分隔式光波集散传导利用方法及装置 【技术领域】
本发明涉及光波聚集吸收传导利用的方法和装置。尤其是太阳能和各种不可见光波的聚集吸收传导利用。本发明所指的“采光面”，即在光波采集过程中具有光波采集功能，且能够直接接收到入射光线的假想或实际的平面或曲面。本发明所述的内外反射“光锥”或“光楔”即内外侧面为反射面的锥形或楔形体。
背景技术
目前，公知的太阳能采集和光波辐射信号聚集吸收主要以球面透镜或凹面反射装置为主。同时，中国专利申请92106082.3和93110024.0还提出了利用单一的底面朝向不同方向的圆台或棱台的内侧面，将由底面(大面)方向入射的光线经多次反射收缩聚集到棱台或圆台的顶面(小面)输出的聚光装置。此外，在二十世纪六、七十年代中国曾经推广过一种利用单一内部没有分隔的向阳面内部带有黑色底衬并以透明玻璃封闭顶盖的太阳能加热箱。以上技术的缺点在于：透镜的加工成本过高，反射镜光线方向向外容易造成光污染。两者的焦点会随光源的移动而同步对称改变；同时，圆形聚光阵列会造成采光面的采光密集度降低。而单一的夹面内反射台体要想聚集大面积地光线则必须加大接收面，进而必须加大自身的高度(相当于焦距)，由此导致占用与相应透镜同样大小的延展空间。否则，由几何光学的法线原理，光线将向回反射，无法实现光波聚集。另外，上述装置在太阳能采集过程中为了实用只适合架设于平行于水平面的屋顶或地面上，无法随应用环境的改变而改变。而开放的空间光能聚集传导结构还存在因空中漂浮易燃物而导致的架设环境或自然环境的火灾隐患。
【发明内容】
要解决的技术问题：为了克服现有采光方法焦距长、空间占用大、采光面密集度小、架设位置局限性过多，光能聚集空间开放，以及应用结构单一无法适应变化环境等缺点，本发明提出了一种由反射或吸收面分隔采光空间的可封闭的吸收、反射阵列集束光波集散结构方法和装置。即夹面分隔式光波集散采光方法和装置。该光波聚集方法和装置不仅能大幅度减小占用空间，同时，还能适应不同的光波接收环境依附于建筑物、交通工具等光波利用设施的外表或隐蔽构成相应设施的一部分。从而为相应设施提供光能和其他反射聚集的光波，并可通过对这些在不同光路中传送光波的无回射聚集、吸收，达到光波的波源探测或光波信号分路传输的目的。
本发明所采用的技术方案：利用具有反射或吸收功能的分隔面将采光空间分隔为对应不同光路(即由光源到光波吸收利用设备的不同位置，光线所经过的不同轨迹空间，由入射角和入射点决定)的阵列接收分配单元；另一方面，还可利用平行于表面的光波吸收面、过滤面、反射面等将光波利用设备分隔为采光空间、蓄热空间和过滤空间、散射空间等。即利用不同方向的分隔面对应不同光能转化过程将采光空间分别按横向或纵向进行分隔。其中包括：利用在以下相应几何体高的方向上互相平行或延长相交成狭窄锐角或狭窄夹缝的内外反射夹面以及辅助反射夹面构成的柱体、锥体、台体、楔体及上述几何体沿采光面或反射传导光路简单的三维线性伸缩、移动、旋转变形所形成的轨迹几何体单元或其拟形体单元和复合几何体对应夹面，以及上述单元的光波入射口在入射光波投影方向构成的平面或曲面的对称或不对称夹面单元镶嵌阵列，将光波吸收聚集传入光波接收体、光波导管或光波传导纤维以及光波传导、转向夹缝或接递光导活节，并可通过同类阵列或单元装置或辅助反射面将上一级阵列光波导管或光波传导纤维或光波聚集装置传出的波或光线多次串联或并联集束聚集，直到最终汇总输出或传入光波接收利用设备。其中，在各级光波入射端的阵列单元或其整体表面可覆有防尘防火隔离透光或滤光膜、玻璃、有机玻璃、阻燃透光材料或高强度透光材料等各种透光材料。并可由相应的透光材料所在二维空间构成阵列单元或其投影的镶嵌平面或曲面。亦可用滤光膜、滤光涂层在反射夹面和光波导管或在中间输出端利用三棱镜将系统中的不同特征的谱线分离或过滤。