Устройство коллектора света - RU2627642C2

Чертежи

Показать все 15 чертежа(ей)

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройству коллектора света. Кроме того, изобретение относится к солнечному устройству, к теплице или осветительному блоку, содержащему такое устройство коллектора света.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В соответствующей области техники известны структуры ввода света. Например, публикация WO2009115574 описывает теплицу, содержащую прозрачные листы, имеющие две главные стороны поверхности, содержащие люминесцентный краситель внутри прозрачного листа, отличающиеся тем, что на по меньшей мере одной из двух главных сторон поверхности есть совокупность геометрических оптических модулей. В особенности, внутри отдельного слоя, который находится в контакте с упомянутым прозрачным листом, удерживается фотолюминесцентный краситель.

Кроме того, в соответствующей области техники известны люминесцентные солнечные концентраторы. Например, публикация WO2012023094 описывает фотоэлектрическое устройство, такое как, например, солнечный концентратор, который на нижней стороне своего волновода использует рассеивающий или отражающий слой. Этот рассеивающий или отражающий слой также инкорпорирует люминесцентный или фосфоресцирующий материал для поглощения и излучения. Дополнительная функциональность, связанная с поглощением или излучением в рассеивающем или отражающем слое, позволяет более динамично использовать входной свет.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Важным аспектом является то, каким образом свет может быть направлен на растения (например, в теплице) эффективным образом и с оптимизированным спектром. В соответствующей области техники известно использование структур, подобных призмам, линзам или рассеивающим микроструктурам. Эти структуры действительно работают, чтобы извлекать свет, но они не могут достаточно эффективно направлять свет к растениям. Кроме того, обеспеченные (такими) микроструктурами фольги могут стать слишком дорогими для упомянутого применения.

Далее, могла бы найти применение полимерная матрица, удерживающая флуоресцентный краситель и светорассеивающую добавку (в виде частиц). Однако, по-видимому, в некоторых системах более чем 50% света направлено наружу из теплицы, и растениями эффективно не используется.

Следовательно, объектом изобретения является обеспечение альтернативного устройства коллектора света, которое дополнительно, предпочтительно, по крайней мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков.

Следовательно, в первом аспекте изобретение обеспечивает устройство коллектора света (здесь также указанное как "устройство"), содержащее подобную листу сторону приема света и сторону выхода света, при этом устройство коллектора света содержит множество криволинейных структур (здесь также указанных как "структуры") из световодного материала, при этом световодный материал содержит органический краситель, выполненный с возможностью поглощения по меньшей мере части света источника света и преобразования по меньшей мере части поглощенного света в видимом диапазоне длин волн, при этом каждая криволинейная структура имеет выпуклую криволинейную часть на стороне приема света, выполненную с возможностью приема света от упомянутого источника света и выполненную с возможностью ввода света источника света в криволинейную структуру, вогнутую часть на стороне выхода света и краевую часть выхода света на стороне выхода света, при этом каждая криволинейная структура имеет кривизну и толщину световода, выполненную с возможностью облегчения передачи введенного света и света, преобразованного в видимый диапазон длин волн, в направлении краевой части выхода света для обеспечения испускания света устройства из краевой части выхода света.

Посредством такого устройства коллектора света (солнечный) свет может быть эффективно введен в криволинейные структуры, будучи внутри этих криволинейных структур по меньшей мере частично преобразован посредством органического красителя в свет другой длины волны и выведен из упомянутого устройства коллектора света через краевые части выхода света. Тем самым обеспечиваются собранный (солнечный) свет и/или собранный преобразованный (солнечный) свет. Заметим, что источник света не является частью основного варианта(ов) исполнения устройства коллектора света.

Устройство коллектора света создано специально для того, чтобы эффективным образом собирать свет солнца и выводить собранный свет, который по меньшей мере частично преобразован посредством органического красителя в люминесценцию, наружу на стороне выхода света (в виде люминесценции и необязательного остающегося солнечного света). Поэтому в одном варианте исполнения коллектор света используется для того, чтобы концентрировать (солнечный) свет и по меньшей мере частично преобразовывать упомянутый концентрированный солнечный свет в люминесценцию (посредством преобразования по меньшей мере части солнечного света посредством красителей). Введенный свет и люминесцентный свет в результате полного внутреннего отражения может доходить до краевой части и испускаться из части выхода света (или краевой части выхода света). Чтобы противодействовать уменьшению свойств полного внутреннего отражения световода органический краситель по существу не присутствует в виде микрочастиц, но предпочтительно является распределенным в молекулярном виде так, чтобы противодействовать всенаправленному рассеянию света. Кроме того, краситель имеет такой спектр поглощения и/или возбуждения, который по существу не перекрывается со спектром излучения упомянутого красителя, тем самым противодействуя всенаправленному вторичному излучению преобразованного света. Оба упомянутых явления, и всенаправленное рассеяние, и всенаправленное вторичное излучение приводят в результате к нежелательному уменьшению свойств полного внутреннего отражения световодного материала и, следовательно, к менее эффективному устройству коллектора солнечного света.

Устройство коллектора света содержит множество криволинейных структур. В некоторых вариантах исполнения они могут содержать полусферические структуры, подобные куполам, в других вариантах исполнения они могут содержать воронкообразные структуры или сферических чашек. Выпуклая часть выполнена на стороне приема света. Следовательно, сторона приема света содержит множество выпуклых криволинейных структур. Вогнутые части находятся на "нижней стороне" (сторона выхода света) устройства коллектора света. Края криволинейных структур используются в качестве выводящих или краевых частей выхода света (со стороны выхода света). Следовательно, по меньшей мере часть края криволинейных структур выполнена с возможностью позволения выведенному свету испускаться на стороне выхода света устройства коллектора света из краевых частей выхода света криволинейных структур.

Заметим, что в вариантах исполнения устройства коллектора света (как такового) за исключением необязательного покрытия сверху криволинейных частей нет никакой физической структуры. Это обладающая преимуществом криволинейная структура, которая обеспечивает эффективный ввод света.

Термины "сверху" и "снизу" относятся к компоновке деталей или признаков, относящихся к распространению света из светогенерирующего средства (в данном конкретном случае, солнца или источника света), при этом относительно первого положения в луче света от светогенерирующего средства второе положение в луче света, более близкое к светогенерирующему средству, есть положение "сверху", а третье положение в луче света, более удаленное от светогенерирующего средства, есть положение "снизу". Таким образом, сторону приема света можно называть также верхней стороной или верхней лицевой поверхностью, а сторону выхода света нижней стороной или нижней лицевой поверхностью.

Вообще, криволинейные структуры скомпонованы в регулярную формацию, такую как с кубической или с шестигранной симметрией. В основном, криволинейные структуры, особенно выпуклые части, могут быть выполнены как плотная упаковка, такая как шестигранная плотная упаковка или кубическая плотная упаковка. Следовательно, полусферические структуры или воронкообразные структуры и т.д. могут быть скомпонованы в плотную упаковку, такую как определенная выше. Следовательно, устройство коллектора света может содержать шестигранную плотную упаковку, или кубическую плотную упаковку, или подобные криволинейные структуры.

Необязательно, существует упаковка или особо плотная упаковка структур иных типов. Например, может быть использована комбинация множества полусферических криволинейных структур и воронкообразных криволинейных структур, которые чередуются одна с другой. Они могут быть упакованы (в двух кристаллических подрешетках соответствующих криволинейных структур) в необязательные плотные упаковки.

Это не значит, что выпуклые криволинейные части могут, таким образом, привести к структуре выступающего типа (выступающего по отношению к плоскости устройства коллектора света), таким как структуры, подобные полусферическим, но в каком-либо варианте исполнения могут привести к структурам типа "углубления", таким как воронкообразные структуры.

Криволинейные структуры содержат, главным образом, по существу, состоят из, даже более того, специально сделаны из прозрачного материала, который выполнен с возможностью позволения по крайней мере видимому свету, но особенно также и частям ультрафиолетового (УФ) и/или инфракрасного (ИК) излучения, распространяться через световодный материал. Другим названием для световодного материала является "волноводный " материал. Световодный или волноводный материал может содержать один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из носителя пропускающего органического материала, таких как выбранные из группы, состоящей из полиэтилена (РЕ), полипропилена (РР), полиэтиленнафталата (PEN), поликарбоната (РС), полиметилакрилата (РМА), полиметилметакрилата (РММА) (Plexiglas или Perspex), бутирата ацетата целлюлозы (САВ), кремния, поливинилхлорида (PVC), полиэтилентерефталата (РЕТ), гликоль-модифицированного полиэтилентерефталата(PETG), полидиметилселаксана (PDMS) и сополимера циклоолефина (СОС). Однако в другом варианте исполнения световодный или волноводный материал может содержать неорганический материал. Предпочтительные неорганические материалы выбираются из группы, состоящей из разновидностей стекла, (плавленого) кварца, пропускающих керамических материалов и разновидностей кремния. Могут также использоваться гибридные материалы, содержащие как органические, так и неорганические части. Особенно предпочтительным материалом для волновода являются полиметилметакрилат (РММА), поликарбонат (РС) или стекло.

