(57)【要約】  窓システムは、窓のフレームの中で、外側にソーラーパネル及び内側に照明パネルを持つ。高効率で不透明な断熱層が、ソーラーパネル及び照明パネルの間に用いられることができる。
2017522696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム、及び
前記フレームにより規定されるエリア内のパネルエリア、
を含む窓システムであって、
前記パネルエリアは、
当該窓システムの外側にソーラーパネル、
前記ソーラーパネルとは反対側の当該窓システムの内側に照明パネル、及び
前記ソーラーパネル及び前記照明パネルの間に不透明な断熱層、
を含む、窓システム。
【請求項２】
前記パネルエリアは、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルにより満たされる、請求項１に記載の窓システム。
【請求項３】
前記パネルエリアは、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルにより部分的にだけ満たされ、前記パネルエリアはさらに、透明な窓領域を含む、請求項１に記載の窓システム。
【請求項４】
前記透明な窓領域は、前記パネルエリアの上側にある、請求項３に記載の窓システム。
【請求項５】
前記透明な窓領域は、前記パネルエリアの下側にある、請求項３に記載の窓システム。
【請求項６】
前記照明パネルを制御するためのコントローラをさらに含む、請求項１乃至５の何れか一項に記載の窓システム。
【請求項７】
前記コントローラは、アンビエント照明特性に依存して前記照明パネルからの光出力の輝度及び／又は色を設定するよう構成される、請求項６に記載の窓システム。
【請求項８】
前記ソーラーパネル、前記断熱層及び前記照明パネルの熱伝導率は、まとめて１Ｗ／ｍ２Ｋ以下である、請求項１乃至７の何れか一項に記載の窓システム。
【請求項９】
前記照明パネルは、ソリッドステート照明パネルを含む、請求項１乃至８の何れか一項に記載の窓システム。
【請求項１０】
ビルディングの壁における窓、
ビルディングの屋根における天窓、又は
ドア
の一部を形成する請求項１乃至９の何れか一項に記載の窓システム。
【請求項１１】
フレーム及び前記フレームにより規定されるエリア内のパネルエリアを含む窓システムの外側にソーラーパネルを用いて光エネルギを収集するステップ、及び
前記パネルエリア内で前記ソーラーパネルとは反対側の前記窓システムの内側に照明パネルを用いて照明を供するステップであって、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルの間に不透明な断熱層を備えている、ステップ、
を含む、照明方法。
【請求項１２】
アンビエント照明特性に依存して前記照明パネルからの照明の輝度及び／又は色を設定するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明及びソーラーエネルギ収集(solar energy collection)を含む窓システム(window system)に関する。
【背景技術】
【０００２】
家及びビルディングのエネルギマネージメントが、燃料価格の増加につれて重要性を増している。
【０００３】
エネルギは、暖房、換気、空調及び照明に必要とされるが、必要とされるエネルギ量は、最小限に抑えられるべきである。ビルディングにとって、エネルギ消費を減らすという要求があり、好ましくは、ビルディングで必要とされる全てのエネルギを生成する又は送電網にエネルギを送り出すという要求さえもある。これは、屋根に太陽光発電システム又は風力タービンを設置する等の能動的な対策により達成されることができる。
【０００４】
また、建物の断熱を改善する等の受動的な対策が、目標達成に貢献する。
【０００５】
ビルディングの各窓は、熱流漏れ(heat flow leak)をもたらすことが知られている。窓及びドアは、家の熱損失全体の約１／３の割合を占める可能性がある。冬期に、エネルギは漏出する可能性があり、夏期に、熱流は逆流される可能性があり、空調が必要とされる。
【０００６】
エネルギ節約の観点から、窓は、無くされるべきである。他方、窓は、ビルディングで働く又は家で生活する人々の幸せ(well-being)に不可欠である。人々は、自分の周りの世界との視認(visual contact)を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それゆえ、快適な屋内を維持しつつ、ビルディングの断熱を改善するシステムの必要性がある。
