设计并生产用于接收/发射能量的反射器的新方法以及通过这种方法生产的反射器的制作方法

专利名称：设计并生产用于接收/发射能量的反射器的新方法以及通过这种方法生产的反射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收/发射能量的反射器领域。具体来说，本发明涉及一种设计 并产生碟形(dish shaped)反射器以用作接收或者发射电磁辐射的天线、用作光学系统中 的太阳能收集器以及用于声能的发射和接收的方法。
背景技术：
一种用作用于通信等目的的电磁辐射的接收器或发射器的非常常见类型的天线 包括通常被成为反射器的碟形凹反射面以及可以发射或接收期望频率范围的辐射的小馈 送天线(feed antenna)。碟状物通常具有球面或抛物面形状的表面并且馈送天线位于该 碟状物的焦点。因此，就接收天线来说，碟状物聚焦从远处源传播到馈送天线/接收器的表 面上的辐射。就发射天线来说，馈送天线/反射器发出辐射，所述辐射以在远处接收器的方 向上发射的束的形式被从碟状物反射。碟状类型的太阳能收集器具有与天线相同的基本结 构。就太阳能收集器来说，被设计成利用聚集太阳能的太阳能接收器(例如热交换器、填充 热流体的管、光电池阵列或Sterling引擎)位于反射面的焦点。直径高达几米的天线通常由单个反射曲面构造。这种天线的典型实例是在卫星通 信系统中使用的碟形卫星天线。就大型天线来说，碟状物由装配在一起的若干弯曲段制成， 或者在某些情况下安装有若干平面镜段以形成曲面的近似。一个主要的问题是使碟状反射器焦斑的大小和形状与馈送天线或太阳能接收 器焦斑的大小和形状相匹配。为了解决这一问题并且还为了以合理成本构造大表面的 凹面镜，已公知，尤其对于太阳能收集器来说，将反射碟状物制成组装在框架或衬底上的 非常小的球面、抛物面或平面的反射元件的镶嵌结构(mosaic)以近似成为单个凹面。 US2, 760，920阐述了主要想法，其中描述了这样的抛物面反射器，该抛物面反射器根据以下 而制成“抛物面被小的平面矩形镜覆盖或铺盖以使得可以利用相对便宜的镜子来覆盖大 区域，并且因为镜子很小，所以将适当聚焦各个反射以使得它们可以被安装在反射器上面 的吸收器接收”。许多其它公开描述了基于这一想法的太阳能收集系统。这些当中典型的 是US 3，713，727和US 4，395，581，它们讨论了问题并描述了针对匹配反射元件的大小和 形状的解决方案以便最大化落在它们上的太阳能的收集效率。在其中反射器是由较小反射元件的镶嵌结构构成的所有现有技术天线和太阳收 集器中，较小的反射元件被附着到基底或框架以便尽可能地近似成连续的碟形凹反射面。 因此，反射能量以大概照射(illuminate)位于通过镶嵌结构中心和凹面的曲率中心的线 上的空间中的共同目标。所照射的目标上的区域的大小和形状由构成镶嵌结构的单个小反 射面的大小和形状确定。问题是当小的反射元件被附着到衬底时，衬底的形状确定入射光 朝向接收器反射的角度。实际上，即便有可能，也难以建立完美形状的球面或抛物面衬底， 因此结果是来自每个反射元件的反射角脱离理想，并且能量没有被聚集到单个位置而是散 布在反射器焦点的周围、前面和后面。
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因此，本发明的目的是提供一种对上述问题的解决方案，其使得能够模拟反射器 表面，以使得不仅可以将所有能量聚集到反射器上的单个位置，而且如果需要预定部分的 能量可以被反射到位于源和反射器之间的空间中的任何位置处的物体的表面上的预定位 置，其或者直接位于反射器上面、侧面或者下面。本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法由附着到任意形状衬底上的多个小 平面反射部段(segment)的镶嵌结构来产生用于天线和太阳能收集器和发射器的反射器。本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法用于由多个小平面反射部段的镶嵌 结构来产生用于天线和太阳能收集器的反射器，其中没有必要将反射自所有反射部段的能 量都朝向空间中的共同位置反射。随着描述的继续将看到本发明的其它目的和优点。

发明内容
本发明是从源接收能量并且将该能量反射到物体的表面上的反射器。本发明的反 射器包括附着到衬底的大量小的反射部段，所述衬底可以具有任意形状。单独地确定每个 反射部段相对于衬底、源和物体的定向以使得来自源的从该部段反射的能量朝向所述物体 的表面上的预定区域而引导。在本发明的优选实施例中，反射部段是平面反射部段。优选地，每个反射元件的最 大尺寸不大于预期反射元件将来自源的辐射反射到其上的物体的表面区域的尺寸。本发明的反射器适合于用作在太阳能收集器、光学系统、辐射加热器中接收或发 射电磁辐射的天线，或者用作用于发射和接收声能的天线。在本发明的实施例中，在坐标系中单独确定每个反射部段相对于源、衬底和物体 的定向，所述坐标系的原点位于物体的表面上预定区域的中心处。可以定向本发明的反射器的反射部段以使得来自源的从所有反射部段反射的能 量落在物体的表面上的相同预定区域，或者以使得来自源的从反射部段反射的能量落在物 体的表面上的不同预定区域。