Следовательно, криволинейные структуры представляют собой особым образом искривленные световоды с особой кривизной, которая такова, что имеется выпуклая часть и вогнутая часть. Следовательно, криволинейные структуры специально не содержат круглых оптических волокон.

Принципиально, что в волноводном материале краситель, по существу, не присутствует в виде микрочастиц, но предпочтительно является распределенным в молекулярном виде. Таким образом, в нем не может быть обнаружено, по существу, никаких границ зерна, что благоприятно ввиду рассеяние. Молекулярное распределение красителя может быть специально получено при встраивании красителя в органический материал, такой как один или более из вышеуказанных прозрачных органических материалов.

Органический краситель специально выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере части введенного света источника света и преобразования его в свет другой длины волны. Вообще говоря, это (также) будет видимый свет. Однако краситель может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить свет в области длин волн с конкретной функцией. Например, в применениях, связанных с садоводством/овощеводством, конкретные цвета могут оказывать на растения конкретное воздействие и т.д.

В одном варианте исполнения краситель может быть также выполнен с возможностью преобразования УФ света в видимый свет. В зависимости от типа света источника света (см. ниже) органические люминесцентные материалы могут, например, содержать комбинацию зеленого и красного излучающих материалов или комбинацию желтого и красного излучающих люминесцентных материалов и т.д. Однако в зависимости от (желательного) применения могут быть использованы также и красители, которые преобразуют УФ или видимый свет в инфракрасный. Например, в некоторых применениях, связанных с садоводством/овощеводством могут быть желательны также и ИК компоненты.

Далее, как будет ясно для специалистов в данной области, термин "краситель" может относиться также к множеству красителей, два или более из которых поглощают и/или излучают в разных диапазонах длин волн. Таким образом может быть создан оптимизированный спектр поглощения и/или излучения. В конкретном варианте исполнения два или более подмножеств общего количества криволинейных структур составляют соответственно два или более различных красителей.

Существует почти неограниченный ассортимент органических люминесцентных материалов или красителей. Релевантными примерами являются перилены (такие как красители известные под своими торговыми марками Lumogen от компании BASF, Ludwigshafen, Германия (Lumogen F240 оранжевый, Lumogen F300 красный, Lumogen F305 красный, Lumogen F083 желтый, Lumogen F170 желтый, Lumogen F850 зеленый), Yellow 172 от компании Neelocon Food Dyes & Chemical Ltd., Mumbai, Индия, и красители, такие как кумарины (например, Coumarin 6, Coumarin 7, Coumarin 30, Coumarin 153, Basic Yellow 51), нафталимиды (например, Solvent Yellow 11, Solvent Yellow 116), Fluorol 7GA, пиридины (например, Pyridine 1), пирометены (такие как Pyrromethene 546, Pyrromethene 567), уранин, родамины (например, Rhodamine 110, Rhodamine В, Rhodamine 6G, Rhodamine 3B, Rhodamine 101, Sulphorhodamine 101, Sulphorhodamine 640, Basic Violet 11, Basic Red 2), цианины (например, фталоцианин, DCM), стилбены (например, Bis-MSB, DPS), имеющиеся на рынке от многих поставщиков. Несколько других красителей, таких как кислотные красители, основные красители, прямые красители и дисперсионные красители также могут быть использованы, если они демонстрируют достаточно высокий квантовый выход люминесценции для предполагаемого использования. Представляющие специальный интерес органические материалы, которые могут быть применимы, содержат, например, BASF Lumogen 850 для зеленой люминесценции, BASF Lumogen F083 или F170 для желтой люминесценции, BASF Lumogen F240 для оранжевой люминесценции и BASF Lumogen F30 или F305 для красной люминесценции. Необязательно, для освещения во время отсутствия (достаточного) дневного света может быть применен краситель, содержащий фосфоресцирующие красители, которые имеют большое время затухания, такое как несколько часов.

Термин "белый свет" специалистам в данной области известен. Он относится, главным образом, к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру (ССТ) от около 2000 до 20000 К, предпочтительно 2700-20000 К, для общего освещения предпочтительно в диапазоне от около 2700 до 6500 К, а также в целях задней подсветки предпочтительно в диапазоне от около 7000 до 20000 К и предпочтительно внутри примерно 15 СОЦС (стандартное отклонение цветового соответствия (SDCM)) от точки черного тела (BBL), предпочтительно внутри примерно 10 СОЦС от точки черного тела и еще более предпочтительно внутри примерно 5 СОЦС от точки черного тела.

Термины "фиолетовый цвет" или "фиолетовое излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 380-440 нм. Термины "синий цвет" или "синее излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 440-490 нм (включая некоторые оттенки фиолетового и голубого). Термины "зеленый цвет" или "зеленое излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 490-560 нм. Термины "желтый цвет" или "желтое излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 560-590 нм. Термины "оранжевый цвет" или "оранжевое излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 590-620 нм. Термины "красный цвет" или "красное излучение" относятся, в частности, к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 620-750 нм, более точно 620-650 нм. Термины "видимый", "видимый свет" или "видимое излучение" относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне около 380-750 нм. Термин "ИК" (инфракрасный) может относиться, в частности, к диапазону около 750-3000 нм, более точно к диапазону около 750-1100 нм.

При использовании солнечного элемента (солнечных элементов) (для приема собранного света от коллектора света) краситель или красители могут быть оптимизированы, чтобы обеспечить люминесцентный спектр, который специально адаптирован к чувствительности длин волн солнечного элемента (солнечных элементов).

Как указывалось выше, источник света не является частью основных вариантов исполнения изобретения. Устройство коллектора света используется специально для того, чтобы собирать (и по меньшей мере частично преобразовывать) солнечный свет. Следовательно, в одном варианте исполнения термин "источник света" может относиться к Солнцу. Однако необязательно один или более искусственных источников света могут применяться для сбора (и преобразования) света от них.

В одном варианте исполнения (см. также ниже) собирается солнечный свет, и устройство коллектора света используется в качестве осветительного блока. В этом варианте исполнения в это осветительное устройство необязательно могут быть также интегрированы один или более искусственных источников света. Свет от этих искусственных источников света необязательно может быть собран устройством коллектора света, но в другом варианте исполнения он может быть использован в качестве вспомогательного источника света без того, чтобы упомянутый свет собирать и/или преобразовывать. Возможны также комбинации таких вариантов исполнения.

Кривизна и толщина световода криволинейных структур специально выбраны таким образом, чтобы обеспечивать хороший ввод света и полное внутреннее отражение. Оказывается, что криволинейные структуры, которые вогнуты (при контакте вогнутой части с воздухом или с другим газом) и с выпуклой частью в качестве поверхности приема света и которые являются относительно тонкими, имеют хорошие свойства с точки зрения внутреннего отражения и преобразования посредством красителя. В частности, толщина световода выбирается из диапазона 0,5-50 мм, даже более предпочтительно из диапазона 0,5-10 мм, такого как 1-5 мм.

Аспект преобразования света в прозрачной системе (например, люминесцентном красителе, растворенном в полиметилметакрилате (РММА) или в полиэтилентерефталате (РЕТ), см. выше) основан на наблюдении того, что сгенерированное в материале (изотропное) излучение света в значительной своей части является уловленным. В случае люминесцентного полимера прямоугольной формы полезная доля сгенерированного света есть (см. также фиг. 1а)

что составляет 76,4% (то есть 23,6% света улавливается в материале). В формулах 1-5 asin означает арксинус. В случае люминесценции в геометрии в форме диска (см. фиг. 1b) полезная доля есть

что составляет 92,1% (7,9% света улавливается). То есть диск гораздо более эффективен, чем люминесцентный полимер прямоугольной формы.

