УСТРОЙСТВО ПЕРЕНАПРАВЛЕНИЯ СВЕТА
LIGHT REDIRECTION DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в основном, к устройству для перенаправления дневного света в здания и его фокусирования в них. В частности, настоящее изобретение относится к устройству перенаправления света для перенаправления прямого солнечного света в здания и его концентрирования в них. Изобретение также относится к способу перенаправления дневного света в здания и его фокусирования в них.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По многим соображениям желательно как можно больше использовать дневной свет для обеспечения освещения внутри зданий. Одна из причин - экономия электроэнергии и, тем самым, спасение окружающей среды от углекислого газа, поскольку много электроэнергии, производимой в мире, или - в настоящее время - значительная ее часть образуется в результате какого-либо сгорания.
Еще одна причина состоит в том, что в большинстве ситуаций дневной свет более приятен для человека, чем электрическое освещение. Это было продемонстрировано в исследованиях, а также при наблюдениях поведения человека и организации рабочих помещений. Окна, пропускающие дневной свет в зданиях, важны для обзора и связи с улицей, которую они обеспечивают. Дневной свет также важен ввиду его качества, спектрального состава и изменчивости. Дневное освещение внутри помещений необходимо для того, чтобы можно было хорошо видеть и испытывать стимуляцию факторами среды. Продолжительная работа при электрическом освещении может отражаться на здоровье, в то время как считается, что работа при дневном освещении приводит к снижению стресса и дискомфорта. Дневной свет обеспечивает высокий уровень освещенности, прекрасное различение цветов и цветопередачу. Однако дневной свет также может вызывать дискомфорт из-за слепящей яркости.
Таким образом, желательно распределять дневной свет по зданиям при условии, что предотвращается слепящая яркость. Традиционный способ распределения света - использование окон из стекла, позволяющего видимому дневному свету проходить сквозь окно и освещать помещение за окном. Если слишком направленным или ярким солнечным светом создается слепящая яркость, традиционным способом является использование штор для поглощения или отражения некоторой части падающего дневного света и посредством этого уменьшения освещения внутри помещения. В этом случае проблема состоит в том, что количество света, передаваемого в помещение, часто оказывается слишком малым, чтобы быть достаточным, и для компенсации приходится использовать электрическое освещение. Еще один способ уменьшения слепящей яркости - использование в окне матированного или структурированного стекла для рассеяния падающего света по всем направлениям. Однако при ярком солнечном свете такое решение все-таки создает слишком много слепящей яркости. Рассеивающая поверхность также уменьшает прозрачность окна, поэтому оно непригодно для наблюдения сквозь него.
Еще одно решение для уменьшения слепящей яркости состоит в использовании во всем окне или в его части перенаправляющих поверхностей, которые перенаправляют некоторую часть падающего света к потолку помещения, например, путем размещения призм внутри окна. Призменные структуры для перенаправления света хорошо известны, также как и конструкция с двойной вращающейся призмой для оптимального перенаправления излучения (изменяющегося во времени) прямого солнечного света, см., например, US-5729387. Использование призм также уменьшает или исключает возможность наблюдения через окно, нарушая назначение окна - смотреть сквозь него. Еще одна проблема при использовании призм внутри окон состоит в том, что освещение потолка будет изменяться с изменением высоты Солнца в течение дня, если для отслеживания движения Солнца не используется активное перемещение призм.
Некоторые помещения в здании настолько велики, что свет из окон не достигает всех участков, а некоторые помещения в глубине зданий не имеют каких-либо наружных стен, чтобы дневной свет проходил через них внутрь. Для таких случаев разработаны системы, использующие оптические волокна или световоды для переноса излучения вглубь здания. Световод представляет собой трубу, имеющую внутренние стенки с высоким коэффициентом отражения. Система световодов, например, описана в сборнике материалов «Дневной свет в зданиях», опубликованном Международным энергетическим агентством (IAE). В таких системах собирающая сторона световода часто снабжена собирающей оптикой, часто размещаемой с благоприятным углом относительно Солнца. Однако собирающие системы являются громоздкими и неприемлемы с эстетической точки зрения, вызывая сопротивление со стороны архитекторов. Громоздкая конструкция может также оказаться на пути другого оборудования, необходимого в здании.