根据本发明，物体可以被定位在源和反射器之间的任何便利位置，或者在所述反 射器表面的顶部之上和/或在所述反射器表面的侧面。可以使用一个或多个附加光学元件 以将从反射器反射的能量引导到位于其下面的物体上。在优选的实施例中，衬底包括多个小平面(facet)，每个小平面都包括一个上表 面，所述上表面具有处于小平面位置处的反射部段的定向和形状。在一些实施例中，反射部 段被附着到衬底的小平面上的每个上表面上。在其它实施例中，衬底上的小平面上的每个 上表面在有关波长处具有足够高的反射率，以使得不需要附着反射部段。衬底可以具有任何二维或三维的形状并且例如可以从下述各组中选择(a)平面；(b)抛物面；(c)槽式抛物面(parabolic trough)；(d)槽式球面；(e)具有非抛物面曲率的碟形；(f) “巫师的帽子(witch' s hat)”；以及
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(g) “阔边帽(sombrero)，，可以使用计算机辅助方法来设计并生产本发明的反射器的衬底，所述计算机辅助 方法包括下述步骤a.指定源_反射器_物体系统的全部参数；b.加载到能够协助用户以三维计算并标绘(plot)距离和形状的计算机软件中；c.使用软件和全部参数来创建源_反射器_物体系统的三维图像；d.使用软件将所述衬底的表面分成小的区，每个区具有等于在该位置处被附着到 所述衬底的反射部段的预定大小和形状的大小和形状；e.选择一个区；f.使用软件在衬底上绘制对应于所选的区的反射部段；g.使用软件倾斜并旋转所绘制的反射部段直到其虚拟投影以相对于源的预定定 向和位置落在物体的表面上为止；h.将在坐标系中测量的与所选反射部段相对于源和衬底的三维定向有关的数据 存储在计算机的存储器中，所述坐标系的原点位于物体的表面上的预定位置的中心处；i.对其余的每个小的区重复步骤e到h ；j.使用软件根据所存储的数据来生成衬底表面的三维数字图；以及k.使用三维图来生成制造机器的指令，所述机器能够制造衬底的一个或大量高度 准确的复制品(!^production)。可以使用人工方法设计并生产本发明的反射器的衬底，所述人工方法包括下述步 骤a.指定源_反射器_物体系统的全部参数；b.建立具有衬底整体形状的光滑表面的精密复制物(I^plica)；c.建立物体的精密复制物；d.牢固地固定物体的复制物，并且光源以相对于衬底的复制物的预定距离和定向 复制源；e.选择一个反射元件并且以其预定位置将它放置在衬底上；f.倾斜并旋转所选反射部段直到来自光源的反射自该部段的光以预定定向和位 置落在物体的复制物的表面上；g.通过使用适合的装置将所选部段固定在衬底上的适当位置；以及h.对其余的每个反射部段实施步骤e到g。设计并生产衬底的人工方法可以包括下述附加步骤i.将衬底放置在生成衬底的表面的三维数字图的数字扫描和测量设备下面；j.使用数字图来数字地控制能够制造衬底的大量高度准确的复制品的机器。可以通过使用附着到衬底的大量镜架来实施人工方法的步骤f，每个反射部段对 应一个镜架，其中每个镜架都具有以下装置，所述装置沿着三个正交轴中的每一个横向地 并围绕三个正交轴中的每一个旋转地独立移动安装在其上的所述反射部段。一旦已生产出衬底，就将反射部段附着到每个小平面。可以使用机器人制造技术 来在每个小平面上涂抹(spread)粘合剂薄层，并且然后“取放(pick and place)”或其它 类型的馈送机器人拿起预制的反射部段并以正确的定向将它放置在其相应小平面上的平表面上。数字图本身或者由三维数字图或直接由衬底生产的模具或“阴模(negative) ”可 以用于适合于大规模生产附加衬底的全自动方法。合适的全自动方法的实例是塑料的挤 压；铸造熔融材料；锻造；使用冲床(punch press)或深冲(de印-drawn)中的阴模来将期 望轮廓压印到可锻材料(例如金属、环氧树脂玻璃、塑料等)中；以及在半导体工业中开发 的用于生产由半导体材料制成的衬底的技术。参考附图，通过下面对本发明优选实施例的说明和非限制性描述将会进一步理解 本发明的所有上述和其它特性和优点。


图1示意性地说明本发明的方法；图2A和2B示出“巫师的帽子”形反射器衬底的不同视图；图3示出“阔边帽”形反射器衬底；图4示出包括阔边帽形反射器和环形物体的太阳热收集器；图5A和图5B分别示出包括阔边帽形主(primary)反射器、环形辅(secondary) 反射器和环形物体的太阳热收集器的底部和顶部透视图；图6A和6B示出抛物面形反射器衬底的不同视图；图7到图9是已建立并测试的本发明的实验室模型反射器的照片；以及图10是总结为测量实验室模型反射器的功率输出而实施的现场试验的柱状图。