在传导过程中，可通过相互动态串联或并联衔接的夹面分隔反射装置进行相应的动态传导。受光体或光能吸收利用设备表面可加工或附有深色夹面内反射纹或结构，如垄状楔形单元结构或锥顶向外形如毛发或海胆刺的相互并联衔接镶嵌成表面阵列的锥形单元结构亦可采用向内单反射透光材料用以降低上述结构设备的光波反射率，进而提高光波的吸收率。这一结构与光波吸收材料结合可用于交通工具、建筑等光波利用设施。这一方法和装置亦可用于地球恶劣环境或自然保护区无人干涉环境的地下观察监护人员的生活设施以及利用外星体如行星和卫星的天然洞穴构筑的“地下空间站”的空间光能的采集和有害射线的过滤。
上述技术方案的总体构思：根据仿生学方法，分析生物对光波利用的统一原理。其中，一方面是众所周知的动物复眼尤其是蜻蜒复眼表层结构原理；另一方面，是本人研究的如本发明所描述的复眼的衬层结构和生物绒毛与附着物尤其是寒带动植物如北极熊和雪莲绒毛对光波辐射朝向附着物的向内夹面复反射汇集吸收原理并部分地与温室原理结合应用。夹面复反射方式还可推广为自由或固定密集分布于透光空间中的反光体，如固定分布于透明物内的反光珠、空泡等。
本发明的有益效果：可以在将占用空间减小、灵活性增强、适用对象数量增加的同时，还能够提供将所聚集的多种频率或多路光线分离或按不同的需要多次分离组合聚集应用，以及光源探测、离散入射点的无光缆光学信号多级多次分解组合传输(即光学调制解调)等功能。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是楔形夹面内反射分隔阵列(即内反射光楔阵列)光波聚集滤光分配方法和装置配合应用的侧剖和俯视示意图。
图2是四棱锥夹面内反射分隔阵列光波集束聚集方法和装置示意图。
图3是可相互交错平行移动的四棱柱内嵌四棱锥分隔夹面内反射光波聚集阵列方法和装置示意图。
图4是由三棱锥对称镶嵌球冠表面构成的夹面分隔反射阵列集束光波聚集装置构成的太阳能凉亭。
图5是由夹面分隔反射阵列集束光波聚集方法和装置所构成的太阳能列车牵引车及其车厢结合部的参选夹面反射聚光传导方法和装置。
图6是利用具有“S”形断面的金属带咬合缠绕形成的耐热螺旋管内嵌圆台形或圆锥形光锥所形成的两端带有对接螺纹的光导管活节。
图7是可直接对接的圆台形光导管活节示意图。
图8是由夹面分隔反射阵列集束光波聚集方法和装置构成的小水面线地效双体船及其太阳能翼状甲板示意图。
图9至图12是分别是利用光热隔膜横向分隔构成采光单元和纵向分隔构成采光空间和蓄热空间的太阳能光热气球和光热飞艇及其气阀的环撑膜盖示意图。
图13和图14分别是能够自行漂浮升空的带有光热隔膜的太阳能飘飞伞和太阳能飘飞翼伞结构示意图。
图15是利用光热或光电材料可加工或粘合于光热或光电等光波利用吸收设备表面的楔形吸收夹面阵列或锥顶向外的外侧面内反射锥阵列结构示意图。
图16是可加工或粘合于楔形光波吸收夹面表面间的利用金属纤维或光热、光电纤维与透明玻璃纤维混纺或编织制成的用于提高光能效率的纺织或编织物内部的纤维之间形成的内反射夹面局部剖面示意图。
图17为带有纵向分隔面的利用分隔面与外层透光玻璃球内空泡或反光珠粒实现散射的光波散射灯。
图18为嵌入并穿过建筑外墙和屋顶(包括地下建筑)或交通工具外壳利用内分隔反射光锥阵列光导发光示意图。
图中标记分别为：1.分隔面，2.辅助夹面，3.反射传导接递装置，4.透光材料，5.环撑保温盖膜，6.底部气阀，7.顶部气阀，8.气阀控制线。
【具体实施方式】