【０００８】
太陽電池エネルギ生成の技術及びソリッドステート光生成の技術が、ここ数年確実に改善して来ていて、新規の組み合わせが実現可能になりそうな所まで来ている。
【０００９】
例えば米国特許第8 337 039号に開示されているように、窓のフレームに太陽電池を組み込むこと、及び太陽光発電屋内照明を供するため窓のフレーム内にＬＥＤを含めることが知られている。しかしながら、窓自体は、重大な熱損失源として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特許請求の範囲により規定される。
【００１１】
本発明の一態様によれば、
フレーム、及び
前記フレームにより規定されるエリア内のパネルエリア、
を含む窓システムであって、
前記パネルエリアは、
当該窓システムの外側にソーラーパネル、
前記ソーラーパネルとは反対側の当該窓システムの内側に照明パネル、及び
前記ソーラーパネル及び前記照明パネルの間に不透明な断熱層(thermal insulation layer)、
を含む、窓システムが提供される。
【００１２】
斯くして、本発明は、窓に見えるエネルギ生成及び光生成を提供するが、窓よりも熱効率の良い建築を可能にする窓システムを提供する。本質的には、ビルディングの従来の窓全体又は従来の窓の一部と置換することができる仮想窓システムが提供される。
【００１３】
前記照明パネルは、好ましくは、薄く効率の良いソリッドステート照明システムを含む。前記ソーラーパネルにより生成されるエネルギは、前記照明パネルにより用いられることができ、又は配電網にフィードバックされることができる。
【００１４】
ある構成において、前記パネルエリアは、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルにより満たされる。このようにすると、完全な窓が、仮想窓である。
【００１５】
他の構成において、前記パネルエリアは、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルにより部分的にだけ満たされ、前記パネルエリアはさらに、透明な窓領域を含む。
【００１６】
これにより、（部分的に実際の窓及び部分的に仮想窓である）大きな窓エリアを維持しながら、熱効率の悪い窓エリアの大きさを減らし、熱効率を改善することができる。屋外の実景(real view)も維持される。
【００１７】
前記透明な窓領域は、例えば、前記パネルエリアの上側又は下側にあってもよい。
【００１８】
当該窓システムは、好ましくは、前記照明パネルを制御するためのコントローラをさらに含む。前記コントローラは、アンビエント照明特性(ambient lighting characteristic)に依存して前記照明パネルからの光出力の輝度及び／又は色を設定するよう構成されてもよい。このようにすると、前記照明パネルにより供される光の性質が、恰も従来の窓を通して見られるような自然採光(natural lighting)をシミュレートするように選択されることができる。
【００１９】
前記ソーラーパネル、前記断熱層及び前記照明パネルの熱伝導率は、好ましくは、まとめて１Ｗ／ｍ２Ｋ以下である。これは、窓（又は窓の仮想部分）が、例えばビルディングの壁の熱効率に近い又は等しいような、従来の窓よりも優れた熱効率を持つことを意味する。
【００２０】
当該窓システムは、ビルディングの壁における窓、ビルディングの屋根における天窓、又はドアを形成してもよい。
【００２１】
本発明の他の態様は、
フレーム及び前記フレームにより規定されるエリア内のパネルエリアを含む窓システムの外側にソーラーパネルを用いて光エネルギを収集するステップ、及び
前記パネルエリア内で前記ソーラーパネルとは反対側の前記窓システムの内側に照明パネルを用いて照明を供するステップであって、前記ソーラーパネル及び前記照明パネルの間に不透明な断熱層を備えている、ステップ、
を含む、照明方法を提供する。
【００２２】
前記照明パネルからの照明の輝度及び／又は色は、アンビエント照明特性に依存して設定されてもよい。
【００２３】
本発明の例が、以下添付の図面を参照して詳述される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による窓システムの第１の例を示す。
【図２】本発明による種々のタイプの窓システムを備えたビルディングを示す。
