿着期望边缘射线107到反射器108的距离。
以该表达式(notation)设计反射器108的形状等同于规定标量函数D＝D(t)。关于D的方程从下面条件获得，即反射器108应该沿u(t)反射期望光线107到实际边缘光线a(R(t))，反之亦然。dR(t)dtis perpendicular to(a(R(t))-u(t)).-----(36)]]>把方程(35)插入上式，得到，dDdt=dk/dt•(a-u)+D(du/dt)-a(1-a)•u.----(37)]]>在这里圆点表示标量乘积。方程(37)为标量函数D(t)的标量微分方程D(t)。通过解该方程，我们可确定反射器108，该反射器108使由一元矢量106表达的期望边缘光线107族适合于以矢量函数a为特征的光源102。
该方法也可用于把边缘光线107族满足于反射器外的其他折射材料，方程(36)于是可由Snell定律替代。
因此，在该实施例中解存在的条件是反射器108上的每点与假定边缘光线族的一条精确地相交。为了确定沿参照线104的边缘光线族107，在参照线104上的每一点也一定由一条假定的边缘光线精确地相交。这是假定边缘光线限定产生光线的物理表面的必要条件。物理轮廓的边缘光线族107(例如右边边缘光线)也必须满足另外的必要条件，即一条边缘光线族107精确地穿过在轮廓整个外面空间的每一点。外面通过调整可真正地产生边缘光线族107，但边缘光线族107不能由一个物理光源产生。这可通过下列现象而确认，即曲面镜不仅产生光源的歪曲图像，而且还产生当观察者移动时也移动的图像。
在反射器108上的每一点，以及参照线104上的每一点应通过一条期望边缘光线107而相交，这意味着这些边缘光线107形成的聚散线不与反射器108或参照线104相交。聚散线限定为光线的切线。聚散线或者必须是完全在反射器108和参照线104之间的区域，或者是完全在该区域外。这些可选择项的第一项作为CEC型解的特征，而第二项则确定了CHC型解。
为了确定期望的边缘光线107，例如，从均一亮度B的朗伯光源发出的辐射由其投射的立体角或视角因数给出。在传统的已知方式中，视角因数通过首先把光源102投射到观察者周围的一个半球面上(产生立体角)，然后把光源102再次投射整圆到参照平面的切线上。视角因数由光源102的轮廓确定。这可由观察者看到。例如在二维的情况下，辐射E为，E＝B(sinrR-sinrL)， (38)其中rR和rL分别是垂直于参照线和射在观察者右边缘光线和左边缘光线之间的角度。如果已知亮度B，期望辐射E和一条边缘光线，那么方程(38)可用于确定另一条边缘光线的期望方向。
下面考虑到给定形状的光源110的例子(见图22)。于是外面可知以观察者位置为函数的由观察者可见到的边缘光线的方向。光源110的形状可由其所有切线来限定。现在我们就可设计反射器108，于是就可把特定辐射分布反复反射到给定参照线104上。
在该反复的过程中，如果观察者沿参照线112从右到左反复进行，那么对于看到的反射就在相对方向移动。如图22A中所示，正如观察者所看到的，右边缘光线114是右边缘的反射，这从反射器116中可以看到，同时还起到沿反射器116引导边缘光线114’的作用，左边缘光线118’追随其后，如图22A所示，作为反射的追随边缘光线。对于CHC型反射器126(见图22B)，光源110的反射图像以与观察者的同一方向移动，观察者看到的右边缘是左边缘的反射，如果已知反射器106的一部分，则由反射器126的已知部分反射的追随边缘光线128’可计算成在参照线112上位置的函数。于是可解方程(37)，以使反射器轮廓的下一个部分适合该引导边缘光线130。
考虑到边界条件，如果反射器116或126终止，那么反射的辐射也不会终止，在其中从来自反射器116或126的末端的引导边缘光线在参照线112上的地方。更准确地说，反射的辐射终止在从反射器106或126来的追随边缘射在参照线112上(见图23)。这样，在参照线112上存在一个衰弱区130，从反射器116或126的末端可以看出，其中在该参照线对者在光源110的相同角度。在该区域，前面的引导边缘是处于反射器116或126的末端位置131，同时追随边缘逐渐靠近。类似的“增强”区132存在于反射器116或126的另一端，其中，追随光线开始固定在反射器116的“起始”位置134上。然而，在这两区域存在重要的概念区别，在于辐射的“增强”区可通过修改反射器116或126适应引导边缘而改型，同时“衰弱”区不受影响，一且反射器116或126终止。这样，用这种区别的方式，我们就可在反复修改反射器116或126中进行。
如果光源在所有方向辐射，则我们希望避免截流辐射(即辐射反射回光源110)，于是从反射器140每一侧来的反射的辐射覆盖反射器140的整个目标区域(见图24)。同时，垂直于反射器表面的光线不与光源110相交。这样，反射器140的左侧部分142和右侧部分143在尖点连在一起。在目标区域的观察者于是可看见来自光源110两个不同反射区的辐射，除了从光源110来的直接辐射外，还有来自反射器140的每个部分142和143。