И прямоугольная пластина, и диск демонстрируют высокую долю света, испускаемого через края. Для прямоугольной пластины доля света, высвобожденного из краев, есть 2/3=66,7% от общего количества испущенного света. В случае геометрии в форме диска краевая доля есть

что обеспечивает выход 72,3% от общего количества испущенного света.

Использование светопроницаемых люминесцентных пленок на основе красителя для преобразования света, в общем, совершенно неэффективно, потому что большая часть света идет к краям (генерируя большой оптический путь и, следовательно, высокие потери).

Аспект изобретения состоит в том, чтобы использовать, в частности, "краевой свет" и генерировать листовой оптический компонент, излучающий свет большей частью только в одном направлении ("вниз"). При преобразовании диска, например, в полусферическую форму (см., например, фиг. 1е), специально имеющую относительно тонкие стенки, доля света, направленного вниз, оценивается как составляющая

Это обеспечивает выход 79,3% от общего количества света, сгенерированного в полусферической чашке. Отношение потока света, направленного вниз, к общему излученному потоку может быть оценено по формуле

Отношение потока света, направленного вниз, к общему потоку есть 0,86. Для эффективного использования этой трехмерной формы принимается, что толщина d стенки световода мала по сравнению с внешним радиусом R. Это обеспечивает проведение сгенерированного света в направлении краев (предпочтительно d/R<0,25). Количество уловленного света уменьшено посредством изготовления краев шероховатыми. Следовательно, отношение «поток, направленный вниз/общий поток» (слегка) возрастает до 0,87. На фиг. 1а и 1b поток, направленный вниз, указан как Ф. В формуле (5) Ф_total есть общий люминесцентный поток (лм), а Ф_down есть люминесцентный поток, направленный вниз (лм).

Другой аспект изобретения состоит в том, что сгенерированный свет является высокодиффузным (в отличие от высоконаправленного света от Солнца). В теплицах диффузный свет более эффективен для роста растений, чем прямой (направляемый) свет от Солнца. (Непреобразованный входящий свет тоже в некоторой степени является расходящимся и рассеянным). Основываясь на описанных принципах, можно сконструировать несколько практических форм для использования в качестве эффективного и дешевого преобразователя света для использования, например, в теплицах.

Предположим, есть сферическая структура чашки, а именно полусферическая криволинейная структура, при этом площадь поверхности S верхней половины может быть определена по уравнению (6)

Для сплюснутой полусферической криволинейной структуры a=b=1; c<1; для вытянутой полусферической криволинейной структуры, такой как сферическая чашка, a=b=1; c>1. Параметры a, b и c указаны на фиг. 1k. Для проведения вычислений a и b нормализованы на 1, а с варьируется. Постоянная р может быть использована для широкого диапазона величин a, b и c. Для с=1 (сфера) S=6,3; для с=0,2 (сплюснутый сфероид) S=3,5; для с=5 (вытянутый сфероид) S=25.

Следовательно, в конкретном варианте исполнения каждая криволинейная структура, особенно каждая сферическая чашка, такая как полусферическая структура, имеет радиус (R) плоскости основания, при этом выпуклая криволинейная часть, имеющая упомянутый радиус (R) плоскости основания, имеет площадь (S) поверхности криволинейной структуры, при этом кривизна выпуклой криволинейной части имеет нормализованную площадь в диапазоне 2,5≤S/R²≤30 и имеет толщину (d) световода, которая выбрана из диапазона 0,5-50 мм. Более предпочтительно каждая криволинейная структура (10) имеет радиус (R) плоскости основания, при этом криволинейная структура (10) имеет форму сферической чашки и при этом выпуклая криволинейная часть (11), имеющая упомянутый радиус (R) плоскости основания, имеет площадь (S) поверхности криволинейной структуры, при этом кривизна выпуклой криволинейной части имеет нормализованную площадь в диапазоне 2,5≤S/R²≤30 и имеет толщину (d) световода, которая выбрана из диапазона 0,5-50 мм. Это может быть особенно применимо к полусферическим чашкам или куполам.

Особенно хорошие результаты, по-видимому, могут получиться в тех вариантах исполнения, в которых отношение толщины световода к радиусу плоскости основания (d/R) равно 0,001≤d/R≤0,25. Кроме того, оказывается, что хорошие устройства коллектора света могут быть получены тогда, когда множество криволинейных структур имеет радиус (R) плоскости основания, выбранный из диапазона 0,25-100 мм, и при этом выпуклая криволинейная часть, имеющая упомянутый радиус (R) плоскости основания, имеет площадь (S) поверхности криволинейной структуры в диапазоне 10 мм²-0,3 м². Это может быть особенно применимо к полусферическим криволинейным структурам. В том случае, когда криволинейная структура имеет некруговое поперечное сечение (то есть R плоскости основания варьируется), для получения среднего значения R радиусы усредняются. Упомянутое среднее значение может быть использовано при определенных здесь условиях, таких что радиус плоскости основания (d/R) составляет 0,001≤d/R≤0,25. В том случае, когда криволинейная структура не является сферической насадкой, такой как полусфера, в качестве радиуса кривизны можно использовать R.

Далее, как правило, по меньшей мере 20% площади поверхности выпуклых криволинейных частей имеют локальную кривизну 0,2<κR<5, где κ - локальная кривизна аппроксимирующего круга в плоскости поперечного сечения выпуклой криволинейной части, описывающего локальную кривизну, R - радиус плоскости основания (см. также ниже). Как правило, по меньшей мере 30% площади поверхности выпуклых криволинейных частей имеют такую локальную кривизну как 20-90%, как 30-70%.

Криволинейные структуры предпочтительно могут иметь высокую симметрию. Однако могут использоваться также и деформированные криволинейные структуры, подобные полусферической криволинейной структуре, которая является удлиненной (например, сферическая чашка, такая как полусферическая структура с a≠b). В таком случае R может быть выбран как средняя величина (средний радиус). Кроме того, необязательно могут быть применимы также и части или секции конкретных криволинейных структур. Следовательно, ниже указано также, что могут быть применимы и сегменты. В одном варианте исполнения это относится к части (то есть не к целому) такой конкретной криволинейной структуры, которая может быть использована, такой как часть, подобная треугольной части. Однако в другом варианте исполнения термин "сегмент" может также относиться к полной конкретной структуре, такой как полный полукупол или полная полусферическая криволинейная структура. Поскольку криволинейные структуры имеют выпуклую и вогнутую часть, то термин "сферическая чашка" относится конкретно к чашке полой сферы.

Таким образом, сторона приема света или поверхность устройства коллектора света может содержать криволинейные структуры, которые, когда воспринимаются наблюдателем со стороны приема света, являются выпуклыми. Аналогично сторона выхода света может, таким образом, может содержать криволинейные структуры, которые, когда воспринимаются наблюдателем со стороны приема света, являются вогнутыми.

Таким образом, площадь поверхности стороны приема света есть результат суммирования поверхностей площадей поверхности выпуклых криволинейных структур и необязательной промежуточной площади поверхности. Как правило, 20-95%, более конкретно 30-95% площади поверхности стороны приема света покрыты выпуклыми криволинейными структурами. Следовательно, предпочтительно, чтобы по меньшей мере 20% площади поверхности было криволинейной, и более предпочтительно, чтобы она имела указанную здесь кривизну (как выраженная в варианте исполнения в виде нормализованной площади).

Как уже указывалось выше, криволинейные структуры могут быть воронкообразными структурами. Следовательно, в одном варианте исполнения криволинейные структуры имеют форму сегментов двухмерных криволинейных воронок с большими первыми отверстиями со стороны приема света и с меньшими вторыми отверстиями со стороны выхода света. В одном конкретном варианте исполнения криволинейные структуры имеют форму двухмерных криволинейных воронок с большими первыми отверстиями со стороны приема света и с меньшими вторыми отверстиями со стороны выхода света.

Здесь термин "двухмерные криволинейные" воронки применяется для того, чтобы указать, что радиус воронки по оси воронки не уменьшается (или увеличивается) линейно, а увеличивается нелинейно, чтобы обеспечить выпуклую криволинейную часть. Следовательно, на видах поперечных сечений, перпендикулярных (продольной) оси воронки (что само по себе и должно быть случаем воронки), воронка является криволинейной, и на этих видах поперечных сечений, как правило, будут присутствовать круги. Однако и на видах сечений, параллельных (продольной) оси воронки, будут присутствовать криволинейные структуры с выпуклыми частями на стороне приема света и с вогнутыми частями на стороне выхода света. Вообще, сужающаяся структура имеет большее отверстие на одной стороне и сужается к меньшему отверстию. Здесь сужение является нелинейным (двухмерным криволинейным).

