电磁(EM)辐射的收集和集中是众所周知的。无线电波典型地使用 抛物柱面反射器来收集和集中。太阳辐射则使用抛物柱面反射镜或透镜来 收集和集中。前一种装置的缺点在于需要相对较高的高度和收集面积比， 后一种装置则昂贵、沉重且易碎。两种类型装置共同的缺点在于需要追踪 源以适当地实现其功能。

本发明通过提供一种电磁辐射收集和集中装置以设法克服现有技术 中的至少一些缺陷，所述的电磁辐射收集和集中装置可以覆盖很大的面 积，具有低矮的外形，不需要追踪源，并且可以构造成相对较轻，也更便 宜。
迫切需要的是能够从可再生能源中产生能量。太阳能就是一种这样的 能源，其具有被开发的潜力。传统的用来收集辐射能量并以可利用形式产 生能量的装置都苦于其较高的基本费用和/或不能够产生对于许多应用装 置而言足够高的温度。本发明通过提供一种辐射能量集中装置来设法克服 现有技术中的这些缺点，这种辐射能量集中装置能够从一个相对较大的区 域收集能量，并将其集中到一个小的目标区域上。所述装置制造起来相对 便宜，在结构上比较轻，并且具有产生高的目标温度的潜力，或者在通过 光电池转化成电的情况下，只需要小面积的电池，因此节约了成本。
本发明旨在一种装置，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。
附图说明
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。

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 (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。
一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。