如图24所示，如果我们假定是对称、并确定反射器表面是连续和可微分的(除了对称平面中的尖点外)，那么我们需要的是，从对称平面可以看出，两个可见的反射是相同的。对于在目标区域中的所有其他点，我们现在具有另外的选择反射器140的每个部分142和143的相对分布的自由度。在CEC型解中，两个反射位于目标空间和反射器140之间。这样当观察者移动，两个反射图像在相对方向移动。当观察者靠近被照亮目标区域的最外部分时，在相同一侧的反射首先在中心尖点处消失。这样，正对观察者的反射经过相对的反射器的外边缘开始消失，同时光源本身被在观察者一侧的另外反射器部分的外边缘遮蔽。这些结果确定了反射器140的端点，因为目前在目标区域中的总辐射与由光源110发生的辐射相同。D、用于恒定辐射的CEC型反射器CEC型反射器150可在距均一亮度的限定尺寸圆柱光源152的一定距离平面上产生恒定辐射。这需要角度能量分布与1/cos2(θ)成正比。在图25中，示出了来自两个反射区的必要能量，于是总能量就是所需要的能量。在图26中示出了反射器150。反射器150设计成从对称轴中尖端开始。注意每个反射区几乎在相反端辐射，而也从另一侧看到。在图12中通过字母A到E特别设计了一些角度。在图27中也示出了对应的边缘光线。
在-A和+A角度之间，反射紧靠光源152。在中央的尖点154不可见。在A和B角之间，来自与观察者同侧的反射缓慢消失在尖点154，同时另外的反射补偿地在尺寸上增加。从C开始，光源152被反射器150末端逐渐遮掩。可获得恒定辐射的最大角度用D表示，光源152不可见。能量由相对侧反射区独自产生。把反射器截短，于是在D和E之间，反射在反射器150末端逐渐消失。
辐射同一侧(same side)的反射器150内部，在某些程度是任意的。在示出的实例中，我们设计成渐开线，因为这可避免截留辐射，同时可获得更紧凑的设计。在中心，来自每个反射区的能量非常接近于光源152本身的能量。一旦确定了辐射到同一侧的能量，反射器150设计成使两个反射区的分布之和与光源152与期望的分布匹配。开始不知道反射器150遮盖光源152，因为取决于端点，所以向外进行。这个问题要通过重复整个设计程序几次来解决。
截短点是通过这样准则来确定，即反射器150与来自尖点154的B表示的边缘光线相交。该准则也是把内部设计成渐开成的原因。
图25和图27中的角度衰弱范围D到E只取决于端点到光源152的距离。根据从尖点154到光源152的起始距离，装置可设计成或者要更紧凑，但有宽的衰弱区，或者是较大而带有更窄衰弱区。示出的反射器150具有2.85倍光源直径的尖点距离。端点处在8.5倍光源直径的距离处。这确保了在-43度和43度之间产生恒定辐射。衰弱区仅7度。选择了这样设计，于是光源152恰好在截去的角度之前被遮掩。如果设计为最小量的反射的话，反射器150不能做得更紧凑。在图27中所示的，在角度D，开口几乎充满了辐射。反射器150从光源152向上延伸的距离也由在角度D需要产生的最大能量来确定。尖点154的距离也不能减少，否则，反射器150的末端靠得太近，反射器150必须截短，产生的最大能量也就减少了。
上面描述的实施例，包括至多一个反射区。然而，在本发明的其他形式中，可利用这里提供的教导，设计出基于多个反射区的不同系统。
这个自由度可用于使反射器适合于其他准则，如紧凑的需要。在某些情形中，与反射区能量无关，一旦确定了一般结构，使反射器适合一组边缘光线，即确定了形状，而没有近似值的需要或最优化。我们强调的是，在该技术中，总的内部反射具有重要的角色。
图28是用于本发明应用的太阳能收集器208的透视图，图29a是图28的收集器208沿剖面线28-28的剖面图。在图28和29a中，管筒210封闭于第一端212和第二端214，管筒210、第一端212和第二端214结合形成了壳体215，于是可保持壳体215内的真空。放置有第一反射器216和第二反射器218，把入射光反射到中央管224上。吸收器226以较大端228固定到中央管224上。有尖的末端230延伸或靠近反射器216或218其中之一。反射器216和218基本上在中心线232的相对两侧，该中心线在当需要最大强度时，基本上指向太阳。管筒210可以部分地或完全透明，但当反射器216和218为透明管筒210的一部分，该管筒镀银或镀铝，或者进行其他处理，以提供可反射的涂层时，通常是部分地透明。反射器216和218也可以是固定在壳体215内部需要的反射结构的金属片。反射器216和218其中之一可镀银，或者在管筒210内常有可反射涂层，而其中另一个可以是金属片。
如果反射器216和218不是如它们可能是的圆筒剖面结构，它们也可以设计成根据已知的应用计算过的曲面。这些计算在美国专利US3,959,041、US4,002,499、US4,003,638、US4,230,095、US4,387,961、US4,359,625和US5,289,356中一些或全部中详细描述过，在这里参照地引用。反射器216和218的目的是把太阳能反射到中心管224以及吸收器226上，以待从光源太阳能收集器208中取出，用于加热物体。在上面提到的专利US4,230,095中描述过，吸收器226沿中心线232或垂直于该中心线设置。已经发现，当接收器226处于与中心线232成大约90度角朝反射器216、218倾斜，或两种情形都有时，太阳能收集器最有效率。如果收集器的几何结构不对称，那么中心线232一般处于光源太阳能收集器208在使用时瞄准的方向，并作为光源太阳能收集器208的轴234。可能瞄准的角度包括，但不限于的是春分时太阳正午时的位置，角度在春分的和冬至的太阳正午位置之间，或者角度在春分的和夏至太阳正午位置之间，或任何其他选择的以满足特定目的的角度。
