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CN103890483A - 阳光转向反射镜阵列 - Google Patents

阳光转向反射镜阵列 Download PDF

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Abstract

阳光转向器(30)结合具有平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(38、44)的紧邻的反射镜阵列(32、34)。棱镜片(36)定位在第二阵列(34)后方并与其紧邻。部分(38)沿着第一方向(x)延伸。部分(44)沿着与方向(x)垂直的第二方向(y)延伸。部分(38、44)具有法向矢量(42、48)。部分(38)被相互连接以同时枢轴旋转运动(40)，使得它们的法向矢量(42)保持平行。部分(44)被相互连接以同时枢轴旋转运动(46)，使得它们的法向矢量(48)保持平行。阵列(32、34)将入射光朝向片(36)转向，该片将光转向到期望的固定方向，例如，与阳光转向器的法向矢量(50)平行。部分(38、44)可以具有向内和向外部分(60A、60B)，它们可以能够被调整定位来将入射太阳光线向期望方向的转向最大化。

Description

阳光转向反射镜阵列
相关申请的引用
本申请要求2011年10月25日递交的美国临时专利申请序列号No.61/551,050的权益。
技术领域
本发明涉及用于将光(特别是阳光)转向的机构。
背景技术
通过引用结合到这里的WO2009/000070描述了一种阳光转向器，其中纵向相邻的平面反射镜由非伸缩连接枢轴相互连接，以形成柱状阵列(见其图1)。非伸缩连接限制了反射镜的移动，使得它们的法向矢量保持平行。可枢轴旋转的连接(在本申请图1中未示出，但是可见WO2009/000070)允许反射镜相对于两个彼此垂直的轴线移动，并且防止反射镜相对于与另两个轴线垂直的第三轴线移动。致动器(在本申请图1中未示出，但是可见WO2009/000070)受控制地移动反射镜，以将它们的法向矢量的朝向确定为使得反射镜将入射光沿着期望的方向反射。致动器可以被适当地控制以移动反射镜来跟踪太阳，并且由此连续地将太阳光转向到具体方向，例如，通过墙壁开口以照明建筑物的内部。
这种反射镜阵列在以建筑物为核心的日光照明系统中非常有用，如WO2009/000070所解释的。期望这种反射镜可以较薄，以有助于将阵列安装到建筑物墙壁上或墙壁内。薄的反射镜阵列可以由大量的小反射镜构成。然而，这种方法的缺点是所需的反射镜的数目与阵列的厚度的平方成反比地增加，潜在地过高地增加了构造合适的薄阵列的成本。本公开解决了该缺陷。
现有技术的在先示例以及与其相关的限制是示意性的并且非穷尽的。通过阅读说明书和研究附图，现有技术的其他闲置将对于本领域技术人员变得明显。
附图说明
在附图中引用的图中示出了示例性实施例。这里公开的实施例和附图旨在被认为是示意性的，而非限制性的。
图1等角地并示意性地描绘了在WO2009/000070中公开的现有技术反射镜阵列。
图2是具有多个纵向、可枢轴旋转的反射镜的可圆形旋转的反射镜阵列的前立体图。
图3A、图3B和图3C是多个相互连接的纵向反射镜部分的侧立体图示意图，其分别描绘了部分的定位以实现入射光线的小、中、大角度转向。
图4等角地描绘了具有第一多个纵向可枢轴旋转反射镜、第二多个纵向可枢轴旋转的反射镜以及棱镜片的矩形反射镜阵列，第二多个反射镜与第一多个反射镜基本垂直地延伸。
图5A、图5B、图5C和图5D是四对纵向反射镜部分的侧立体示意图；图5A描绘了每个对中的部分基本平行排列；图5B描绘了每个对中的一个部分排列到与入射太阳光线的主要方向基本平行的方向；图5C描绘了用于将入射光引导到相邻向内部分的向外部分的排列；以及图5D描绘了将入射光引导到相邻向外部分的向内部分的排列。
具体实施方式