具体实施例方式为简单起见，本文下面的描述主要指太阳能收集器。然而，要理解包括源、反射器 和物体的系统是双向的；因此，同样可以将必要的修正应用于本发明以设计并生产电磁天 线，例如用于通信系统的接收器和发射器以及用于电辐射加热器的反射器；以用于太阳能 收集器和光学系统，例如望远镜。此外，发明人认为本发明的方法可以用于设计并创建接收 和发射声音的改进设备。因此，本文所使用的术语“反射器”指的是由大量小反射元件制成的表面。反射器 的目的是或者从处于远处位置的源接收能量并在物体的方向上将其反射，并将能量聚集到 物体的表面上，其中所述物体通常位于反射器附近但是不一定位于反射器附近，或者可逆 地从附近的源接收能量并在处于远处位置的物体的方向上将其反射。本文所使用的术语 “物体”指的是一种反射器将来自源的能量引导到其上的设备。本文所使用的术语“大量” 和“小”的含义可能难以量化，并且实际上在用于特定应用的反射器的设计阶段期间被限 定。一般来说，反射元件的最大大小不能大于该反射元件期望将入射辐射引导到其上的物 体的表面部分的区域，以便防止能量损耗并且最大化能量收集的效率，并且反射元件通常 很小，尤其在反射器具有相对复杂表面形状的情况下。如果反射元件具有曲面，则它们无需 比所述反射元件将能量反射到其上的物体上的区域小，因为它们的曲率能够被设计成聚焦 能量。在任何情况下，甚至最小且最对称形状的反射器都将包括几十个反射部段，并且对于 更大或更复杂的反射器，这一数目通常是几百个，甚至几千个或更多。在现有技术中，将该物体支承在反射器上面，其中其中心处于等于球面或抛物面
8形反射器的焦距的距离处。假设，与反射器的总体表面面积相比，完美球面或抛物面形衬底 以及每个平面镜部段的尺寸都较小，则通过简单地将各部段粘到抛物面衬底，每个部段的 光轴将指向物体的中心，从而使得反射自每个部段的能量在物体的面(face)上重叠。对于 平面镜部段，各部段的尺寸被制成近似等于物体的面的尺寸，因此至少在理论上，入射到反 射器上的所有能量都被聚集到物体的面上。问题是难以生产完美形状的衬底/框架；如果 平面反射器部段大于处于反射器焦点的收集器的表面面积，则能量被浪费；并且如果平面 反射器部段被制成太小，虽然这将增加它们重叠的准确度，但物体的整个表面将不会被反 射自所述部段的光“照射”。此外，因为物体的“照射”区域具有平面反射器部段的尺寸和形 状，所以能量常常因为物体和所述部段的形状之间的几何差异而浪费。在现有技术中出现的上述问题的根本原因是与源和物体相关的每个镜子部段的 定向取决于于处于该部段位置处的衬底表面的形状。本发明的方法通过打破这一依赖性而 克服了现有技术的问题。如所述的那样，本发明的主要目标是解决由将各部段直接附着于衬底的表面而产 生的问题。这通过根据预定角度关于物体单独调节衬底上的每个部段来完成，其将把来自 源的且反射自该部段的能量带到物体的表面上的预定位置处，所述物体可以位于源和所述 反射器之间的空间中的任何位置。图1示意性地说明本发明的方法。在图1中示出了包括反射器的太阳能收集器， 所述反射器由大量小反射部段Iei(仅在图ι中示出两个部段Ie1和162)构成，其中通过合 适附着装置Isi将所述反射部段Iei附着到任意形状的衬底 ο。反射器的目的是将来自太 阳12的落在反射器上的辐射聚集到收集器14的表面上，所述收集器可以是例如太阳电池、 包含要被太阳辐射加热的热流体的管的一部分、Sterling引擎的高温侧、等等。笛卡尔坐标系(X，Y，Z)是“通用”坐标系，其中其定向和其原点的位置被便利地确 定以便描述源12的中心和每个反射部段Iei的中心之间的相对位置和距离，所述原点的位 置即能量要被聚集到其上的物体14的表面上的位置。根据本发明，单独确定每个反射器部段Iei相对于衬底10的定向。存在许多为衬 底表面上的每个部段计划正确定向的方法。下面参考坐标系(X，y，z)给出一种对计算进行 可视化的方法，该计算必须(人工和/或在计算机程序的帮助下)实施以完成该任务，其中 所述坐标系(X，y, ζ)的原点位于预期来自部段Iei的辐射要落在其上的物体14的表面上 的区域中心。该坐标系完全独立于衬底的几何形状。遵循本文所概述的基本原理，本领域 技术人员将能够设想出一种适合于计划根据本发明的反射器的他们所需的有效方法。现在将参考图1描述一种实例，该实例说明相对于源和物体来对衬底10上的每个 反射部段进行定向的方法原理。考虑第一部段16i。在物体14上绘制坐标系(X，y, z)，其 原点处于物体14的表面上的区域的预定中心(位于坐标系X，γ，z)，反射自部段Ie1的太 阳能将落在其上。对坐标系(X，y，z)定向以使得X，y平面在衬底10的方向上在Z轴点和 原点(χ = y = ζ = 0)处与物体14的表面相切。现在从衬底上的部段Ie1的预定位置的中心绘制两条虚线。分别地，第一条线绘 制到原点(X = y = Z = 0)而第二条线绘制到源12的中心。最后，在Iei的中心处绘制法 线N1，相对于衬底10旋转并倾斜平面部段直到N1平分先前绘制的两条线之间的角度为止。 最后，在不改变其相对于衬底或相邻部段的倾斜的情况下，通过围绕原点和该部段的中心