Воронки в устройстве коллектора света или на его стороне приема света могут быть видны как впадины с большими отверстиями со стороны приема света и с меньшими отверстиями со стороны выхода света.

Необязательно эти отверстия отсутствуют, и сквозного канала нет. Следовательно, изобретение обеспечивает также вариант исполнения устройства коллектора света, в котором криволинейные структуры имеют форму сегментов двухмерных криволинейных впадин с большими первыми отверстиями со стороны приема света и с закрытым вытянутым концом, содержащим краевую часть выхода света на стороне выхода света. В одном конкретном варианте исполнения криволинейные структуры представляют собой двухмерные криволинейные впадины с большими первыми отверстиями со стороны приема света и с закрытым вытянутым концом, содержащим краевую часть выхода света на стороне выхода света. Такие воронки могут указываться как закрытые воронки с сужающимся концом. Углубление, вообще, имеет большее отверстие на одной стороне и сужается к меньшей части, которая закрыта. Если бы сужающийся конец был отверстием, такое углубление называлось бы здесь "воронкой".

Как указывалось выше, вместо воронкообразных (включающих в себя такие структуры, как в форме углубления) криволинейных структур или в дополнение к ним в одном варианте исполнения криволинейные структуры имеют форму сегментов полых сферических чашек с выпуклыми криволинейными частями на стороне приема света и с вогнутыми частями на стороне выхода света. В одном конкретном варианте исполнения криволинейные структуры являются полыми сферическими чашками с выпуклыми криволинейными частями на стороне приема света и с вогнутыми частями на стороне выхода света. Заметим, что сегменты полой сферической чашки могут быть половинными сферами (здесь указываемые также как "полусферические криволинейные структуры"). В геометрии сферическая чашка есть участок сферы, отрезанный плоскостью. Если эта плоскость проходит через центр сферы, то тогда высота чашки равна радиусу сферы, и эта сферическая чашка называется полусферой. Следовательно, в одном варианте исполнения одна или более сферических чашек, в частности, все из сферических чашек устройства коллектора света являются полусферическими.

В еще одном варианте исполнения криволинейные структуры имеют форму сегментов выпуклых желобков с выпуклыми частями на стороне приема света и с вогнутыми частями на стороне выхода света. В одном конкретном варианте исполнения криволинейные структуры являются выпуклыми желобками с выпуклыми частями на стороне приема света и с вогнутыми частями со стороны выхода света. Таким образом может быть получен вид рифленой структуры. В частности, расстояние между двумя соседними выпуклыми желобками мало, в частности, на дне они могут касаться друг друга или даже могут иметь общую нижнюю поверхность.

Как указывалось выше, устройство коллектора света может содержать различные типы криволинейных структур.

В одном варианте исполнения отдельные сферические чашки, такие как полусферы, взаимосвязаны, например, посредством очень тонкого прозрачного листа. Подобным же образом, это может быть применимо и к выпуклым желобкам.

В еще одном конкретном варианте исполнения, который может относиться к любому из вышеупомянутых вариантов исполнения, но в частности к вариантам исполнения полусферических криволинейных структур (включая сферические части), устройство коллектора света содержит первые криволинейные структуры и вторые криволинейные структуры, при этом первые криволинейные структуры заключают в себе вторые криволинейные структуры, и при этом краситель в волноводном материале первых криволинейных структур отличается от красителя в волноводном материале вторых криволинейных структур. Первая криволинейная структура может быть выполнена с возможностью прохождения по меньшей мере часть света источника света. Этот непоглощенный свет затем может быть по меньшей мере частично поглощен посредством второй криволинейной структуры, которая заключает в себе вторую криволинейную структуру.

Здесь указано, что устройство коллектора света является подобным листу. Следовательно, устройство коллектора света может иметь по существу форму листа, хотя выпуклые части с одной стороны и вогнутые части с другой стороны могут выступать из воображаемой гладкой плоскости.

Термин "подобный листу" может обозначать, в основном, непрерывный слой с большей длиной и шириной, чем высотой. Особенностью является то, что высота, включающая в себя криволинейные структуры устройства коллектора света, составляет порядка 1-100 мм, а именно 2-50 мм. Как длина, так и ширина устройства коллектора света могут например быть в диапазоне 10 см - 20 м; при этом площадь устройства коллектора света, определенная как l×w (длина × ширина) находится в диапазоне 0,01-50 м², а именно 0,2-20 м². В подобном листу устройстве коллектора света сторона приема света и сторона выхода света скомпонованы одна напротив другой. На стороне выхода света выполнены части выхода света.

Устройство коллектора света может быть применимо во всех видах устройств и, в частности, может быть использовано во всех видах применений, в частности благодаря его эффективному захвату света, преобразованию света и выводу света. Свет от источника света, такого как Солнце, собирается устройством коллектора света на стороне приема света и покидает (по меньшей мере частично в виде преобразованного света) сторону выхода света через части выхода света. Таким образом, свет внутри световода по меньшей мере частично испускается из краев криволинейные структуры, то есть (на) стороне выхода света. Преимущественный аспект криволинейных структур состоит в том, что краевая поверхность минимизирована, и по существу вся краевая поверхность имеет функцию краевой части выхода света. При использовании собранный свет источника света и/или преобразованный свет источника света, таким образом, могут исходить из частей выхода света (на стороне выхода света).

Например, устройство коллектора света может быть использовано в солнечном устройстве. Следовательно, в следующем аспекте изобретение обеспечивает солнечное устройство, содержащее устройство коллектора света, как оно здесь определено, и солнечный элемент, при этом солнечный элемент выполнен с возможностью приема света, испускаемого из краевой части выхода света.

В еще одном аспекте изобретение обеспечивает теплицу, содержащую устройство коллектора света, как оно здесь определено, при этом устройство коллектора выполнено с возможностью обеспечения света через краевые части выхода света в теплицу.

Еще в одном аспекте изобретение обеспечивает осветительный блок, содержащий устройство коллектора света, как оно здесь определено, множество источников света и необязательно пластину диффузора, при этом источники света выполнены с возможностью обеспечения света источника света на сторону приема света, и при этом необязательная пластина диффузора выполнена между множеством источников света и устройством коллектора света.

Важной областью применения устройства коллектора света являются теплицы. Стены и/или крыши теплицы могут быть покрыты посредством изобретенного листа. Устройство коллектора света может быть расположено также в теплице в промежуточном положении (не связанным непосредственно со стеклом). Устройство коллектора света может также быть (одномерно) криволинейным, например цилиндрической формы. Растения могут быть помещены в этот цилиндр. Устройство коллектора света может также быть использовано в "открытом поле" в виде листа, помещенного непосредственно на растения. В этом примере в фольгу могут быть также инкорпорированы УФ блокирующие агенты (и/или красители, преобразующие УФ свет в видимый и/или в ИК свет), для того чтобы защищать урожай от слишком большого количества вредного УФ. Изобретенное устройство коллектора света может также быть использовано в комбинации с синими или белыми (с фосфорным преобразованием) светоизлучающими диодами в светильниках для садоводческого/овощеводческого или общего освещения. Структура устройства коллектора света может благоприятно избегать использования рассеивающих пигментов и представляет собой эффективный способ преобразовывать свет. Устройство коллектора света может также иметь дополнительные очень интересные декоративные свойства при использовании в осветительных применениях для больших площадей (освещение офисов, школ, мест розничной торговли).

Используемый здесь термин "по существу", такой как в выражении "по существу все излучение" или в выражении "заключается по существу", специалистам в данной области будет понятен. Термин "по существу" может также включать в себя варианты исполнения с "целиком", "полностью", "все" и т.д. Следовательно, в вариантах исполнения прилагательное по существу также может быть удалено. Там, где это применимо, термин "по существу" может относиться к 90% или более, как, например, 95% или более, или даже 99% или более, и даже 99,5% или более, включая 100%. Термин "содержит" включает в себя также варианты исполнения, в которых термин "содержит" означает "состоит из".

Далее, термины "первый", "второй", "третий" и т.п. в описании и в формуле изобретения используются для различения подобных элементов, а не обязательно для указания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что используемые таким образом термины при определенных обстоятельствах являются взаимозаменяемыми, и что описанные здесь варианты исполнения изобретения способны работать в иных последовательностях, чем описано или проиллюстрировано здесь.