在图1至图3中，光楔阵列通过分隔面(1)将光线转向聚集到辅助面(2)，并在夹面出口处汇聚成线状焦点，该汇聚光线经设置于夹缝出口处的三棱镜分频折射到垂直于该三棱镜的下级阵列板上(也可采用细小夹缝对所聚集的光线进行衍射分频将所产生的光栅照射到下级阵列板上)并将其分频汇聚输出到不同的光波传导装置。其中，各级光波接收装置既可采用图2的分频四棱锥夹面分隔反射装置。也可采用图3的可相互交错平行移动变换接收方向的四棱柱内嵌四棱锥夹面分隔反射装置的光波聚集阵列。或将阵列板固定于具有多自由度的常平架上用于转换接收方向跟踪移动的光源或波源目标。或用于接收透镜光波接收装置汇聚的移动光源、波源形成的移动焦点的光波。在图3中虚线标出的是可相互交错平行移动的四棱柱内嵌四棱锥夹面。随着四棱柱外套相互平行滑动，内嵌光锥的光线入射口随之改变方向以适应不断变化方向的日光。其中，当图2中夹面分隔光锥阵列装置采用活动反光薄片和薄膜或面料等制成时，该装置便具有了可折叠性。即沿采光面的对角线方向可将光锥夹面阵列折叠成较小的体积。由此可以制成太阳能帐篷等设备。
在图4中三棱锥状内反射分隔夹面(1)对称镶嵌球冠表面形成的夹面分隔反射阵列集束光波聚集装置构成了太阳能凉亭的主体结构。其中，由支撑立柱或其中的光导管或光纤构成的导光结构将所汇聚的阳光导入地下设施使用。在夹面分隔反射阵列所镶嵌的球冠表面覆有可过滤光线或具有单反射功能的有机玻璃、透光薄膜或玻璃板(3)。同时，对称分隔球冠、球带或球面的夹面分隔反射吸收阵列可用于全方位光源探测(即由光波的夹面分隔反射阵列构成复眼式光源探头)或以此方式直接提供带有方向性的光能动力分别加热不同方向的光能控制器或其他光能设备。作为光源探头的反射夹面在几何结构上所形成的各个棱锥或楔体的采光口分别等分内接镶嵌于球冠或球带以及圆锥或圆柱等轴对称几何体表面，并以相应几何体的高为对称轴心，由相应的棱锥或楔体等分圆周。其中，根据光源方位的不同各个探头的接收角度导致其输出端的光波强度差异。因此，可以利用相应的光波传感元件(如光电管、光敏或热敏电阻)通过各个探头汇聚端的光波导管或光导纤维，以及反射夹面本身的光敏、热敏半导体属性或光电属性接入相应的光源或波源探测电路形成相应的光源或波源传感器，并用于相应光波来源的追踪。另一方面，还可利用输出端的光波辐射导致相应物体的物理光、热变形或促使光、热膨胀器件产生相应的动作或控制相应的动作系统。如用于日光追踪器等。
在图5至图7中夹面分隔反射阵列集束光波聚集装置构成了太阳能列车的外壳。在其车厢结合部，车厢外表的夹面分隔阵列聚光装置所汇聚的强烈阳光经楔状夹面光能汇聚连接装置(3)或动态光能传导连接装置[包括图6利用具有“S”形断面的金属带咬合缠绕形成的耐热螺旋管内嵌台形内反射光锥或如图7所示直接套接内反射接递光锥所形成的光导管“活节”对接连成的活动光能传导连接装置]逐节车厢传导进入牵引车的总光导管(动力光导管)。同时，各节车厢也可以直接利用所汇聚的光能各自独立驱动。另一方面，各种空间、空中或地面交通工具还可通过固定于途中的太阳能补给设备获得其自身采光面无法收集到的转存为电能、热能、化学能等其他能量形式的强大光能。
在图8中夹面分隔阵列聚光装置构成了小水面线地效双体船的太阳能翼状甲板。同样，这一装置还可用于以太阳能作为辅助能源的各种飞行器(包括太阳能热气球、飞艇、飞机、太空船等)表面。
上述装置亦可用于在地球的恶劣环境(如高海拔的山峰、低海拔的海底或洞穴以及沙漠等的地下设施)和外星体如火星表面和月球表面利用天然或人工洞穴构筑的“地下空间站”等人类生活设施的空间光能的采集和有害射线的过滤。其中，“地下空间站”的实施方式为：选择含水或含冰的星体表面，利用夹面分隔反射装置将空间光线汇聚到星体表面的天然或人工洞穴中(尤其对于有固定面朝向发光星体的行星或其卫星)。同时，将洞穴口和四壁就地取材利用光能熔化法或利用高强度粘合剂进行气闭性密封，并可利用被光能融化的水进行冰冻密封。然后，利用岩石或水的玻璃态等材料做成“地下空间站”的“密封外舱门”进一步在“地下空间站”中利用耐热太阳能电池将汇聚的光能转化为电能或利用热催化剂将光能加热的高温水电解或分解制氢、制氧。同时，对“地下空间站”充氧，并可将氢气和氧气作为燃料存储。进而为星际“地下空间站”人类生态环境的建立打下基础。