【図３】本発明による窓システムの第２の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、窓のフレームの中で、外側にソーラーパネルがあり、内側に照明パネルがある、窓システムを提供する。高効率で不透明な断熱層が、ソーラーパネル及び照明パネルの間に用いられることができる。
【００２６】
図１は、本発明による窓システムの第１の例を示す。
【００２７】
窓システムは、フレーム１を有する。フレーム１は、フレーム１により規定される内部エリア中のパネルエリアを規定する。
【００２８】
パネルエリアは、窓システムの外側にソーラーパネル２、及びソーラーパネル２とは反対側の窓システムの内側に照明パネル３を含む。ソーラーパネルは、ソーラーエネルギを収集し、照明パネルは、屋内空間に光６を供給する。
【００２９】
不透明な断熱層４が、ソーラーパネル及び照明パネルの間に設けられる。
【００３０】
斯くして、本発明は、窓に見えるエネルギ生成及び光生成を提供するが、窓よりも熱効率の良い建築を可能にする窓システムを提供する。本質的には、ビルディングの従来の窓全体又は従来の窓の一部と置換することができる仮想窓システムが提供される。
【００３１】
パネルエリアは、本質的には、通常はガラスがはめられる窓のエリアである。斯くして、フレームは、矩形等の外形を規定するが、中間バー(intermediate bar)を含んでもよい。
【００３２】
パネルエリアは、典型的には、適切なエネルギ収集量がソーラーパネルから入手できるように０．１ｍ２以上の大きさである。パネルエリアは、例えば、０．２ｍ２以上、０．３ｍ２以上又は０．５ｍ２以上の大きさである。ソーラーパネルは、例えば、完全な正方形エリア又は矩形エリア等の完全に閉じられた多角形形状を持ってもよい。ソーラーパネル及び照明パネルは、フレームの形状により規定されるエリアの中心（すなわち、窓システムの中央）を含む形状を持ってもよい。言い換えれば、ソーラーパネル及び照明パネルは、周縁部に局在しているというより、窓の中央部分に位置づけられる。
【００３３】
照明パネルは、好ましくは、薄く効率の良いソリッドステート照明システムを含む。ソーラーパネルにより生成されるエネルギは、照明パネルにより用いられることができ、又は配電網にフィードバックされることができる。
【００３４】
窓システムは、パワーマネージメント機能を備えるコントローラ７を含む。必要な場合、照明パネル３は、コントローラ７により給電され、（任意には色温度及び輝度並びにダイナミクス(dynamics)の面で周囲光と合致する）人工光６を生成する。さもなくば、電力は、配電網にフィードバックされ、又は概略的にユニット８により表される、エネルギ貯蔵システムにフィードバックされる。
【００３５】
図２は、どのように窓システムがビルディングで用いられ得るかを示す。
【００３６】
ビルディング１０は、南向きの前壁１１を持つ。
【００３７】
窓システムは、完全な窓が仮想窓であるようにパネルエリアを満たすことができる。代替的には、パネルエリアは、ソーラーパネル及び照明パネルにより部分的にだけ満たされ、パネルエリアはさらに、透明な窓領域を含んでもよい。これにより、（部分的に実際の窓及び部分的に仮想窓である）大きな窓エリアを維持しながら、熱効率の悪い窓エリアの大きさを減らし、熱効率を改善することができる。屋外の実景も維持される。
【００３８】
図２は、完全に仮想窓である（中層階の）第１の窓のセット１２を示す。（最上階の）第２の窓のセット１４は、パネルエリアの下側にガラスがはめられた窓領域１５を持ち、パネルエリアの上側に仮想窓部分を持つ。
【００３９】
（１階の）第３の窓のセット１６は、パネルエリアの上側にガラスがはめられた窓領域１７を持ち、パネルエリアの下側に仮想窓部分を持つ。
【００４０】
窓システムは、天窓１８を置換するために用いられることもできる。フロントドア１９にも仮想窓が示されている。
【００４１】
図３は、ガラスがはめられたセクション及び仮想窓のセクションを備える窓システムをより詳細に示す。
【００４２】
ガラスがはめられたセクションは、一対のガラスパネル２０及び空気（又は他のガス若しくは真空）のキャビティ２２を有する。ブラインド２４も示されている。
【００４３】
光学的、熱的及び電気的特性が以下で述べられる。
【００４４】
１ｍ２の表面が受ける太陽放射５は、日中変化し、１００〜１０００Ｗ／ｍ２の範囲内であり得る。年平均の可能性の一例は、約１００Ｗ／ｍ２である。
【００４５】