Приведенные здесь устройства описаны вместе с другими во время работы. Как будет ясно специалистам в данной области, изобретение не ограничено способами работы или работающими устройствами.

Следует заметить, что вышеприведенные варианты исполнения скорее иллюстрируют, чем ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области смогут спроектировать много альтернативных вариантов исполнения, не выходя за рамки приложенной формулы изобретения. В формуле указанные в скобках любые ссылочные обозначения не должны истолковываться как ограничивающие конкретный пункт формулы. Использование глагола "содержать" и форм его спряжений не исключает присутствия элементов или этапов, отличных от тех, которые указаны в пункте формулы. Предшествующие элементу признаки единственного числа не исключают присутствия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, а также посредством должным образом запрограммированного компьютера. В пункте формулы изобретения, перечисляющим некоторые средства, некоторые из этих средств могут быть воплощены в одной и той же детали аппаратных средств. Тот простой факт, что некоторые меры упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что для получения положительного эффекта не может быть использована комбинация этих мер.

Изобретение дополнительно применимо к устройству, содержащему один или более отличительных признаков, описанных в описании и/или продемонстрированных в присоединенных чертежах.

Различные аспекты, обсуждаемые в настоящем патенте, могут быть скомбинированы для того, чтобы обеспечить дополнительные преимущества. Более того, некоторые из признаков могут образовать основу для одной или более выделенных патентных заявок.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь посредством только примеров будут описаны варианты исполнения изобретения со ссылками на сопроводительные схематичные чертежи, в которых соответствующие ссылочные обозначения указывают соответствующие части и в которых:

фиг. 1а-1l схематично изображают некоторые принципы, аспекты и варианты исполнения изобретения;

фиг. 2а-2l схематично изображают некоторые варианты исполнения;

фиг. 3а-3с далее схематично изображают некоторые аспекты изобретения;

фиг. 4 показывает графики эффективности в зависимости от величины (1- d/R); и

фиг. 5а-5h схематично изображают некоторые применения устройства коллектора света, как они здесь описаны.

Чертежи 1а-3с и 4-5h не обязательно выполнены в масштабе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Фиг. 1а-1l схематично изображают соответственно прозрачный люминесцентный полимер прямоугольной формы и люминесцентный полимер в форме диска. Сторона приема света ссылочной поз. 1010, а сторона выхода света указана ссылочной поз. 1020. Свет, такой как солнечный свет, указан ссылочной поз. 70. Часть света может испускаться из краев, а часть света может испускаться из краевой части 1020 выхода света. Первая обозначена буквой Е, а последняя (часть) обозначена здесь символом Ф.

В случае люминесцентного полимера прямоугольной формы (см. фиг. 1а) полезная доля от общего количества сгенерированного света составляет 76,4% (то есть 23,6% света "улавливается" в материале). В случае люминесценции в геометрии в форме диска (см. фиг. 1b) полезная доля составляет 92,1% (7,9% света "улавливается"). Следовательно, диск гораздо более эффективен, чем люминесцентный полимер прямоугольной формы.

Как прямоугольная пластина, так и диск демонстрируют высокую долю света, испускаемого через края Е. Для прямоугольной пластины доля света, высвобожденного из краев, есть 2/3=66,7% от общего количества испущенного света. В случае геометрии в форме диска краевая доля (Е) есть 72,3% от общего количества испущенного света.

Посредством преобразования диска, например, в полусферическую форму, имеющую относительно тонкие стенки (насадки, см., фиг. 1с-1е), доля света, направленного вниз, равна 79,3% от общего количества света, сгенерированного в полусферической насадке. Отношение потока света, направленного вниз, к общему излученному потоку может быть равно 0,86. Для эффективного использования упомянутой трехмерной формы принимается, что толщина d стенки световода мала по сравнению с внешним радиусом R. Это обеспечивает проведение сгенерированного света в направлении краев (предпочтительно d/R<0,25). Необязательно, количество "уловленного" света уменьшено посредством изготовления краев шероховатыми. Следовательно, отношение «поток, направленный вниз/общий поток» (слегка) возрастает до 0,87.

Фиг. 1а-1с схематично изображают вариант исполнения устройства 100 коллектора света, содержащего сторону 1010 приема света и сторону 1020 выхода света. Устройство 100 коллектора света дополнительно содержит множество криволинейных структур 10 (на стороне 1010 приема света) световодного материала 20. Упомянутый световодный материал 20 содержит органический краситель, выполненный с возможностью поглощения по меньшей мере части света источника света и преобразования по меньшей мере части поглощенного света в свет видимого и ИК-диапазона. Каждая криволинейная структура 10 имеет выпуклую криволинейную часть 11 на стороне 1010 приема света. Упомянутая выпуклая криволинейная часть 11 специально выполнена с возможностью приема света (70) от упомянутого источника света и выполнена с возможностью ввода света источника света в криволинейную структуру. Кроме того, каждая криволинейная структура 11 на стороне 1020 выхода света содержит краевую часть 13 выхода света. Каждая криволинейная структура 10 имеет кривизну и толщину d стенки световода, выполненную с возможностью облегчения передачи выведенного света и света, преобразованного в видимый волновой диапазон, в направлении краевой части 13 выхода света, чтобы обеспечить испускание света устройства из краевой части 13 выхода света.

Фиг. 1с, 1d схематично изображают варианты исполнения, в которых криволинейные структуры 10 содержат сферические чашки, которые обозначены ссылочной поз. 1051. Фиг. 1d демонстрирует сферические чашки в форме полусферических структур. Заметим, что на фиг. 1d криволинейные структуры находятся в физическом контакте одна с другой, как могло бы быть в случае шестиугольной или кубической (см. фиг. 1с) плотной упаковки. Альтернативно или дополнительно отдельные сферические чашки, такие как полусферы, взаимосвязаны, например, посредством (очень тонкого) прозрачного листа (см. также фиг. 3а-3с), здесь указанного как донная пластина.

Как ясно из этих и других чертежей, сторона 1010 приема света и сторона 1020 выхода света являются двумя противоположными сторонами подобного листу устройства 100 коллектора. Первая содержит выпуклые части; последняя содержит вогнутые части и необязательно дополнительный прозрачный лист (донную пластину).

Ссылочная поз. S относится к поверхности выпуклой криволинейной части соответствующей криволинейной структуры 10. Ссылочная поз. Sp относится к общей площади поверхности стороны 1010 приема света, то есть к сумме общей площади поверхности криволинейных структур (ΣS_i, где i обозначает соответствующие сферы) и общей площади поверхности стороны приема света 1010 между криволинейными структурами. Предпочтительно по меньшей мере 20%, более предпочтительно по меньшей мере 30% поверхности является криволинейной. Ссылочная поз. R относится к радиусу плоскости основания криволинейной структуры 10, то есть это радиус выпуклой криволинейной части 11; ссылочная поз. R1 относится к радиусу плоскости основания вогнутой криволинейной части 12. Первый используется для определения требуемого диапазона нормализованной площади, который составляет 2,5≤S/R²≤30.

Ссылочная поз. 70 относится к свету внешнего источника, такому как солнечный свет; ссылочная поз. 71 относится к источнику света введенного света, таким образом к внутренности световодного материала, и ссылочная поз. 72 относится к источнику света выведенного света на стороне 1020 выхода света. Свет, исходящий из стороны 1020 выхода света, обозначен также буквой Ф (см. также выше). Ссылочная поз. 200 относится к плоскости устройства коллектора света. Относительно упомянутой плоскости 200 криволинейные структуры 10 могут выступать или заглубляться (например, в случае воронок).

Фиг. le схематично более подробно изображает вариант исполнения криволинейной структуры 10 в качестве сферической чашки. Сферическая чашка обозначена ссылочной поз. 1051. Толщина световода обозначена ссылочной поз. "d". В частности, отношение толщины d световода к радиусу плоскости основания (d/R) равно 0,001≤d/R≤0,25. Сферическая чашка есть чашка полой сферы, имеющей внешний радиус R и внутренний радиус Ri, который равен R-d.