在以下描述各处提供了具体细节，以向本领域技术人员提供更加透彻的理解。然而，公知的元素可能没有被示出或者具体描述，以避免笔不要地妨碍本公开。因此，说明书和附图应当被认为是示意性的，而非限制性的含义。
图2描绘了一种阳光转向器10，其具有多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分12。部分12被与用于连接百叶窗(Venetianblind)板条的方式相似的方式相互连接(未示出)。连接到一个或多个部分12的控制器(未示出)可以被可选地致动，以将全部部分12同时枢轴旋转，如双头箭头14所示。部分12因此可以被以百叶窗的方式枢轴旋转地调整，使得它们各自的法向矢量16保持平行。部分12具有不同长度，并且被布置为使得阳光转向器10具有如图2所示的圆形正立体形状。阳光转向器10能够绕阳光转向器10的法向矢量19旋转，如双头箭头20所示。
阳光转向器10因此可以被旋转，以相对于阵列的法向矢量18跟踪太阳的方位运动，并且部分12可以被枢轴旋转地调整，以补偿太阳的高度改变，使得由部分12反射的光线将会被转向期望的、固定的方向，例如基本与法向矢量18平行，以有助于将光线转向为穿过墙壁开口，来照明建筑物的内部。
图3A、图3B和图3C示出了使用阳光转向器10的部分12来对光转向的潜在缺点——转向效率取决于期望的转向角度。图3A描绘了小转向角度的情况，其中反射镜部分(由实线表示)几乎与入射光平行，因此大部分光线(由虚线表示)不入射到反射镜上并且因此不被按照期望转向。图3B描绘了中转向角度的情况，其中，反射镜部分相对于入射光成倾斜角度，使得大部分光线入射到反射镜上并且被按照期望转向。图3C描绘了这样的情况，其中期望的转向角度太大，以至于反射镜部分被定位在相对于入射光如此大的倾斜角度，使得入射到反射镜的大部分光线被转向到相邻反射镜，之后进一步被转向为离开期望的方向。图3A和图3C的情况是有问题的，因为期望将对应于大的太阳角度范围的光线转向。
阳光转向器10的另一个潜在缺陷是可能增加将阳光转向器10绕法向矢量18可旋转地移动的复杂度和成本。图4描绘了解决上述潜在缺陷的固定阳光转向器30。
固定阳光换向器30具有第一反射镜阵列32、第二反射镜阵列34和棱镜片36。第一反射镜阵列32由第一多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反光镜部分38构成。根据入射阳光的方向的期望范围，部分38在一侧或两侧上是成反射镜的；并且以与用于相互连接百叶窗板条的方式类似的方式相互连接(未示出)。连接到一个或多个部分38的控制器(未示出)可以被可选地致动，以将全部部分38同时枢轴旋转，如双头箭头40所示。部分38因此可以被以百叶窗的方式枢轴旋转地调整，使得它们各自的法向矢量42保持平行。部分38具有相同长度，并且被布置为使得第一反射镜阵列32具有如图4所示的矩形正立体形状。
第二反射镜阵列34由第二多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反光镜部分44构成。根据入射阳光的方向的期望范围，部分44在一侧或两侧上是成反射镜的；并且以与用于相互连接百叶窗板条的方式类似的方式相互连接(未示出)。连接到一个或多个部分44的控制器(未示出)可以被可选地致动，以将全部部分44同时枢轴旋转，如双头箭头46所示。部分44因此可以被以百叶窗的方式枢轴旋转地调整，使得它们各自的法向矢量48保持平行。部分44具有相同长度，并且被布置为使得第二反射镜阵列34具有如图4所示的矩形正立体形状。
第一反射镜阵列32定位在第二反射镜阵列34的前方并与其紧邻，反射镜部分38沿着第一方向x延伸，反射镜部分44沿着与第一方向x基本垂直的第二方向y延伸。棱镜片36定位在第二反射镜阵列34后方并与其紧邻。
第一反射镜阵列32可以被枢轴旋转地调整，以补偿太阳光的高度的改变，使得由部分38反射的光线被朝向期望的固定方向转向，例如，朝向棱镜片36转向。第二反射镜阵列34可以被枢轴旋转地调整，以补偿阳光的方位的改变，使得由部分44反射的光线也被朝向期望的固定方向转向，例如朝向棱镜片36转向。