Таким образом, существует потребность в наличии более эффективного способа направления дневного света в здания через окна и световоды эффективным образом при одновременном снижении стоимости и выработке решения, которое является достаточно пригодным или дискретным, чтобы люди, особенно архитекторы, захотели его применять.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является повышение современного уровня техники, решение вышеуказанных проблем и создание усовершенствованного устройства для перенаправления дневного света в здания и его фокусирования в них. Эти и другие цели достигаются с помощью устройства перенаправления света для перенаправления и концентрирования прямого солнечного света, который, например, может быть перенесен вглубь зданий, причем упомянутое устройство содержит, по меньшей мере, один прозрачный элемент, имеющий по существу плоскую верхнюю поверхность в плоскости x-y и по существу плоскую нижнюю поверхность, причем упомянутые верхняя и нижняя поверхности расположены под углом α относительно друг друга вокруг оси х, и отражатель света для каждого прозрачного элемента, имеющий плоскую поверхность, причем упомянутая плоская поверхность упомянутого отражателя света расположена по существу параллельно упомянутой нижней поверхности упомянутого прозрачного элемента и примыкает к ней, причем упомянутая отражающая поверхность удалена на некоторое расстояние от упомянутого прозрачного элемента с помощью прозрачной среды, имеющей более низкий коэффициент преломления, чем прозрачный элемент, поэтому падающий на устройство свет преломляется каждой границей раздела между материалами и зеркально отражается отражающей поверхностью. При этом падающий свет переносится через прозрачный элемент и преломляется нижними поверхностями прозрачного элемента, переносится через прозрачную среду, отражается отражающей поверхностью, переносится через прозрачную среду и переносится через поверхности прозрачного элемента и преломляется ими. Граница раздела переходов между материалами представляет собой, например, переход воздух-диэлектрик из зазора между отражающей средой и прозрачным элементом в прозрачный элемент.
Благодаря обеспечению в устройстве перенаправления четырех явлений преломления, т.е., по два на каждый путь прохождения через прозрачный элемент, и одного отражения на отражающем элементе падающий свет значительно отклоняется от угла падения, позволяя создавать горизонтальное плоское устройство и направлять падающий вертикальный дневной свет почти в горизонтальном направлении. Перенаправленный свет также фокусируется в том смысле, что перенаправленный свет имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем падающий свет и верхняя сторона устройства перенаправления. Благодаря такой конструкции выходной угол света также становится очень нечувствительным к изменению угла падения солнечного света в течение дня. Например, при использовании устройства в верхней части окна в качестве экранирующей пластины падающий свет может быть перенаправлен к потолку помещения за окном, освещая по существу одинаковым образом в течение всего дня, несмотря на изменения угла падающего света из-за перемещения Солнца. Устройство также может быть выполнено очень тонким, поскольку прозрачные элементы и отражатели света могут быть выполнены малогабаритными и расположены рядами в большом количестве. В горизонтальном направлении поверхности окна прозрачные элементы и отражатели света, соответственно, могут быть выполнены такими же длинными, как и устройство перенаправления. Поскольку прозрачные элементы и отражатели света размещаются рядами, ясно, что падающий свет, который переносится через один прозрачный элемент и отражается на отражателе света, может быть перенесен через прозрачный элемент в следующем ряду.
Для того, чтобы предлагаемое устройство работало так, как описано выше, ясно, что угол α должен быть достаточно малым, чтобы лучи выходили через верхнюю сторону прозрачного элемента. Следует также принимать во внимание, что угол прямого солнечного света изменяется не только вокруг оси х, но и вокруг оси y, поэтому точные углы будут являться оптимизацией в зависимости от географической широты предполагаемого места применения и от того, в каком направлении (юг, запад и т.д.) устанавливается ось y вышеописанного устройства. При этом возможно наличие различных моделей устройства в соответствии с изобретением для географически различных рынков и для различных положений установки с учетом направления оси y.
Сбор и перенос дневного света могут осуществляться с помощью полного внутреннего отражения (TIR) в оптически прозрачной среде либо с помощью зеркально-отражающих металлических поверхностей, как предложено в устройстве в рассматриваемом изобретении. Отражающие поверхности имеют преимущество перед TIR, поскольку они переносят значительно большую часть рассеянного света, такого как дневной свет. Кроме того, ввиду его почти плоского спектрального поглощения цветовая температура переносимого света остается очень близкой к цветовой температуре дневного света, в результате чего увеличивается ощущение взаимосвязи.
Поскольку устройство перенаправления может быть выполнено тонким и поскольку оно имеет вид пластины или листа, оно является достаточно дискретным, чтобы быть пригодным для применения, не нарушая при этом внешний вид здания, к которому оно крепится, как в методе предшествующего уровня техники. При этом предпочтительно выполнять пластину как можно тоньше при одновременном сохранении стабильности ее структуры, например, толщиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
Зазор между отражающей поверхностью и прозрачным элементом предпочтительно герметизируется во избежание попадания загрязнений в это пространство и заполняется прозрачной средой, имеющей коэффициент преломления 1,1 или ниже. Прозрачная среда предпочтительно представляет собой газ, такой как, например, воздух или азот, но может также представлять собой вакуум. Прозрачная среда может являться любой средой, имеющей более низкий коэффициент преломления, чем прозрачный элемент. Описанное устройство перенаправления и концентрирования света предпочтительно содержит множество прозрачных элементов и соответствующих отражателей света, установленных рядами, верхние поверхности которых находятся в одной и той же геометрической плоскости. При этом может быть изготовлена верхняя поверхность, являющаяся верхней поверхностью сопряжения. Прозрачный элемент может представлять собой треугольную призму, либо треугольную призму, усеченную в остроконечной вершине.