9之间的虚线旋转该部段来为物体的表面上的反射束的印迹(footprint)定向以便与物体 的表面的形状匹配。现在，通过附着装置18将部段Ie1固定地附着到衬底10。应该注意， 作为对使用平面反射部段和使用附着装置将他们以正确的定向附着到衬底的代替，有可能 使得来自三棱柱的反射部段具有面向入射和反射辐射的方向的平面反射面，并且三角形横 截面具有不同的角度。现在绘制一对新的虚线，其将源12的中心和原点(χ = y = ζ = 0)分别连接到衬 底上的部段162的预定位置的中心，并且对部段162重复相同的步骤，然后对于每个剩余的 部段重复相同的步骤。为了能量在物体的小区域上的最大聚集，使用相同的坐标系(X，y，ζ)来为所有部 段定向。如果如本文上面所描述的那样倾斜并旋转每个部段，则来自所有反射部段的反射 束将相互落在一起，由此产生其表面区域基本上等于最大反射部段Iei的大小和形状的“聚 焦图像”。在其中期望使能量落在大于各部段的大小的物体14的区域上的情况下或者在其 它场合，例如如果不期望将能量聚集到单个斑点处或者如果期望将能量均勻或非均勻地分 布到物体的所有或部分表面上，则在物体14的表面上绘制多于一个坐标系。每个坐标系 (Xj, Yj, Zj)的原点位于物体14的表面区域的中心处，其中反射自特定反射部段Iei的束被 设计成落在其上。例如，参考图1，如果部段Iei和162是每一侧2cm长的方形并且物体14 是2cm高4cm长的矩形，则在期望物体的均勻照射的情况下，相对于其原点位于矩形目标的 左半部的中心处的坐标系来定向一半部段，并且相对于其原点位于该目标的右半部的中心 处的坐标系来定向另一半部段。在期望反射器表面的非均勻照射的情况下，则相应地调节 朝向物体每个部分定向的反射部段数目的比。可以使用这些相同原理来照射具有任何形状 大小的物体的表面或者利用任何照射模式来照射。作为根据本文上述传统方法的改变的结果，衬底的形状不再重要并且可以使用任 意形状的衬底。本发明的一个结论是可以建立不同于传统球面和抛物面设计的反射器的新 形状。而且，因为可以给予每个单独反射器部段任何任意定向，所以不是所有部段都必须瞄 准空间中的相同位置，即反射器的焦点。这允许将物体14定位在上面任何便利的位置，在 反射器表面的顶部之上或在所述反射器表面的侧面，并且还允许使用具有许多不同形状的 物体的可能性。利用附加的光学元件(例如一个或多个反射面)，可以引导能量以使得物体 14还可以被定位在反射器之下，也就是说与反射器相比物体可能距离源更远。根据本发明的方法，可以通过使用适合的计算机程序自动地和/或人工地 (manually)设计反射器的衬底。在第一步骤中，必须指定反射器-物体系统的全部参数。 这些参数包括但不限于反射器的尺寸和整体形状；平面反射部段的尺寸和形状；确定是 否所有部段都将具有相同的形状和尺寸和/或单独部段的这些参数的值是否将取决于其 在反射器表面上的位置；馈送天线/太阳能物体的尺寸和形状；以及源、反射器和物体在空 间中的相对位置。相对于其原点位于物体的表面部分上的坐标系来完成部段相对于物体和 源的定向和距离的所有测量，其中要求将反射或发射自该部段的能量落在其上。如果该表 面部分是对称的，则坐标系的原点通常(但不一定)位于其中心。本发明最大化从反射器 传输能量的效率，所述反射器由大量附着到衬底或框架的小平面反射部段构成，以使得每 个部段的反射面不一定在部段的位置处与衬底/框架的表面平行。
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下面是说明用于设计本发明的反射器的衬底的计算机辅助方法的特定但非限制 实例。使用能够在三维中进行计算并标绘的计算机程序(例如SolidWorks、OptisWorks等 等)，绘制三维制图并将其存储在计算机存储器中，该三维制图示出衬底和物体，考虑了预 定形状、尺寸、两个表面之间的距离和这两个表面之间的相对定向，以及衬底、源和物体的 中心之间的相对距离和所述中心的位置。存在许多为衬底表面上的每个部段计划正确定向 的方法，例如衬底表面被分成小的区，其中每个区具有等于要被附着到该位置处的衬底的 反射部段的预定大小和形状的大小和形状。如关于图1所描述的那样，绘制三维坐标系(X， 1，z)，该三维坐标系(X，1，ζ)的原点位于物体的表面部分的几何中心处，其中要求反射自 反射器的能量落在所述几何中心上。现在选择单个区，并且现在分别绘制从部段的中心到 (X，1，ζ)的原点以及到源的中心的两条虚线。绘制在该区处与衬底表面相切的平面部段， 并且在部段的中心处绘制到平面反射面的法线。现在程序员相对于物体和衬底源的表面倾 斜部段直到法线平分两条虚线之间的角度为止。当这种条件满足时，反射自反射部段的束 的中心将落在其意在落在其上的物体的表面上的区域的中心之上。现在可以在不改变其相 对于衬底和/或相邻部段的倾斜的情况下，通过围绕其表面的法线旋转部段来定向反射束 在物体的表面上的印迹以与物体的表面的形状匹配。将关于部段中心的位置、法线的定向以及旋转角度的数据存储在计算机存储器 中，并且然后对每个反射部段重复该过程。可以一次对一个部段实施该过程或者通过利用 对称性和/或应用加速这种迭代过程的公知数据处理技术来对部段组实施该过程。现在将使用已存储在计算机存储器中的关于每个部段中心的位置、其表面法线的 定向以及其旋转角度的数据来生成衬底表面的三维数字图。接着使用该数字图来生成制造 机器的指令，所述机器能够制造衬底，所述衬底的上表面被多个小平面覆盖，其中所述每个 小平面具有在空间中相对于物体的特定区域而正确定向的小的平面表面，并且所述衬底将 用作将在反射器制造过程的稍后阶段中添加的相应反射元件的“座位(seat) ”。