被第一或第二反射镜阵列32、34中的任一项朝向棱镜片36转向的光线被棱镜片36折射(例如，转向)到与阳光转向器30的法向矢量50基本平行的最终期望固定方向。例如，最终期望的固定方向可以是使得光线被转向为穿过墙壁开口，以照明建筑物的内部。由第一和第二反射镜阵列32、34转向的光线由棱镜片36有效地转向。在需要非常少的转向的情况下，第一反射镜阵列32独自或者第二反射镜阵列34独自都将不能有效地将太阳光线转向。这对应于图3A中描绘的缺点。在这种情况下，棱镜片36通过进行光线的进一步实质性转向来进行补偿，由此改善效率。例如，在不具有棱镜片36的情况下，尽管太阳在正南方，但是安装到南墙上的阵列的阳光转向效率将会非常低。
棱镜片36的面向第二反射镜阵列34的那一侧可以是平坦的。棱镜片36的相反侧可以承载大量竖直延伸的、70°内全角等腰三角形棱镜。棱镜片36可以由透明聚合物材料制成，例如聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者PC、PET和/或PMMA的组合。可以从迈阿密州圣保罗的3M买到的2370光学照明膜可以被用来形成片36。膜的棱镜的精确角度和尺寸不是非常关键——通常期望的特性是大致向垂直的左或右30°(在10°到50°之间)朝向的光线将会由膜有效地折射到与片36的宏观平面基本垂直的方向。因此，由第一和第二反射镜阵列32、34转向的光线不需要与阳光转向器30整体垂直——这在任何情况下都是在接近太阳正午时难以满足的约束。
虽然片36改善了阳光转向器30对于有问题的阳光角度(例如，在接近太阳正午时)的效率，其可能不能满足适应全部期望的光转向角度。此外，根据入射光的波长，通过片36折射的光可以被转向到略微不同的方向。这些缺点可以如下文讨论的关于图5A-图5D避免。
图5A-图5D各自描绘了四对纵向向内/向外反射镜部分60A、60B；62A、62B；64A、64B以及66A、66B(由实线表示)。阳光转向器10中的每个反射镜部分12可以是这种向内/向外部分的对中的一个。类似地，阳光转向器30中的每个反射镜部分38和/或每个反射镜部分44可以是一个这种向内/向外部分的对。反射镜部分60A、60B；62A、62B；64A、64B以及66A、66B在两侧上都是成反射镜的。
向外部分60B、62B、64B和66B可以分别相对于向内部分60A、62A、64A和66A调整。图5A描绘了将每个对中的向内和向外部分排列为彼此基本平行的调整。图5B描绘对每个部分进行调整，以将每个对中的向外部分排列到与入射光线的主要方向基本平行的方向(如图5A-图5D中的虚线箭头所示)。图5C描绘了对每个部分进行调整，以使得入射光线首先由向外部分反射到相邻的向内部分，并且之后进一步由向内部分反射到期望的方向。图5D描绘了对每个部分进行调整，以使得入射光线首先由向内部分反射到相邻的向外部分，并且之后进一步由向外部分反射到期望的方向。
在图5A-图5D中描绘的不同部分调整产生了不同的光转向效率，这取决于诸如部分的大小和入射光角度的因素。部分可以被合适的控制系统自动地可选择地调整，以采用任何所描绘的调整构造(或者任何期望的中间调整构造)，以将不同时刻光转向效率最大化。通常，在任何具体时刻的最佳的选择将会是使得有用光线的总损失最小化的调整配置(即，穿过阳光转向器而没有被转向的光线由于它们没有被转向到期望的方向而“损失”)。在全部情况下，向内/向外反射镜部分都在考虑阳光入射角度和光线将被转向的期望方向这二者的情况下被调整定位。通过已知的光线跟踪分析技术，所需的反射镜部分位置可以容易地对于任何所选择的阳光入射角度来确定。所确定的反射镜部分位置数据可以被存储在查找表中或者以开环数学算法或基于反馈的闭环算法或者它们的组合来模拟。这种查找表和算法技术是本领域技术人员公知的。在一些情况下，如果反射镜部分38和/或44由上述向内/向外部分适当地形成的话，图4的固定阳光转向器30可以被形成为没有棱镜片36。
权利要求的范围不应当由上述优选实施例限制，而是应当由与说明书整体一致的最宽泛的解释来给出。