Фиг. lf использована, чтобы описать кривизну выпуклой криволинейной поверхности. Чтобы описать кривизну, в качестве модели использован эллипс. Эллипс описывается уравнениями

x=Cos(t)

y=cSin(t)

Круг использован в качестве оскулирующего круга. Параметры а (вдоль оси х) и b (вдоль оси z, вне плоскости чертежа; не показана) выбраны равными 1. Вершина эллипса находится в t=π/2; нижняя поверхность круга находится в t=0. Локальная кривизна, обозначенная κ, определяется как

Этот параметр, таким образом, определяет отношение 1/радиус оскулирующего круга (этот радиус на фиг. lf указан как r). Для круга (с=1), для относительно гладкого эллипса (с=0,2) и для относительно высокого эллипса (с=5) получаются следующие величины для локальной кривизны κ

для с=1 (круг): κ=1 (t=π/2);

для с=0,2: κ=0,2 (t=π/2);

для с=5: κ=5 (t=π/2).

Следовательно, из этих величин вытекает, что локальная кривизна выпуклой криволинейной поверхности предпочтительно составляет

0,2<κR<5.

По этим данным может быть определена предпочтительная толщина световода как нормализованная толщина, нормализованная относительно радиуса на нижней поверхности

d/R<0,25.

В частности, отношение толщины d световода к радиусу R плоскости основания (d/R) есть 0,001≤d/R≤0,25.

Фиг. 1g-1j схематично изображают варианты исполнения криволинейных структур 10. Эти криволинейные структуры изображены посредством сечения и могли бы, например, быть сечениям криволинейных структур идентичных или подобных устройств 100 коллектора света, какие схематично изображены на фиг. 2а-3с. Это становится особенно ясно, когда устройства 100 коллектора света схематично изображены в сечении, таком как на фиг. 2c, 2f, 2i, 2j и 3а. Например, при сравнении фиг. 1g с фиг. 2c, 2f, 2i, 2j и 3а, фиг. 1g могла бы отражать как части криволинейных частей двух соседних криволинейных структур 10 (см. фиг. 2j и 3а), так и отражать структуры, подобные углублениям (см. фиг. 2а-2i).

Таким образом, фиг. 1g могла бы отражать как части криволинейных частей двух соседних криволинейных структур 10, так и отражать структуры, подобные углублениям (см. выше и далее), поскольку упомянутые две криволинейные структуры могут представлять собой сечения двух соседних воронок, а также двух соседних сферических (полусферических) чашек. Заметим, что для каждой части криволинейной структуры могут быть найдены величины R и d. Далее, для полной криволинейной структуры 10 или ее сегментов может быть определена площадь S поверхности (см. также ниже).

Фиг. 1h-1j схематично изображают варианты исполнения, в которых углубления или сферические чашки имеют по краям удлинения или удлиненные края. Эти удлинения могут иметь сужающуюся структуру (см. фиг. 1i) или расширяющуюся структуру (см. фиг. 1j). В первом варианте исполнения величина d на краевой части выхода света уменьшается, в последнем величина d увеличивается.

Фиг. 1g-1j включают себя необязательную возможность наличия физического отверстия, указанного здесь как второе отверстие 1552, как это может быть видно также в вариантах исполнения по фиг. 2а-2f. Однако такие отверстия могут и отсутствовать, как это схематично изображено на фиг. 2j, 2i, и/или могут быть закрыты прозрачной донной пластиной (см. также фиг. 3а-3с).

Полагая наличие углублений, таких как воронки, верхнее отверстие или первое отверстие указано ссылочной поз. 1551. Второе отверстие имеет внутренний диаметр, указанный ссылочной поз. d2, а внешний радиус указан посредством R2.

При этом заметим, что за исключением необязательного защитного слоя, поверх выпуклых криволинейных частей нет никакой физической структуры. Это обладающая преимуществом криволинейная структура, которая обеспечивает эффективный ввод света источника света, такого как Солнце.

Фиг. 1k приведена, чтобы дополнительно проиллюстрировать параметры в формуле для вычисления поверхности поверхностей чашки (см. выше).

Фиг. 1l демонстрирует, что локальные кривизны в принципе могут быть вычислены для любой произвольный структуры посредством выполнения ее поперечного сечения, такого как на фиг. 1d, а также на фиг. 1g. Для по меньшей мере 20%, более конкретно по меньшей мере 30%, площади поверхности выпуклой криволинейной части 11 эти полученные величины должны находиться в пределах диапазона 0,2<κR<5.

Фиг. 2а-2i схематично изображают некоторые варианты исполнения с углублениями в устройстве коллектора света, с первым отверстием 1551 на стороне 1010 приема света и с сужением углубления в направлении стороны 102 выхода света. Расстояние между соседними воронками 1052 как расстояние от середины до середины указано ссылочной поз. d1. Углубления на фиг. 2а-2f могут быть также указаны как воронки или сифоны (криволинейный элемент в форме сифона); те, которые на фиг. 1g, также могут быть указаны как воронки или сифоны (криволинейный элемент в форме сифона), закрытые на сужающемся конце.

И длина l, и ширина w устройства 100 коллектора света (как, например, указано на фиг. 1с, 2а-2i и 3а-3с), обе они могут быть, например, в диапазоне от 2 см до 20 м, при этом площадь устройства коллектора света, определенная как l×w, находится в диапазоне 4 см²-50 м², такая как 0,01-20 м². Большие блоки могут быть обеспечены как единые блоки или как компоновка или сборка меньших (под)блоков.

На фиг. 2а-2с углубления являются воронками, которые указаны ссылочной поз. 1052. На фиг. 2а устройство 100 коллектора света видно со стороны 1010 приема света, на фиг. 2b устройство 100 коллектора света видно со стороны 1020 выхода света, а на фиг. 2с схематично изображен вид в разрезе устройства 100 коллектора света по фиг. 2а-2b в сечении. Воронки 1052 скомпонованы в (неплотную кубическую) упаковку.

На фиг. 2с высота устройства 100 коллектора света указана ссылкой h. В частности, высота устройства коллектора света, включающая в себя криволинейные структуры (но исключая возможные другие слои), составляет порядка 1-100 мм, такая как 2-50 мм. Эти высоты относятся также и к устройствам другого типа, таким как устройства 100 коллектора света на основе закрытых воронок с сужающимся концом или на основе сферической чашки. В том случае, когда криволинейная структура не является сферической насадкой, такой как воронки по фиг. 2а-2с, радиус кривизны может быть использован в качестве R. Площадь поверхности может быть проинтегрирована по выпуклой криволинейной части 11, а R может быть оценен как средняя величина для каждого сечения выпуклой криволинейной части 11.

Фиг. 2d-2e схематично изображают варианты исполнения, подобные тем, которые схематично изображены на фиг. 2а-2с, однако воронки 1052 теперь скомпонованы в плотную шестиугольную упаковку.

Фиг. 2d-2e схематично изображают варианты исполнения, подобные тем, которые схематично изображены на фиг. 2а-2с, однако теперь изображены воронки, которые на сужающемся конце закрыты. В этом случае криволинейные структуры 10 имеют форму двухмерных криволинейных углублений с большими первыми отверстиями 1551 на стороне 1010 приема света и с закрытыми вытянутыми концами 1553, содержащими краевую часть 13 выхода света на стороне 1020 выхода света. Эти воронки показаны как сужающиеся воронки 1053 с закрытыми концами. Далее, воронки 1053 (с закрытыми сужающимися концами) скомпонованы в (неплотную) кубическую упаковку.

Фиг. 2j-2l схематично изображают криволинейные структуры 10, имеющие форму выпуклых желобков 1054 с выпуклыми частями 11 на стороне 1010 приема света и с вогнутыми частями 12 на стороне 1020 выхода света. При этом криволинейные структуры 10 выполнены с возможностью физического контакта с соседними криволинейными структурами 10. На фиг. 2j устройство коллектора света 100 показано на виде поперечного сечения, на фиг. 2k устройство 100 коллектора света видно на свету со стороны 1010 приема света, а на фиг. 2l устройство коллектора света видно со стороны 1020 выхода света устройства 100 и коллектора света (то есть "со стороны дна").

Посредством примера фиг. 2j-2l схематично изображают применение 2000, здесь солнечное устройство 2200, которое дополнительно содержит солнечные элементы 300, которые выполнены с возможностью приема света испускаемого от краевых частей 13 выхода света. Таким образом, упомянутые солнечные элементы 300 могут быть радиационно связаны с краевыми частями 13 выхода света. Однако, например, для других применений, отличных от концентрации солнечного света, с прозрачной донной пластиной вместо солнечных элементов 300 бы могли быть также соединены упомянутые выпуклые желобки.