注意，对于反射器或物体的某些配置(例如下文所述的环形物体)，其它类型的坐 标系(例如柱面或球面坐标系)可能比本文上述实例中使用的笛卡尔坐标系更适合。作为对在本文上述实例中所描述的坐标系的代替，可以使用计算机化的技术，其 中根据三维矩阵来描述系统，在所述三维矩阵中相对于某一预定坐标系来为太阳能收集器 系统的所有元件(源、反射器/衬底、物体、以及多个平面反射部段)定位。然后可以通过 使用行进到三维矩阵中的适当位置的偏移指针(offset pointer)来计算各个反射面的定 向。本领域已知或者技术人员可以设想出许多限定太阳能收集器的各种元件的相对 位置和定向的其它方法。本发明不意味着受限于实施用于设计收集器的计算的任何特定方 式，而是更一般地根据每个反射部段和物体和源之间的关系来限定。还可以使用生产衬底的人工过程。在这种情况下，建立具有反射器的整个衬底形 状的平滑表面的精密复制物。构造物体的复制品，并且通过使用适合的框架以关于衬底的 预定定向来牢固地固定所述复制品和光源，例如产生代表远处源的束的激光源或扩展源。 现在已得到一个反射元件，且人工将其放置在衬底表面上的预定位置处，并且倾斜并旋转 部段直到反射束的印迹以期望定向落在物体上的预定位置为止。一旦确定了部段的正确定 向，就通过使用适合的手段(例如胶、熟石膏、定型泥(molding clay))将其固定在适当的位置处。然后，对每个其余部段每次一个地实施该过程。通过遵循上述过程可以单独制造衬底，但是对于大规模生产来说，优选地将原型 衬底放置在生成衬底表面的三维数字平面图或3D “图”的数字扫描和测量设备下面。然 后，可以使用该图来数字地控制适合于大规模生产衬底的任何全自动方法，例如用于控制 将制造大量相对便宜但高度准确的反射器衬底的机器。可替换地，可以根据三维数字图或 者直接根据原型衬底生产模具或“阴模”。然后可以在诸如挤压塑料之类的过程中使用该模 具。可以在冲床或深冲中使用阴模以将期望的轮廓压印到可锻材料(例如金属、环氧树脂 玻璃、塑料等)中。大规模生产衬底的其他可能的方法可以是锻造或者使用在半导体工业 中开发的用于生产由半导体材料制成的衬底的技术。为了创建可以用来计划、测试和生产用于各种设计或其他应用的反射器的衬底的 试验装备，大量平面反射部段中的每一个都被单独安装在分离的镜架上，所述镜架可以独 立地沿着三个正交轴横向移动并且围绕三个正交轴旋转。通过这种方式，可以对每个部段 快速实施人工对准，并且在调节下一部段之前可以将其锁定到适当位置。当已对准所有部 段时，可以如上所述的那样扫描所产生的衬底以创建反射器表面的电子图。在优选实施例中，衬底包括多个小平面，每个小平面都包括一个上表面，所述上表 面具有将被放置在该小平面位置处的反射部段的定向和形状以将辐射引导到物体上的预 定位置。一旦已生产出衬底，就可以将反射部段附着到小平面上的每个上表面。优选地， 可以使用机器人制造技术来在每个平表面上涂抹粘合剂薄层，并且然后馈送机器人(例如 “取放”机器人)拿起每个预制的反射部段并以正确的定向将它们放置在相应小平面上的平 表面上。一旦已生产出原型衬底，就会知道或者可从本领域中的可用知识设想出人工和/ 或数字地生产反射器的许多不同适合方法，并且因此本文将不再进一步详细描述它们。就 这点来说，要注意发明人预计使用根据本发明方法的MEMS技术来制造反射器，所述反射器 将实现非常高度的聚集并且将辐射准确放置在用于太阳能收集器的收集器/馈送天线以 及其他应用之中的接收/发射天线的表面上。可以用任何适合的材料(例如玻璃、聚合物、金属、硅等等)来生产反射器衬底，在 将施加到其上的机械和环境压力的影响下所述材料将保持稳定并且不会变形。为每种应用确定反射部段的形状，并且除了其他因素之外，该反射部段的形状尤 其取决于反射自每个部段的能量落在其上的物体/馈送天线的表面区域部分的形状以及 从辐射源到部段和从部段到物体的角度。制造平面反射部段的材料取决于许多因素，包括辐射波长、能量密度、期望的结果 质量和成本。反射部段可以由具有一个要处理的平面的衬底材料(例如高度抛光的金属) 制成以使得它能够反射有关波长的大部分能量，或者可以包括涂覆有薄反射层的衬底，例 如涂覆有诸如铝、镍、金等等之类的金属的玻璃板。对于某些应用来说，如果衬底由其反射率在有关波长带中足够高的材料制成，则 可能没必要添加附加反射面。例如，对于用于卫星电视接收的家用碟状天线来说，衬底可以 由在有关波长处具有足够高反射率的金属制成，以允许将衬底上的小平面的上表面用作反 射部段。对于其他应用来说，整个衬底(包括小平面的平表面)可以被涂覆有薄层的反射 涂层，从而消除单独将反射部段附着到小平面的需要。