Claims (12)

1.一种阳光转向器(10)，包括：
多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(12)；
反射镜部分中的每一个都具有法向矢量(16)；
其中，反射镜部分相互连接以使得所述部分同时枢轴旋转运动，使得反射镜部分的法向矢量保持平行；并且
反射镜阵列能够绕阵列的法向矢量(18)旋转。
2.根据权利要求1所述的阳光转向器(10)，其中：
反射镜部分(12)具有不同的长度，并且被布置为使得反射镜阵列是圆形的。
3.根据权利要求1所述的阳光转向器(10)，其中，反射镜部分(12)将入射光线转向到与阳光转向器的法向矢量基本平行的期望固定方向。
4.一种阳光转向器(30)，其包括：
第一反射镜阵列(32)，其具有第一多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(38)；
第二反射镜阵列(34)，其具有第二多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(44)；以及
棱镜片(36)；
其中：
第一反射镜阵列(32)定位在第二反射镜阵列(34)前方并且与第二反射镜阵列(34)紧邻；
棱镜片(36)定位在第二反射镜阵列(34)后方并且与第二反射镜阵列(34)紧邻；
第一多个反射镜部分(38)沿着第一方向(x)延伸；并且
第二多个反射镜部分(44)沿着与第一方向(x)基本垂直的第二方向(y)延伸。
5.根据权利要求4所述的阳光转向器(30)，其中：
第一多个反射镜部分(38)中的每一个都具有法向矢量(42)；
第二多个反射镜部分(44)中的每一个都具有法向矢量(48)；
第一多个反射镜部分(38)被相互连接以使得第一多个部分同时枢轴旋转运动(40)，使得第一多个反射镜部分的法向矢量(42)保持平行；以及
第二多个反射镜部分(44)被相互连接以使得第二多个部分同时枢轴旋转运动(46)，使得第二多个反射镜部分的法向矢量保持(48)平行。
6.根据权利要求5所述的阳光转向器(30)，其中：
第一多个反射镜部分(38)具有基本相等的长度并且被布置为使得第一反射镜阵列(32)是矩形的；并且
第二多个反射镜部分(44)具有基本相等的长度并且被布置为使得第二反射镜阵列(34)是矩形的。
7.根据权利要求4-6中任意一项限定的阳光转向器(30)，其中：
第一反射镜阵列(32)将入射光线朝向棱镜片(36)转向；
第二反射镜阵列(34)将入射光线朝向棱镜片(36)转向；
棱镜片(36)将光线转向为与阳光转向器的法向矢量(50)基本平行的期望固定方向。
8.根据权利要求7所述的阳光转向器(30)，其中，棱镜片(36)：
具有面向第二反射镜阵列(34)的平面侧；并且
具有承载大量竖直延伸的、70°内全角等腰三角形棱镜。
9.根据权利要求7所述的阳光转向器(30)，其中，棱镜片(36)由透明聚合物材料制成，例如聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者PC、PET和/或PMMA的组合。
10.根据在先权利要求中任意一项限定的阳光转向器(10；30)，其中：
反射镜部分(12；38、44)中的至少一些各自还包括向内反射镜部分(60A、62A、64A、66A)和向外反射镜部分(60B、62B、64B、66B)；以及
向内反射镜部分和向外反射镜部分能够被调整定位，以将入射太阳光线向期望方向的转向最大化。
11.根据权利要求5所述的阳光转向器(30)，其中：
第一多个反射镜部分(38)中的每一个还包括向内反射镜部分(60A)和向外反射镜部分(60B)；
第二多个反射镜部分(44)中的每一个还包括向内反射镜部分(60A)和向外反射镜部分(60B)；
向外反射镜部分(60B)中的每一个都可以在第一位置和第二位置之间调整：
在第一位置中，向外反射镜部分中的每一个都与向外反射镜部分中的相应一个基本平行；并且
在第二位置中，向外反射镜部分中的每一个都与入射阳光方向基本平行。
12.一种阳光转向器(30)，包括：
第一反射镜阵列(32)，其具有第一多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(38)；以及
第二反射镜阵列(34)，其具有第二多个基本平行的、均匀间隔的、纵向反射镜部分(44)；
其中：
第一反射镜阵列(32)定位在第二反射镜阵列(34)前方并且与第二反射镜阵列(34)紧邻；
第一多个反射镜部分(38)沿着第一方向(x)延伸；
第二多个反射镜部分(44)沿着与第一方向基本垂直的第二方向(y)延伸；
反射镜部分(38、44)中的至少一些各自还包括向内反射镜部分(60A)和向外反射镜部分(60B)；以及
向内反射镜部分(60A)和向外反射镜部分(60B)能够被调整定位，以将入射太阳光线向期望方向的转向最大化。
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