Здесь термин "радиационно связаны" означает, главным образом, что краевая часть выхода света и другая часть (части), такая как солнечный элемент (элементы) здесь, ассоциированы одна с другой таким образом, что по меньшей мере часть радиации, излученной посредством краевой части (частей) выхода света устройства коллектора света, принимается другой частью (частями).

Фиг. 3а-3с схематично изображают вариант исполнения устройства 100 коллектора света, в котором криволинейные структуры 10 имеют форму полых сферических чашек, указанных ссылочной поз. 1051, с выпуклыми криволинейными частями 11 на стороне 1010 приема света и с вогнутыми частями 1020 на стороне 102 выхода света. На фиг. 3а устройство 100 коллектора света видно на виде сечения, на фиг. 3b устройство 100 коллектора света видно на свету со стороны 1010 приема света, а на фиг. 3с устройство коллектора света видно со стороны 1020 выхода света устройства 100 коллектора света (то есть "со стороны дна ").

В настоящем варианте исполнения криволинейные структуры 10 скомпонованы на донной пластине 160, которая имеет высоту h2; причем общая высота устройства 100 коллектора света, включая донную пластину 160, указана ссылкой h1. В частности, h2<5, а именно >10, или h1/h2>5, а именно >10.

Донная пластина 160 является прозрачной для, по меньшей мере, части видимого света и необязательно также для части ИК излучения. В частности, донная пластина имеет пропускание света в диапазоне 50-100%, предпочтительно в диапазоне 70-100%, для света, сгенерированного посредством источника света, такого как солнечный свет, и имеющего длину волны, выбранную из видимого диапазона длин волн. Таким образом, оболочка носителя является пропускающей для видимого света источника света.

Пропускание света или проникающая способность света может быть определена посредством обеспечения света на конкретной длине волны с первой интенсивностью на материале отношения интенсивности света на упомянутой длине волны, измеренной после передачи через материал, с первой интенсивностью света, обеспеченного на материале на упомянутой конкретной длине волны (см. также части Е-208 и Е-406 учебника издательской группы CRC - Handbook of Chemistry and Physics, 69^th edition, 1088-1089).

На фиг. 4 вычислено отношение светового потока, направленного вниз, к общему световому потоку для совокупности чашек, иллюминированных посредством диффузного источника возбуждения с использованием метода трассировки лучей (программное обеспечение LightTools, версия 7.1.0). Края для увеличения светового выхода были моделированы как поверхности (100%-ное рассеяние в направлении вперед). Было найдено, что величины соотношения направленного вниз/общего потоков в случае тонких стенок полусферических насадок близки к оценочным величинам (см. выше уравнение 5). Вычисления были выполнены с использованием различных величин средней длины свободного пробега люминесцентных красителей. Эти величины отражают концентрацию растворенных в полимере люминесцентных молекул. В частности, для низких концентраций красителя тонкостенные полусферы являются пригодными для получения высокого соотношения направленного вниз/общего потоков. При этом величины R и d в первую очередь нормализованы относительно величины R. Здесь для криволинейных структур d

Фиг. 5а-5h схематично изображают несколько применений 2000.

Фиг. 5а схематично изображает вариант исполнения солнечного устройства 2000, содержащего вариант исполнения устройства 100 коллектора света, как оно здесь описано, и солнечный элемент 300. Солнечный элемент 300 выполнен с возможностью приема света, испускаемого из краевой части (частей) 13 выхода света. Как указано выше, солнечный элемент 300 особым образом радиационно связан с краевой частью (частями) 13 выхода света. В настоящем варианте исполнения это достигнуто посредством сбора света 72, испускаемого из краевой части (частей) 13 выхода света в (собирающей свет или смешивающей свет) камере 550 с отражательными стенками и с отверстием 551 в камере, дающим возможность свету испускаться из камеры 550 и подвергать радиации солнечный элемент 300. Фиг. 5b схематично изображает вид сверху варианта исполнения устройства 100 коллектора света, которое может быть использовано для упомянутого применения 2000 (солнечное устройство 2200).

Фиг. 5с схематично изображает вариант со множеством отверстий 551 с расположенными сзади каждого отверстия 551 солнечными элементами 300 для сбора по существу всего света в камеру 550.

Таким образом, в одном варианте исполнения в верхней части световой коробки (камеры 500) размещена совокупность полых люминесцентных насадок (таких как полусферы). Края насадок точно соединены с отверстиями 552 в упомянутом световом боксе (однако также может быть использована любая компоновка насадок, или же могут применяться сферические чашки других типов, которые скомпонованы на пропускающей донной пластине 160, не показанной на этом чертеже, но см., например, на фиг. 3а). На противоположной стороне световой бокс удерживает также одну или более больших по размеру областей выхода. Внутренняя поверхность светового бокса является высоко отражательной (R>95%) и может состоять из зеркального или белого диффузного отражательного материала (MIRO-серебро, МСРЕТ, белая краска). Насадки предпочтительно имеют тонкие стенки для обеспечения эффективного проведения люминесцентного света.

На поверхности (поверхностях) выхода может быть размещен солнечный элемент (элементы) для приема преобразованного света. Насадки могут быть скомпонованы различными способами; шестиугольное размещение создает наибольшую плотность и дает наиболее эффективный коллектор света. Верхняя площадь (принимающая солнечный свет), вообще, гораздо больше, чем площадь для солнечных элементов (ΣА2)(ΣS/ΣА2>>10). Процесс концентрации начинается в люминесцентных насадках, где солнечный свет эффективно преобразуется в свет более коротких длин волн. Люминесцентный свет, который на больших поверхностях насадок претерпевает полное внутреннее отражение, передается в направлении краев и инжектируется в световой бокс. Множественные отражения внутри светового бокса, в конечном счете, передают свет к солнечным элементам на поверхностях выхода. Из-за наличия множественных отражений предпочтительно, чтобы высоко отражательная способность поверхности светового бокса сохранялась наряду с высокой оптической эффективностью. Другой аспект заключается в том, что весь свет, инжектированный в световой бокс, по существу "уловлен" в световом боксе до тех пор, пока он не попадет на солнечный элемент. Однако существует также возможность того, что свет, присутствующий в световом боксе, попадает на края люминесцентных насадок. В этом случае свет просто передается через насадку назад в световой бокс.

Большим преимуществом отделенных насадок является ограниченная длина оптического пути фотонов, излученных в процессе возбуждения (то есть свет собирается наиболее эффективным способом). Типичные (практические) размеры насадок находятся в диапазоне 10-20 мм (внешний диаметр c R). Толщина стенки световода находится в диапазоне 0,5-2 мм. Небольшие насадки являются предпочтительными из-за подразумеваемого короткого оптического пути. Эти габариты могут быть применимы и к другим изображенным и/или описанным здесь вариантам исполнения.

Различные криволинейные структуры 10 необязательно могут содержать различные типы красителей, что на фиг. 5с в качестве примера указано посредством разной штриховки криволинейных структур 10.

Фиг. 5d схематично изображает вариант исполнения устройства 100 коллектора света, содержащего первые криволинейные структуры 10а и вторые криволинейные структуры 10b. Первые криволинейные структуры 10а заключают в себе вторые криволинейные структуры 10b. В частности, что краситель в волноводном материале 20 первых криволинейных структур 10а отличается от красителя в волноводном материале 20 вторых криволинейных структур 10b. Заметим, что упомянутая конкретная компоновка криволинейных структур не ограничивается только лишь применениями солнечных элементов, как изображено на упомянутом чертеже.

Таким образом, например, на фиг. 5с, 5d (а также на фиг. 5е - см. далее) преобразующие свет насадки или другие типы сферических чашек могут удерживать разные типы красителей. Это разделение может дать более высокую общую эффективность, поскольку при этом (почти) нет никакого взаимной интерференции между разнообразными красителями (то есть свет, испускаемый одним красителем, не может быть поглощен другим красителем). Преимущество концепции светового бокса состоит в том, что весь преобразованный/люминесцентный свет хорошо перемешан и иллюминирует солнечный элемент равномерным образом.

Фиг. 5е схематично изображает вариант исполнения, в котором устройство 100 коллектора света используется в осветительном блоке 2100. Здесь отверстие 551 в камере 500 используется для того, чтобы обеспечить свет 2101 осветительного блока. Для дальнейшего пополнения спектра необязательно могут быть применены дополнительные источники 2110 света.