在图9至图12中，光热气球和光热飞艇表面采用高强度、耐热、保温，气密性和向内透光性良好的薄膜材料(4)制成，该薄膜可以是向内透光的单反射薄膜。在热气球和飞艇的内部分别结合有按热气球和飞艇表面曲面轴对称横向阵列分隔镶嵌以及平行于表面纵向分隔内部空间的黑色光热材料(或其他颜色的光热材料)所形成的夹面光波辐射吸收发热隔膜(1)。此处光热隔膜的另一作用是适应光源位置变化加大各个方向的阳光吸收面积。在光热气球和飞艇的顶部和底部分别装有线控或绳控以及自控气阀。该气阀为了适应快速充气或火焰预热，可采用图10的大口径轻质高强的铝合金环或塑料环支撑的环撑盖膜(5)制成的轻质线控盖阀。
光热气球和飞艇的飞行方式是：1、首先打开底部阀门(6)并通过引风机或气泵对气球和飞艇充气，当达到预期充气量时关闭底部阀门。2、阳光通过热气球和飞艇的透光外膜(4)照射其内部的光热隔膜(1)使其升温并加热飞艇内部的空气。3、还可通过光热隔膜(1)的残余辐射在光热隔膜(1)与单反射外膜(4)之间形成夹面反射进一步加热气球和飞艇内部空气。4、热气球和飞艇内部空气受热膨胀密度降低，气球和飞艇受到外部空气的浮力加大使光热气球和飞艇升空。5、打开底部气阀(6)，根据具体情况也可打开顶部气阀(7)，光热气球和飞艇的体积减小所受空气浮力降低因而下降。以上过程可采用地面预热的方法使光热气球或飞艇直接升空，而后可部分或全部关闭底部预热充气阀门(6)进行太阳能加热膨胀。
根据发热基材的不同(如纺织品和塑料薄膜以及其他化工或纳米薄膜等)，上述光热气球和飞艇可采用内嵌柱面光热材料或制成如图所示的平行于表面的纵向分隔与垂直于表面横向分隔光热气球(或飞艇)内部空间的光热材料相结合的方法制成(即制成由透光外膜、吸热空间、光热内膜和蓄热空间构成的多单元双层结构)。上述分隔方式适用于各种异形结构的光热气球和飞艇(如长圆柱形、正方体形、环形)等。当内部夹面采用耐火材料或制成活动式以及适当延长底部加热进气管道时，光热气球和飞艇便可以制成光、焰两用热气球和飞艇。此外，太阳能光热气球和光热飞艇可以“氦”、“热”结合制成太阳能光热氦气球和飞艇。上述设计还可“光”、“电”、“氦”、“焰”、结合制成具有综合能源动力的飞行设备。太阳能光热气球和光热飞艇可广泛用于可回收的高空探测、旅游、运输和高空悬停的通讯或特种平台。进而避免一次性氢、氦气球造成的资源浪费。
在图13与图14中的飘飞伞或飘飞翼伞与图5的光热气球原理基本一致。所不同的是，当拉开伞头排气阀(6)的控制线(7)时，伞内空气排空，飘飞伞和飘飞翼伞变形为降落伞和滑翔伞。
在图15和图16中光线在具有反射或吸收功能的分隔面(1)间不断反射衰减并转化为热能或电能。这一结构还可变形为形似刺猬的锥顶向外的外侧面内反射锥阵列结构。同时，图17利用相应光效应纤维还可在制成的纺织或编织物内部孔隙之间形成内反射夹面阵列。
在图17中作为纵向分隔面(1)的散射玻璃球表面将光波散射灯划分为散射空间和内反射空间。其中，位于中心部位的散射空间的玻璃球中，含有许多固定悬浮的反光散射空泡或散射珠。由光导管中射出的光线经散射照入透光材料(4)与分隔面(1)之间的内反射发光空间，经多次往复内反射能够产生均匀的发光效果。
在图18中内反射分隔夹面(1)所形成的光锥阵列与相应设施外部结构结合一体并通过光导将外部光线通过外反射光锥(3)传入相应设施内部。该方法及装置可广泛用于建筑、交通工具等。尤其是当透光材料(4)为高强度透光材料时(如厚钢化玻璃等)或将外部采光的内反射光锥做成透明马赛克光锥，同时还可辅以高强度金属接缝。则地下建筑的屋顶可变为具有太阳能采集功能的露天太阳能广场或街道。同时，从地下建筑反向传出的灯光则能够对夜晚地面广场等设施起到装饰作用。