二重にガラスがはめられた窓パネルの光の透過(optical transmission)は、約５０％になる。太陽放射の可視域は、約１００ｌｍ／Ｗの照度に相当する。斯くして、１ｍ２の窓は、年平均１００Ｗ／ｍ２×５０％×１００ｌｍ／Ｗ＝５０００ｌｍ／ｍ２を透過させる。
【００４６】
ソーラーパネル及び関連する電子機器は、約２０％の効率で入射する太陽放射を電気に変換し、ゆえに、矢印５により表される、１００Ｗ／ｍ２の年放射平均の場合、矢印３０により表される、２０Ｗ／ｍ２の電気を生成する。
【００４７】
１０Ｗ／ｍ２のエネルギしか、照明パネルが（以下で述べられるガラスがはめられた窓についての望ましい可視光の量に相当する）所望の２０００ｌｍ／ｍ２を生成するために必要とされない。
【００４８】
とりわけ、効率の良い照明システムの場合、この１０Ｗ／ｍ２は、２００ｌｍ／Ｗの効率で可視光３２に変換されることができる。この結果、１０Ｗ／ｍ２×２００ｌｍ／Ｗ＝２０００ｌｍ／ｍ２という収量(yield)を生じる。
【００４９】
他の１０Ｗ／ｍ２は、矢印３５により示される、余剰電力を生成するために用いられる。
【００５０】
照明パネルは、例えば（入射する１００Ｗ／ｍ２全てが電気エネルギ及び熱に変換されると仮定し）８０Ｗ／ｍ２のエネルギ密度で熱３４を生成する。
【００５１】
より良い断熱を用いることにより可能とされるエネルギ節約が以下で述べられる。改善された断熱は、ビルディングからの熱損失を減らすことにより冬期にエネルギ節約を与えることができ、また、ビルディングにより上昇(gain)され、例えば空調により取り除かれる必要がある熱を減らすことにより（暑い夏の気候の国のため）夏期にエネルギ節約を与えることもできる。
【００５２】
断熱体(insulating body)を介す熱輸送は、Ψ＝Ｕ×Ａ×ΔＴである。ここで、Ｕは、熱伝導率（Ｗ／ｍ２Ｋ）であり、Ａは、表面積（ｍ２）であり、ΔＴは、温度差（Ｋ）である。
【００５３】
壁についてＵ_ｗａｌｌ＝０．６Ｗ／ｍ２Ｋ及び温度差１０Ｋという典型的な値の場合、熱流量３６は、壁について６Ｗ／ｍ２になる。仮想窓（又は仮想窓のガラスがはめられない部分）内の断熱材４は、０．６Ｗ／ｍ２Ｋの壁断熱に合致してもよく、より一般的には１．０Ｗ／ｍ２Ｋ以下であってもよい。
【００５４】
ガラスがはめられた窓の部分は、ガラス構造による５０％の減衰及びブラインド２４によるさらなる６０％の減衰の後２０Ｗ／ｍ２の照射(irradiation)４０を供するように示されている。これは、矢印４２により表される、２０００ｌｍ／ｍ２の可視光強度及び１０Ｗ／ｍ２の熱エネルギ４４（すなわち、赤外放射エネルギ）を生じるエネルギを有する。
【００５５】
二重ガラス窓についてＵ_ｇｌａｓｓ＝２Ｗ／ｍ２Ｋ及びここでも温度差１０Ｋという典型的な値の場合、熱流量４６は、二重窓について２０Ｗ／ｍ２になる。
【００５６】
図３に示されるように、エネルギ流は、（矢印４６により示されるように）冬期はビルディングの外に向かう可能性があり、（矢印３６により示されるように）夏期はビルディング内に向かう可能性がある。上述した簡略化された分析は、各々の場合で１０℃の差、例えば、維持されるビルディング温度が２０℃で、冬期に１０℃及び夏期に３０℃の平均外気温を仮定する。
【００５７】
斯くして、壁と等価の熱伝導を持つ仮想窓システムにより窓を置換することにより、熱損失（夏期は上昇）が２０−６＝１４Ｗ／ｍ２減る。
【００５８】
この出力密度は、仮に照明パネルを用いて可視光に変換されるとしたら、１４Ｗ／ｍ２×２００ｌｍ／Ｗ＝２８００ｌｍ／ｍ２に相当する。
【００５９】
上述したように、１ｍ２の窓は、窓ガラスの透過率５０％を考慮に入れ５０００ｌｍ／ｍ２を透過させる。斯くして、窓をＰＶシステムと置換することにより、（ブラインドがないと仮定し）ビルディングの内部への年平均光入力(yearly averaged light input)を５０００ｌｍ／ｍ２減らす。
【００６０】
上述の例における利用可能な電気は、４０００ｌｍ／ｍ２に相当する２０Ｗ／ｍ２である。２８００ｌｍ／ｍ２に相当する減らされた熱損失と組み合わされる場合、光出力の可能性の観点で表される総エネルギ利得は、６８００ｌｍ／ｍ２である。これは、仮想窓システムにより窓又は窓の一部を置換することが実現可能であることを示す。とりわけ、入射可視光強度は、付加的なエネルギを生成するソーラーパネルにより生成されることができる。
【００６１】
上述したいくつかの例のように窓の一部だけ置換することにより、外界への眺望が維持される。一例として、１ｍ×１ｍの窓が、１ｍ×０．８ｍの窓及び１ｍ×０．２ｍの太陽電池と置換される場合、１６Ｗ／ｍ２の熱節約(thermal saving)となり、且つ１０Ｗ／ｍ２の電気が生成されることが計算されている。