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对于太阳能收集器来说，反射部段的最常见选择是玻璃板，所述玻璃板覆盖有精 细表面板或适当的金属薄膜涂层，该精细表面板或适当的金属薄膜涂层由例如金属、合金、 合成材料、碳、铝碳、碳化纤维、陶瓷、环氧树脂玻璃、晶体、聚合物制成并且涂覆有任何合适 的稳定涂覆材料，其可以被涂覆有反射层或者未涂覆有反射层。有涂层玻璃、塑料或聚合物 板是优选的，因为可以易于并且一致地将它们生产成具有非常平的平行侧面和高质量的反 射面。另一方面，当抛光金属板时，难以保持表面的平行性并且难以实现整个反射部段表面 上的抛光质量的均勻性。因此，当被附着到衬底上的小平面时，抛光的金属板可能不能将入 射束精确地反射到物体的表面上的计划位置。此外，生产并涂覆玻璃或塑料坯体(blank) 比生产并抛光金属坯体更便宜。代替现有技术反射器的方法(所述现有技术反射器主要包括凹面反射器，其具有 位于该反射器焦点处的太阳能收集器/馈送天线)，使用本发明的方法来用多个小的平面 反射部段来制造反射器(每个小的平面反射部段单独地旨在在预定方向上反射入射电磁 能量)，在设计反射器和收集器/馈送天线二者方面允许极大的灵活性。本发明方法允许使 用反射器，所述反射器包括具有任何任意的二维或三维形状的衬底(例如平面衬底) ’传 统的抛物面碟状衬底；槽式球面或抛物面；具有非抛物面曲率的碟形衬底；就现有技术来 说不可能使用的非常规形状，例如在图2A的横截面图和图2B中的透视图中示出的“巫师的 帽子”形衬底或者在图3中示出的“阔边帽”形衬底。注意，所有图都是示意性的并且尺寸 和距离没有按比例绘制。为了清楚，仅在图中示出大量小反射部段16中的一些的表示。尽 管从图中不清楚，但是通过附着装置18将每个反射部段16以相对于为每个部段单独确定 的衬底表面的定向安装到衬底10上，其中如上所述的那样，角度取决于源(未示出)、物体 14和特定部段的相对位置。从这些图可以明显看出，如果平面反射部段被直接附着到衬底 上，则如在现有技术中一样再现其形状时，大部分来自源的能量将不会被反射到物体上。反射器内部形体(contour)的适当设计(例如图3中所示的)以及在阶梯 式上升中心钟形特征的斜面时(in terraces ascending the slopesof the central bell-shaped feature)反射部段的准确放置，导致有效增加能量采集区域的面积，该面积 优于具有相同的最大直径的抛物面天线的面积。特别地，通过调节斜面的角度，不仅利用了 入射到反射器上的直接(平行)能量，而且还可以重新引导来自“侧面”的能量以落在收集 器上，从而显著增加了落在物体的表面上的能量的量。非常规反射器形状(例如在图2和图3中示出的那些)的一个优点是它们允许更 可能容易地朝向不同方向瞄准不同反射部段以利用不同形状的反射器。例如为了说明这一 点，图4示出包括阔边帽形反射器10和环形物体14的反射器和收集器设备。该配置非常 适合于太阳热收集器，在这种情况下，物体是被弯成圆环形并且串联连接到热流体通过其 而循环的闭合回路的空管的变黑段。物体中的热流体被通过反射器的反射部段而反射到其 上的阳光加热，从而将太阳能转换为热能。加热的热流体流到图中系统的另一部分(未示 出)，在其中热能例如被转换成机械能或电能，从而冷却流回到物体的热流体，在所述物体 中其被再次加热。如上所述，通过调节斜面的角度，不仅利用了入射到反射器上的直接(平 行)能量，而且还可以重新引导来自“侦彳面”的能量以落在物体上。本发明的方法还允许设想更复杂的系统以进一步聚集或重新引导输入/输出辐 射。例如，图5A和图5B分别示出包括阔边帽形主反射器10、环形辅反射器20和环形物体14的太阳热收集器的底部透视图和顶部透视图。在这种情况下，反射部段(未示出)被定 向成完全照射上面的环形辅反射器的凹面。辅反射器可以具有单个光滑表面，或者优选地 包括根据本发明的多个小平面反射部段。在后者的情况下，再次应用本发明的方法以将辅 反射面的各个反射部段定向成准确照射位于主反射器和辅反射器之间的环形收集器。在相同申请人的共同待决国际专利申请W02008/107875中描述了可以非常有利 地利用可能由本发明制成的非常规反射器和物体的典型太阳能转换系统，通过引用将包括 在其中引用的公开的描述结合于此。注意，本文的描述假设源、反射器和将来自源的能量反射到其上的物体的区域的 中心之间的空间上的固定关系。如果不满足这些条件，则本领域技术人员将能够创建或适 配现有的物理解决方案或计算技术来实现期望的结果。例如，在太阳能收集器中，太阳跟踪 系统(即定日镜)可以用来旋转衬底和收集器并且改变它们的仰角(elevation)以使得太 阳、反射部段和物体的相对位置保持全天不变。本领域技术人员还将认识到，因为每个部段被单独地定向成将来自源的能量反射 到物体上的特定位置上，所以现在可获得使用单个反射器引导能量的许多可能性。在一个 实施例中，反射器通过将来自两个或更多不同源的能量引导到物体的相同区域而用作能量 混合器。这通过从包括反射器的不同部段组反射来自每个源的能量而完成。来自每个源的 将被引导到物体上的特定位置的能量的比由每个组中部段数目的比控制。在另一个实施例 中，反射器通过将来自一个源的能量引导到多于一个物体而用作分束器。以类似的方式，本 发明的反射器可用于许多不同配置以将光从一个或多个源引导到一个或多个物体。注意，“阔边帽”形的反射器的基本设计(甚至在不包括本发明所需的大量小反射 面时)将反射或接收比具有相同直径的传统反射器更多的能量，这是因为使用中心钟形特 征的斜面而产生的附加表面区域。