图29b、29c和29d为图28和29a太阳能收集器的可替代实施例的横截面，同时反射器216和218由沟带隔开，该沟带具有沟带损失阻止结构221。沟带损失阻止结构221包括与反射器216和218相近的几个V形部分。图29c具有带较多V形部分的沟带损失阻止结构223的可替代实施例。对可用在沟带损失阻止结构中的V形区的数量没有限制，这些结构不是需要V形的，而是满足前面描述设计规则的任意形状。在图29b、29c和29d中，反射器216和218不需要是平滑的，而是可以是隆起带有垂直于接收器225轴的V形，或者其他给定的不规则、不对称的几何结构。图29e和29f示出了图29b、29c和29d的接收器225的可替换形式。
在图30中，沉淀材料240为传统的吸气剂，该吸气剂在低温吸气、高温放气。低温的选择成在该温度下，被动式太阳能吸收器208可操作，高温是吸收器208由于过热烧坏的温度范围。从沉淀材料240中释放气体将减少壳体215内的真空度，并减少收集器208的热效应，因而减少收集器208的温度。
图31为图28和29的外管的一部分，示出了机械遮光物和传感器以及遮光物的控制系统。在图31中，卷辊250支持卷在卷辊250上的柔性不透明材料板。温度传感器254连接到被动式太阳能收集器210上，以感觉其温度。当温度传感器254探测到对于太阳能吸收器208太高的温度时，在光源太阳能收集器208由于过热烧坏前，温度传感器254使控制系统释放遮光板252遮盖被动式太阳能吸收器208。控制系统可以是展开板252的电机。被动式太阳能吸收器208也可由硬覆盖物258保护，该硬覆盖物258应从温度传感器254来的信号并在控制系统256控制下移动到位，或者覆盖物258也可通过易熔连接件260而悬挂，如果光源太阳能收集器208过热，连接件使硬覆盖物258落到位。图32是类似于图28和图29a的装置在晴天的热性能。
图33为本发明的非成像太阳能收集器208的可选择实施例的侧视图，该实施例包括几个不同的用于反射器表面的处理形式，图34为图33的收集器的端视图，图35为图33收集器的俯视图。图38、图39和图40分别为太阳能收集器330的可选择实施例的俯视图、端视图和侧视图，其中该收集器具有在区域334平滑的突脊332以及区域338参差不齐的突脊336。在图33、34、35、38、39和40中太阳能收集器260是一般的凹槽形。太阳能收集器260具有区域262，区域262具有呈现圆筒对称的表面264。表面264可以是平滑的，或者包含在表面264上规则或不规则布置的一组突起266、凹陷268，或者两者都有。区域272由非对称表面274和276形成表面274和276中两者都包含或者都不包含一组突起278、凹陷280，或两者同时球形凹槽状的表面274和276局部离开圆筒对称凹槽，以在太阳能入射角和太阳能接收器260的角度接收之间提供超级阻抗匹配(impredance)。在图38、39和40中，区域338具有由平面形成的突脊336，该平面折弯成图33、34和35的光源太阳能收集器260的一般形式，区域334具有曲率增大的突脊332。突脊336具有尖的边缘，在其中突脊连在一起，也可以是圆的边缘。太阳能收集器260可以具有突起266、凹陷268、突脊336和332尖边缘、圆边缘或其他形状的一些或全部，它们可以为了光收集而最优化，其中可利用计算机分析，通过Trnsys、上面提到的计算机程序、线追踪程序或其他的结合。所有的表面264、274和276可以或不具有凹口或凹陷。太阳能收集器260可具有连续的表面，可具有沟带结构292，或者可以在光管294终止。
在图33、34、35、38、39和40中，反射的阳光使可以是两种类型任何之一的吸收器304加热。图36是一种类型，为液体吸收器306的局部剖面图，该收集器流有经过双管310的液体308。热交换器312再提供热以备利用。图37是另一种类型的热管的局部剖面图，其中热管314把热量提供到热交换器316上。液体318是热交换器媒质。热管314部分抽空并部分充满液体318，图37的热管314具有的优点是，它不需要用泵抽吸、干燥连接、防漏，有过热和冷冻安全保护。
除了上面描述过的在收集器260表面上的不规则结构外，用于热管328收集，也可以并有效利用其他不规则结构。图38、图39和图40分别是太阳能收集器330的可选择实施例的俯视图、端视图和侧视图，其中该收集器在区域334具有平滑的突脊，也在区域338参差不齐的突脊336。在图38、39和40中，突起332和336可以是任何方向，并具有恒定或变化的以沿太阳能收集器330位置为函数的幅度和深度。