【００６２】
フレーム内に窓システムを設けることにより、全体的な見た目が、従来の窓と合致することができ、ゆえに、人工光が用いられても、ユーザは、自然光に曝されているという印象を持つ。例えば、（ソーラーパネル及び照明パネルの面に垂直な方向の）フレームの厚さは、窓のような効果を出すため、ソーラーパネル、断熱材及び照明パネルの組み合わされた厚さより厚くすることもできる。
【００６３】
上述したように、ソーラーパネル、断熱材及び照明パネルの熱伝導率は、好ましくは、まとめて１Ｗ／ｍ２Ｋ以下である。これは、窓（又は窓の仮想部分）が、例えばビルディングの壁の熱効率に近い又は等しいような、従来の窓よりも優れた熱効率を持つことを意味する。
【００６４】
任意の既知のソーラーパネルが用いられ得る。
【００６５】
種々の異なる技術が、照明パネルに用いられてもよい。例えば、
（ｉ）白色反射ボックス(white reflective box)に囲まれた蛍光体変換白色ＬＥＤの二次元アレイ。ボックスの一方の側は、ディフューザを備えることができる。光は、ディフューザを介してボックスを出る。ディフューザは、明るいＬＥＤを隠すことにより空間的に均一な配光を確実なものとする。このアーキテクチャは、非常に効率が高いことが知られている。システムの厚さは、良好な均一性を確実なものとするためＬＥＤ間の距離のオーダーでなければならず、さもなくば各ＬＥＤ上の付加的な光学系が、横方向へ光を拡げるために設けられることができる。
（ｉｉ）ＬＣＤ用のバックライトで用いられるのと同様のライトガイドベースの照明システム。ここでは、蛍光体変換白色ＬＥＤの一次元アレイの光が、薄い導光高分子シートに射出され、内部全反射により効率よく拡がる。空間的に均一な配光が、例えば、小さな塗装白色ドットから成る空間的にパターン化された光抽出パターンにより得られる。このアーキテクチャは、効率が高い上、僅か数ミリメートルのオーダーという、非常に薄いことが知られている。
（ｉｉｉ）大面積で均一な青色光源をもたらす青色ＬＥＤに基づく照明システム。ここでは、システムを出る直前、青色光の一部が、（リモート）蛍光体層（任意には有機蛍光体又は量子ドット蛍光体）においてより長波長に変換される。このアーキテクチャは、ＬＥＤパッケージ内に蛍光体を配置した場合よりも効率が高いことが知られている。
【００６６】
システムは、照明パネルの光出力を制御するためのコントローラを使用する。コントローラに用いられ得るコンポーネントは、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)及びフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を含むが、これらに限定されない。
【００６７】
種々の実施において、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ等の揮発性及び不揮発性コンピュータメモリ等の１つ以上の記憶媒体と関連付けられてもよい。記憶媒体には、１つ以上のプロセッサ及び／又はコントローラで実行された場合、必要な機能を実行するプログラムがエンコードされてもよい。種々の記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよいが、格納された１つ以上のプログラムがプロセッサ又はコントローラーにロードされ得るように、可搬形であってもよい。
【００６８】
開示された実施形態に対する他のバリエーションが、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、当業者によって理解され、実施され得る。請求項において、"有する"という用語は他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有効に用いられ得ないことを示すものではない。請求項の如何なる参照符号も、本発明の範囲を制限するものと見なされるべきでない。
【図１】
2017522696.tif 000003
【図２】
2017522696.tif 000004
【図３】
2017522696.tif 000005
【国際調査報告】
2017522696.tif 000006
2017522696.tif 000007
2017522696.tif 000008
2017522696.tif 000009