因此，由适合于要被反射或发射的能量类型的非涂覆材 料制成的阔边帽形反射器可以是非常有效的电磁能量的反射器或接收器；利用反射材料来 涂覆表面可以改进使阔边帽形衬底成为非常高效的电磁能量反射器的性能。在其它应用 中，涂覆有能量吸收材料的阔边帽形衬底可以用来高效地吸收能量，例如可以用来加热水 或热油的来自太阳辐射的热。实验室模型图7、图8和图9是已根据本文上面描述的人工方法建立并且在现场测试的实验室 模型反射器的照片。通过将厚度为2mm的4800个2cmX2cm平面镜部段附着(每次附着一 个)到衬底来建立实验室模型。用于建立模型的衬底是被用来接收卫星电视信号的常规凹 面碟状物。衬底由厚度为0.6mm且直径为1.6m的金属制成。反射器的有效区域是1. 84m2。通过接合件(joint)将该衬底安装在导管上，所述接合件允许衬底被人工倾斜以 使衬底的中心轴瞄准太阳。建立热收集器并且通过三个臂将其支承在衬底的上面且在该衬 底的中心轴上(见图7)。导管系统允许冷水流过收集器。水进入收集器，被由反射器聚集 在收集器上的太阳能加热，并且离开收集器。可以根据收集器输入侧和输出侧处的温度差 和流速来确定所产生的能量的量。反射器之后是循环并冷却水并且确定由反射器产生的能量的系统。通过使用在操 作中被连接到Contrec 212热计算器的传感器来实施能量确定，该传感器用于测量收集器 入口和出口处的温度和流速。包括反射器、收集器、水循环和冷却系统以及热计算器的整个
14系统被建立成集成的紧凑单元并且被安装在轮子上以使得它能够被容易地移动(见图9)。为了附着镜子，该单元被推动到户外并且衬底被定向以使得其中心轴直接瞄准太 阳。利用粘合剂将每个部段附着到衬底，并且在粘合剂有时间之前(before the adhesive had time)在镊子的帮助下调节每个部段的定向，以使得反射自该部段的阳光落在收集器 的中心。图7示出其中附着了大约80%的反射部段的反射器。图8示出用于现场试验的现 场完成的反射器装备。为了测试反射器的效率，整个单元被加载到小的商用货车上，并且被带到以色列 埃拉特之外的沙漠区。试验在2008年8月中旬中无云的天空下进行了四天。每天在13:00 和17:00之间的几个小时，单元被推出货车，指向太阳并且进行系统生成的功率的测量。在 图10中显示了一些现场试验的结果。图10是柱状图，其中水平轴上显示取得测量结果的日 子的时间并且在垂直轴上显示以瓦特(watts)计量的实验室模型反射器的最大功率输出。为了确定实验室模型的效率，基于由以色列气象局(IsraeliMeteorological Service)提供的信息来将测量结果与理论计算相比较，所述以色列气象局运行 (maintain)非常靠近实施现场试验的位置的数据收集站。每十分钟记录一次太阳辐射的 气象站测量结果。在2008年8月13日，15:40时地面上的太阳辐射水平是721w/m2，并且 15:50时是688w/m2。对于具有1. 84m2面积的反射器来说，15:45时落在反射器上的太阳辐 射被计算为1. 84*704. 5 = 1296瓦特。同时，所测量的反射器的输出功率是1075瓦特(考 虑到测量误差使实际测量的输出减小75瓦特之后)。基于这些图，手工制造的实验室模型 的效率被计算为1075/1296 = 82%。尽管已以说明的方式描述了本发明的实施例，但是将会理解在不超过权利要求的 范围的情况下，可以以许多变化、修改和适应来实施本发明。
权利要求
一种从源接收能量并且将所述能量反射到物体的表面上的反射器，并且所述反射器包括附着到衬底的大量小反射部段；其中所述衬底可以具有任意形状并且单独确定所述反射部段中的每一个相对于所述衬底、所述源和所述物体的定向，以使得来自所述源的反射自所述部段的能量朝向所述物体的表面上的预定区域而引导。
2.根据权利要求1所述的反射器，其中所述反射部段是平面反射部段。
3.根据权利要求1所述的反射器，其中所述反射器被用作下列各项之一-用于接收或发射电磁辐射的天线；-太阳能收集器；-光学系统；-辐射加热器；或-用于声能的发射和接收的天线。
4.根据权利要求1所述的反射器，其中每个反射元件的最大尺寸不大于预期所述反射 元件将来自源的辐射反射到其上的物体的表面区域的最大尺寸。
5.根据权利要求1所述的反射器，其中每个反射元件的反射面被弯曲，从而允许所述 反射元件的最大尺寸大于预期所述反射元件将来自源的辐射反射到其上的物体的表面区 域。
6.根据权利要求1所述的反射器，其中在坐标系中单独确定每个反射部段相对于源、 衬底和物体的定向，所述坐标系的原点位于所述物体的表面上在预定区域的中心处。
7.根据权利要求1所述的反射器，其中来自源的反射自所有反射部段的能量落在物体 的表面上的相同预定区域上。
8.根据权利要求1所述的反射器，其中来自源的反射自反射部段的能量落在物体的表 面上的不同预定区域上。
9.根据权利要求1所述的反射器，其中所述反射部段被定向成将来自两个或更多源的 光引导到一个或多个物体。
10.根据权利要求1所述的反射器，其中所述反射部段被定向成将来自一个或多个源 的光引导到两个或更多物体。