太阳能收集器的一个效果是其为热玻璃管或类似结构。为了使用太阳能，有必要从玻璃管中提取热量，该玻璃管可以是普通玻璃管、杜瓦管或其他类似的管。提取意味着建立与玻璃管的连接或类似结构，一般地是，在管内部用要加热的载液管。热连接可以是用导热金属肋或其他热连接到载液管中的热交换器。热连接器也可以通过把载液管封在也与热玻璃管连接的油脂或面团中而建立起来。
本系统有用的附属物在1998年11月27日出版的第282卷的“科学”杂志中题为“绝缘全方向反射器”的文章中描述过，该文章在这里被参照地引用。在该文章中，在制造由多层膜组成的全绝缘全方向反射器中采用的设计准则是，对于在较宽可选择频率范围内所有的入射光极化中，允许真正全方向反射。该反射器反的成一叠9层可选择的微米厚的聚苯乙烯和碲层，并证明了在10到15微米的波长范围内的全反向反射。因为全方向原则是通用的，可用于在许多需要的频率范围内设计全方向反射器。潜在的用途取决于系统的几何结构。例如，封闭件的涂层会产生光学空腔。空管会产生低损耗、宽带的波导，平面膜可在热电装置中用于有效的热辐射屏障或收集器。在1999年5月的“光谱”上3M公司公布了具有相类似性能的商业收集器。
在已经建立并测试过的本发明实施例中，管210由玻璃做成，长度大约2米，直径10到20厘米的量级。这些尺寸为描述而提出，并不限定本发明的范围。本实施例中的反射器216和218在其管210内表面上镀银或带有其他可反射涂层，于是它们是对称并呈现圆筒剖面结构，该结构镀银或另外带有大约90度的可反射涂层。吸收器为悬在中心管224上的金属箔的一段，并沿基本上平行于中心管224的线连接，中心管224靠近或接触反射器216和218中的两者之一，并相对于收集器轴处于大约90度角。利用本系统的实验结果表面，在到收集器的较宽入射角范围，可进行有效的太阳能收集。
通过参照本附加的权利要求书，可以看到本发明的其他优点和特征。除了已经描述的实施例外，对于本领域普通技术人员，在不脱离本发明范围情况下，可对实践本发明的方法进行变化，本发明的范围仅通过权利要求书以及在权利要求书中声明的装置的等同物来限定。
附录-计算机软件程序<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[program coordinatesdimensionr(1200)，theta(1200)，dzdx(1200) dimension xx(1200)，zz(1200) real 1，k1，k2，k3，k4 parameter(degtorad＝3.1415927/180.0) write(*，*)＇Enter radius of cylindrical absorber.＇ read(*，*)a write(*，*)＇Enter gap size.＇ read(*，*)b write(*，*)＇Enter constant.＇ read(*，*)c write(*，*)＇Enter maximum height.＇ read(*，*)h]]></pre>产生渐开成的50个点<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ alpha0＝acos(a/(a+b)) do 100 i＝1，50，1 alpha＝((90*degtorad-alpha0)./49.0)*float(i-50)+90*degtorad x＝a*sin(alpha)-d*cos(alpha) z＝-a*cos(alpha)-d*sin(alpha) r(i)＝sqrt(x**2+z**2) theta(i)＝atan(z/x) phi＝theta(i)+(90.0*degtorad) continue theta(1)＝-90.0*degtorad]]></pre>产生Wimston型集中器的150个点<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ v＝0.0 h＝0.001 phi0＝theta(50)+(90.0*degtorad)+0.001 phi＝phi0 f＝alog(r(50)) do 200 while(v.eq.0.0) phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2-h-tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝b*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f-f＇(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0)rad＝exp(f) z＝rad*sin(phi-(90*degtorad)) if(z.ge.a)then phimax＝phi write(*，*)＇phimax＝＇，phi/degtorad v＝1.0 endif continue