Источник света может быть любым источником света, но, в частности, чтобы упомянутый источник света был способен по существу испускать в УФ или синей части спектра. Следовательно, в одном варианте исполнения источник света содержит светоизлучающее устройство, излучающее синий свет. В другом варианте исполнения, который может быть скомбинирован с первым вариантом исполнения, источник света содержит светоизлучающее устройство с УФ излучением. Следовательно, термин "источник света" может относиться в частности к светоизлучающему диоду. Предпочтительно источник света является источником света, который во время работы излучает по меньшей мере свет на длине волны, выбранной из диапазона 300-480 нм, конкретно 380-460 нм. Свет частично может быть использован элементом преобразования света (см. ниже). В одном конкретном варианте исполнения источник света содержит твердотельный источник света светоизлучающего диода (такой как светоизлучающий диод или лазерный диод). Термин "источник света", кроме того, может относиться к множеству источников света, такому как от 2 до 20 (твердотельных) источников света светоизлучающего диода. Необязательно, источник света выполнен с возможностью генерирования белого света (и, необязательно, УФ света) (см. также ниже), и часть синего и/или необязательного УФ света используется одним или более люминесцентными материалами в качестве света возбуждения и по крайней мере частично преобразуется в люминесценцию.

Таким образом, в этом варианте исполнения собирание света используется для генерирования белого света посредством комбинации люминесцентного света и света синих светоизлучающих диодов. В этом подходе спектры излучения насадок, удерживающих различные люминесцентные красители, и синие светоизлучающие диоды дают "белый спектр". Этот белый свет может быть использован непосредственно для иллюминации внутри помещений в тех случаях, когда обычный естественный свет не является предпочтительным. Это позволяет вам в едином компактном источнике света интегрировать дневной свет и искусственный свет. Кроме того, белый свет может быть коллимирован и инжектирован в световую трубку для иллюминации пространств, не имеющих доступа дневного света. Для того чтобы поддерживать постоянным уровень света и его цветовую температуру, могут быть применены датчики и средства управления. В тех случаях, когда солнечная иллюминация является недостаточной, могут быть установлены дополнительные белые светоизлучающие диоды. Система, изображенная на фиг. 5е, может быть интегрирована в крышу ("крышная панель") и, кроме того, может быть интегрирована в стены здания. Упомянутая система может служить в зданиях также в качестве архитектурных или декоративных элементов.

Необязательно, два или более подмножеств криволинейных структур 10 могут содержать различные красители, как это показано (различной) штриховкой.

Фиг. 5f схематично изображает солнечное устройство 2200. Устройство коллектора света используется так, как описано. И снова свет, испускаемый из краев люминесцентных структур, инжектируется в отверстия 552 в световом боксе, который затем направляет свет на один или более солнечных элементов 300.

Фиг. 5g схематично изображает другой тип применения 2000, в этом случае осветительный блок 2100. Упомянутый световой блок 2100 содержит устройство 100 коллектора света, как оно определено здесь (здесь в качестве примера показан один пример варианта исполнения), и источник 2100 света, в общем, множество источников 2110 света, а также, необязательно, пластину 555 диффузора. Источники 2110 света выполнены с возможностью обеспечения света 2111 источников света на стороне 1010 приема света. Необязательная пластина 555 диффузора выполнена между множеством источников 2110 света и устройством 100 коллектора света. Необязательная пластина 555 диффузора скомпонована поверх устройства 100 коллектора света. Источники 2110 света скомпонованы в камере 550. Камера 550 дополнительно имеет одно или более отверстий 551, которые позволяют свету испускаться из камеры 550 через (необязательную пластину 555 диффузора и) устройство 100 коллектора света. Свет 2101 по меньшей мере содержит преобразованный свет 72 и, необязательно, может содержать также непреобразованный свет 2111. В этом варианте исполнения есть одно большое отверстие 551, полностью закрытое устройством 100 коллектора света и (необязательно) поверх него расположен диффузор 555.

Фиг. 5h схематично изображает другое применение 2000, в этом случае теплица 2300 содержит устройство 100 коллектора света. Устройство 100 коллектора света выполнено с возможностью обеспечения света в теплице 2300 через краевые части 13 выхода света. Конечно, может быть использовано множество концентраторов 100 света. Дополнительно могут быть использованы вышеописанные варианты исполнения и их вариации.

Следовательно, изобретение обеспечивает устройства коллектора света, в которых преобразованный свет излучается главным образом с одной стороны листа (более 80%, даже более 85% от общего излученного света). Люминесцентные структуры могут состоять из светопроницаемой пленки, сформированной трехмерным образом, в которую инкорпорированы люминесцентные красители. Изобретение может быть релевантным для нового поколения люминесцентных солнечных коллекторов, а также в качестве компонента преобразования света в системах иллюминации на основе светоизлучающих диодов.

Поэтому аспект изобретения состоит в использовании, в частности, "краевого света" для генерирования оптического листового компонента, излучающего свет по большей части только в одном направлении ("вперед"). Это достигнуто посредством создания семейства структур, как они изображены на сопроводительных чертежах. Свет от источника возбуждения (Солнце, синие светоизлучающие диоды и т.д.) "собирается" на ровной стороне. Излученный в люминесцентную структуру свет передается по криволинейному профилю в направлении поверхности выхода. Для эффективного проведения люминесцентного света стенки упомянутой структуры должны быть тонкими. В частности, d<0,5R, а для еще лучшей производительности может быть предпочтительно d<0,25R. В идеальной трехмерной структуре на выходах испускается около 86% высвобожденного люминесцентного света.

В некоторых вариантах исполнения отверстия (углубления) в структуре имеют шестиугольную компоновку. Упомянутая компоновка может обеспечить минимальный оптический путь света, излученного в материале. Минимальный оптический путь является преимущественным для достижения высокой эффективности, поскольку при этом потери на рассеяние/поглощение минимизированы (потери на рассеяние могут иметь место на поверхностных дефектах). Криволинейная форма компонента принципиально улучшает ввод света от источника возбуждения по сравнению с гладкой пластиной (особенно при больших углах падения). Может быть выбрано множество альтернативных конфигураций:

Каналы в структуре могут иметь также и квадратную компоновку (см. фиг. 1с);

Каналы могут иметь очень малую или нулевую площадь поверхности (внизу; фиг. 2g-2i);

Каналы могут иметь удлинение (фиг. 1h-1j). Это удлинение может иметь сужающуюся структуру (фиг. 1i);

Каналы могут иметь поверхность выхода с нанесенной шероховатостью (во избежание улавливания света и тем самым увеличивая эффективность);

Плоскость выхода может быть скошенной;

Плоскость выхода может быть соединена с коллимирующим оптическим элементом (фиг. 1j);

Полная структура или ее часть может быть обеспечена анти-отражательным покрытием;

Световодный материал, особенно полимерный световодный материал может удерживать множественные красители (люминесцентный или комбинацию люминесцентного и поглощающего красителей);

Световодный материал, особенно полимерный световодный материал может иметь защитный слой с оптическим многослойным интерференционным фильтром для отражения или пропускания конкретных частей (видимого) спектра.

Изобретение в первую очередь может быть использовано для сбора, особенно концентрации солнечной энергии и генерировния электричества с использованием солнечных элементов. Солнечный коллектор может быть использован "в открытом поле", но может быть интегрирован в светильники для дорожного освещения (в комбинации с солнечными элементами и накопителем энергии). Кроме того, изобретение может быть использовано для иллюминации внутри помещений в тех случаях, когда обычный естественный свет не является предпочтительным. Это позволяет интегрировать "преобразованный дневной свет" и искусственный (синий) свет в единый компактный источник света.

Реферат

Изобретение относится к устройству коллектора света и, кроме того, к солнечному устройству, к теплице или осветительному блоку, содержащему такое устройство коллектора света. Изобретение имеет подобное листу устройство коллектора света, содержащее сторону приема света и сторону выхода света, а также множество криволинейных структур из световодного материала, содержащего органический краситель, выполненный с возможностью поглощения по меньшей мере части света источника света и преобразования по меньшей мере части поглощенного света в преобразованный свет видимого диапазона длин волн. Каждая криволинейная структура имеет выпуклую криволинейную часть на стороне приема света, вогнутую часть на стороне выхода света и краевую часть выхода света на стороне выхода света. Каждая криволинейная структура имеет кривизну и толщину световода, выполненную с возможностью облегчения передачи введенного света и видимого преобразованного света в направлении краевой части выхода света для обеспечения испускания света устройства из краевой части выхода света. Такое выполнение устройств позволит более динамично использовать входной свет и более эффективно направлять его, например, к растениям. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 36 ил.

Формула