11.根据权利要求1所述的反射器，其中所述物体被定位在所述源和所述反射器之间 的任何便利的位置处，在所述反射器表面的顶部之上和/或在所述反射器表面的侧面。
12.根据权利要求1所述的反射器，与一个或多个附加光学元件一起使用，该附加光学 元件将来自源的反射自所述反射器的能量引导到位于所述反射器下面的物体上。
13.根据权利要求1所述的反射器，其中所述衬底包括多个小平面，每个小平面都包括 上表面，所述上表面具有处于所述小平面位置处的反射部段的定向和形状。
14.根据权利要求13所述的反射器，其中反射部段被附着到所述衬底的小平面上的每 个上表面。
15.根据权利要求13所述的反射器，其中所述衬底上的小平面上的每个上表面在有关 波长处具有足够高的反射率，以使得不需要附着反射部段。
16.根据权利要求1所述的反射器，其中从下述组中选择所述衬底的形状(a)平面；(b)抛物面；(c)槽式抛物面；(d)槽式球面；(e)具有非抛物面曲率的碟形；(f)“巫师的帽子”；以及(g)“阔边帽”。
17.一种用于设计并生产用于根据权利要求1所述的反射器的衬底的计算机辅助方 法，所述计算机辅助方法包括下述步骤a.指定源_反射器_物体系统的全部参数；b.加载到能够辅助用户以三维计算并标绘距离和形状的计算机软件中；c.使用所述软件和所述全部参数来创建所述源_反射器_物体系统的三维图像；d.使用所述软件将所述衬底的表面分成小的区，每个区具有基本上等于在该位置处被 附着到所述衬底的反射部段的预定大小和形状的大小和形状；e.选择所述区之一；f.使用所述软件在所述衬底的图像上绘制将在所述选择的区处放置的反射部段；g.使用所述软件来倾斜并旋转所述绘制的反射部段直到其虚拟投影以预定定向落在 所述物体的表面上的预定位置上为止；h.将在坐标系中测量的与所述选择的反射部段相对于所述源和所述衬底的三维定向 有关的数据存储在所述计算机的存储器中，所述坐标系的原点位于所述物体的表面上的所 述预定位置的中心处；i.对其余的每个所述小的区重复步骤e到h；j.使用所述软件根据所述存储的数据来生成衬底表面的三维数字图；以及k.使用所述三维图来生成制造机器的指令，所述机器能够遵循所述指令以便制造所述 衬底的一个或多个高度准确的复制品。
18.一种用于设计并生产用于根据权利要求1所述的反射器的衬底的人工方法，所述 人工方法包括下述步骤a.指定源_反射器_物体系统的全部参数；b.建立包括具有所述衬底的整体形状的表面的精密复制物；c.建立所述物体的精密复制物；d.牢固地固定所述物体的所述复制物，并且源或辐射能量以相对于所述衬底的复制物 的预定距离和定向复制所述源；e.选择一个反射元件并且以其预定位置将它放置在所述衬底上；f.倾斜并旋转所述选择的反射部段直到来自所述能量源的反射自所述部段的能量以 预定定向和位置落在所述物体的所述复制物的表面上；g.通过使用适当的装置将所述选择的部段固定在所述衬底上的适当位置；以及h.对其余的每个所述反射部段实施步骤e到g。
19.根据权利要求18所述的方法，包括下述附加步骤i.将衬底放置在生成所述衬底的表面的三维数字图的数字扫描和测量设备下面；j.通过使用所述数字图来数字地控制能够制造所述衬底的大量高度准确的复制品的机器。
20.根据权利要求18所述的方法，其中使用附着到所述衬底的大量镜架来实施所述方 法的步骤f，每个反射部段对应一个镜架，其中每个所述镜架都具以下装置，所述装置用于 沿着三个正交轴中的每一个横向地并围绕三个正交轴中的每一个旋转地独立移动安装在 其上的所述反射部段。
21.根据权利要求17或18所述的方法，其中一旦已生产出衬底，就将反射部段附着到 每个小平面。
22.根据权利要求21所述的方法，其中使用机器人制造技术来在每个小平面上涂抹粘 合剂薄层，并且然后馈送机器人拿起预制的反射部段并以正确的定向将它放置在其相应小 平面上的平表面上
23.根据权利要求17或18所述的方法，其中然后可使用数字图来数字地控制任何适合 于大规模生产衬底的全自动方法。
24.根据权利要求17、18或19所述的方法，其中根据三维数字图和/或直接根据衬底 来生产模具或“阴模”；其中所述模具然后用于适合于大规模生产附加衬底的全自动方法。
25.根据权利要求23或24中任一项所述的方法，其中从下述各项中选择全自动方法a.挤压；b.铸造；c.锻造；d.使用冲床或深冲中的阴模来将期望轮廓压印到可锻材料中；或e.在半导体工业中开发的用于生产由半导体材料制成的衬底的技术。
全文摘要
本发明是一种新型反射器，其从源接收能量并且将所述能量反射到物体的表面上。所述反射器包括附着到衬底的大量小的反射部段。单独确定每个反射部段相对于衬底、源和物体的定向，以使得来自所述源的反射自所述部段的能量朝向所述物体的表面上的预定区域而引导。本发明允许使用具有任意形状的衬底建立反射器。还公开了人工和自动生产单个和工业数量的本发明的反射器的方法。
文档编号G02B26/08GK101939684SQ200880126207
公开日2011年1月5日 申请日期2008年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者T·瓦莱克 申请人:动力转换有限公司