f＝alog(r(50)) phi＝(-1.0/149.0)*(Phimax-phi0)+phi0 h＝(phimax phi0)/149.0 do 300 i＝1，150，1 phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f＝f+(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) r(i+50)＝exp(f) theta(i+50)＝phi-(90.0*degtorad) continue stop end Program coordinates Dimensionr(1200)，theta(1200)，dzdx(1200) Dimension xx(1200)，zz(1200) real 1，k1，k2，k3，k4 parameter(degtorad＝3.1415927/180.0) write(*，*)＇Enter radius of cylindrical absorber.＇ read(*，*)a write(*，*)＇Enter gap size.＇ read(*，*)b write(*，*)＇Enter constant.＇ read(*，*)c write(*，*)＇Enter maximum height.＇ read(*，*)h]]></pre>产生渐开成的50个点<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ alpha0＝acos(a/(a+b)) do 100 i＝1，50，1 alpha＝((90*degtorad-alpha0)/49.0)*float(i-50)+90*degtorad d＝(alpha-alpha0)*a+sqrt((a+b)**2-a**2)x＝a*sin(alpha)-d*cos(alpha) z＝-a*cos(alpha)-d*sin(alpha) r(i)＝sqrt(x**2+z**2) theta(i)＝atan(z/x) phi＝theta(i)+(90.0*degtorad) continue theta(1)＝-90.0*degtorad]]></pre>产生Wimston型集中器的150个点<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ v＝0.0 h＝0.001 phi0＝theta(50)+(90.0*degtorad)+0.001 phi＝phi0 f＝alog(r(50)) do 200 while(v.eq.0.0) phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2-h-tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝b*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f-f＇(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) rad＝exp(f) z＝rad*sin(phi-(90*degtorad)) if(z.ge.a)then phimax＝phi write(*，*)＇phimax＝＇，phi/degtorad v＝1.0 endif continue f＝alog(r(50)) phi＝(-1.0/149.0)*(phimax-phi0)+phi0 h＝(phimax phi0)/149.0 do 300 i＝1，150，1 phi＝phi+h k1＝h*tan(0.5*((1.0-c)*phi+c*phi0+asin(a/exp(f)))) k2＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k1)))) k3＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+0.5*h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+0.5*k2)))) k4＝h*tan(0.5*((1.0-c)*(phi+h)+c*phi0+& asin(a/exp(f+k3)))) f＝f+(k1/6.0)+(k2/3.0)+(k3/3.0)+(k4/6.0) r(i+50)＝exp(f) theta(i+50)＝phi-(90.0*degtorad) continue stop end]]></pre>
权利要求
1.一种被动式太阳能收集器，包括a)至少是部分透明的管筒；b)第一端和第二端，该第一端和第二端与管筒连接，以形成使其保持部分真空的壳体；c)第一反射器，位于壳体内并反射进入到壳体内的光；d)位于壳体内的中心管；及e)吸收器，该吸收器位于壳体内，以便吸收由第一反射器反射的光，并把吸收的光提供到中心管。
2.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，还包括位于壳体内的第二反射器，其中设置有吸收器，以便使第二反射器接收光。
3.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中管筒是玻璃的。
4.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中管筒是玻璃的。
5.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中第一反射器是表面处理后以提供反射涂层的管筒的一部分。
6.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中第一反射器是成形的反射器。
7.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中第一反射器是成形金属反射器。
8.权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中第一和第二反射器是表面处理后以提供反射涂层的管筒的一部分。
9.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中第一和第二反射器是成形的反射器。
10.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中第一和第二反射器是成形金属反射器。
11.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中第一和第二反射器之一是表面处理后以提供反射涂层的管筒的一部分，而第一和第二反射器中的另一个是成形反射器。
12.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，其中吸收器以相对于被动式太阳能收集器轴的零度和九十度之间的角度来设置。
13.如权利要求12所述的被动式太阳能收集器，其中吸收器以相对太阳能收集器的大约90度的角度来设置。
14.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中吸收器以相对于太阳能收集器的零到九十度之间的角度来设置。
15.如权利要求1所述的被动式太阳能收集器，其中吸收器以相对于太阳能收集器的大约九十度的角度来设置。
16.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，还包括位于壳体内的吸气剂，保护被动式太阳能收集器避免过热。
17.如权利要求2所述的被动式太阳能收集器，还包括a)不透明材料板；b)可对被动式太阳能收集器的温度做出响应的温度传感器；及c)移动不透明材料板的装置，使该板覆盖被动式太阳能收集器，从而如果温度传感器探测到过高温度时，遮盖该被动式太阳能收集器。
18.如权利要求17所述的被动式太阳能收集器，其中不透明材料板是柔性的，同时移动该不透明材料板的装置包括带有处于卷绕状态的不透明材料板的卷辊以及连接到传感器上的机构，该机构用于响应探测到的过高温度，释放不透明材料板，以覆盖收集器。
19.如权利要求17所述的被动式太阳能收集器，其中不透明材料板基本是硬的而且移动该不透明材料板的装置包括铰接支撑件，该支撑件用于旋转硬的不透明材料板，以便响应探测到的过高温度来覆盖收集器。
20.如权利要求16所述的被动式太阳能收集器，还包括a)不透明材料板；b)可对被动式太阳能收集器的温度做出响应的温度传感器；及c)移动不透明材料板的装置，以使该板覆盖被动式太阳能收集器，从而如果温度传感器探测到过高温度时，遮盖该被动式太阳能收集器。
21.如权利要求20所述的被动式太阳能收集器，其中不透明材料板基本是硬的而且移动该不透明材料板的装置包括铰接支撑件，该支撑件用于旋转硬不透明材料板，以便响应探测到的过高温度来覆盖收集器。
22.如权利要求17所述的被动式太阳能收集器，其中不透明材料板是柔性的而且移动该不透明材料板的装置包括带有处于卷绕状态的不透明材料板的卷辊以及连接到传感器上的机构，该机构用于响应探测到的过高温度，放开不透明材料板，以覆盖收集器。
全文摘要
一种被动式太阳能收集器208,在管筒210中具有一个反射器或一组反射器216、218,该管筒为部分真空,并完全或部分透明。吸收器226收集由反射器或反射器组反射的光,并从收集的光中把能量传送到中心管中,该中心管加热如水或其他液体的物质。吸收器226位于与被动式太阳能收集器的轴成一定角度的位置。被动式太阳能收集器208通过如吸气剂或透明屏障件的一个或多个装置来抵抗过热而得到保护,吸气剂240释放气体以减弱真空;透明屏蔽件所处位置可响应过热指示覆盖反射器。太阳能收集器的反射表面可以是对称或不对称的,可以是平滑的或可具有凹陷。
文档编号F24J2/46GK1378633SQ00813977
公开日2002年11月6日 申请日期2000年6月8日 优先权日1999年6月9日
发明者罗兰温斯顿 申请人:太阳企业国际有限责任公司