Угол α выбирается для получения требуемого общего перенаправления света с помощью устройства и может, например, составлять от 7 до 27 градусов, предпочтительно - от 12 до 22 градусов. Точное выбираемое направление зависит от географической широты здания, на которое предполагается устанавливать устройство. Могут также использоваться оптимизированные версии устройства в зависимости от направления, в котором устанавливается его плоскость x-y, т.е., от конкретной стены здания.
Прозрачный элемент предпочтительно является прозрачным для видимого света, например, света в диапазоне от 300 нм до 1000 нм. Если требуется другой цвет направляемого света, прозрачный элемент может быть выполнен из материала, прозрачного в требуемом диапазоне излучения для этого цвета освещения.
Прозрачный элемент может иметь коэффициент преломления в диапазоне от 1,3 до 1,7, предпочтительно - в диапазоне от 1,4 до 1,6, и предпочтительно изготавливается из стекла или пластического материала. Призматическая структура с общими коэффициентами отражения, образующая пластинчатый верхний элемент устройства, имеющий структуры на нижней стороне, может, например, быть отлита или вырезана из пластины с помощью лазера для формирования надлежащей структуры в соответствии с приведенным выше описанием.
Поскольку свет преломляется на боковых поверхностях прозрачного элемента четыре раза, потери света будут возникать из-за потерь на отражение, обычно составляющих около 4% на каждое преломление. В итоге это может привести к потерям света из-за преломления величиной 16%. Для снижения этих потерь поверхности или, по меньшей мере, одна из поверхностей упомянутого прозрачного элемента может быть покрыта просветляющим слоем. Просветляющий слой предпочтительно оптимизируется для настильных углов прохождения.
Отражающий элемент предлагаемого устройства является зеркалом для видимого света. Отражатель света также предпочтительно изготавливается в виде единого элемента аналогично прозрачному элементу. Однако отражатель света должен иметь структурированную сторону - верхнюю сторону, обращенную к прозрачному элементу - формируемую таким образом, что она является отражающей для всех длин волн света, которые должны перенаправляться устройством. Это может быть осуществлено путем покрытия указанной поверхности сильноотражающим материалом, например, металлом, таким как алюминий или серебро, или любым иным отражающим металлом или металлическим сплавом. Это также может быть достигнуто путем изготовления всего отражателя света из сильноотражающего материала.
Плоскость x-y верхней поверхности прозрачного элемента предпочтительно по существу совпадает с горизонтальной плоскостью, чтобы быть красивой с эстетической точки зрения при установке на стене здания. Форма структуры нижней стороны отражателя света в настоящем изобретении не важна, но предпочтительно также является плоской для придания всему устройству вида пластины, пленки или листа, имеющего параллельные плоские поверхности.
Установленное устройство в соответствии с настоящим изобретением может перенаправлять свет в потолок помещения за окном, снаружи которого оно установлено. Однако оно может также перенаправлять свет в световод, расположенный в направлении y упомянутой плоской верхней поверхности. Световод может представлять собой цилиндрическую трубу произвольного сечения, имеющую отражающую внутреннюю поверхность. Световод может переносить свет в здание глубже, чем это возможно на практике с помощью окна. Поскольку перенаправленный свет от устройства перенаправления в соответствии с вышесказанным в течение дня имеет по существу постоянный выходной угол, распределение света от световода в течение дня будет по существу постоянным в течение всего времени, пока дневной свет является достаточно постоянным. Поскольку перенос в световоде не основан на волноводном распространении в диэлектрической среде, как в других решениях для переноса света (например, в оптических волокнах), данное решение не приводит к спектральному поглощению, которое, в свою очередь, может изменять цветопередачу и цветовую температуру дневного света.
Настоящее изобретение также относится к способу перенаправления прямого солнечного света в здания и его концентрирования в них с помощью устройства в соответствии с приведенным выше описанием, причем данный способ включает в себя этап размещения упомянутого устройства по существу горизонтально таким образом, что одна из его боковых поверхностей примыкает к стене или окну здания. Данный способ может дополнительно включать в себя этап размещения горизонтального световода в упомянутой стене или окне здания таким образом, что его собирающее отверстие собирает свет, который перенаправляется устройством, и таким образом, что свет, выходящий из конца световода, освещает внутреннее пространство здания.
Следует понимать, что с помощью способа изобретения достигаются те же преимущества, что и с помощью рассмотренного выше устройства.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает в себя этапы размещения устройства с возможностью поворота на упомянутой стене или окне и регулирования угла верхней поверхности устройства относительно стены или окна в соответствии с высотой Солнца, благодаря чему оптимизируется количество света, который перенаправляется устройством в каждый момент времени.
Хотя устройство в соответствии с изобретением предназначено для перенаправления дневного света по существу в одном и том же направлении независимо от положения Солнца и, следовательно, угла падающего света, в некоторых случаях может оказаться предпочтительным, тем не менее, несколько поворачивать пластину в соответствии с движением Солнца. Например, может возникать необходимость в перенаправлении света с помощью данного устройства в очень узкий световод или канал, либо в применении устройства направления света в иных целях, например, для проецирования света на фотоэлектрические элементы.
Предлагаемая собирающая система может, как описано выше, перенаправлять свет в эффективный световод для последующего переноса в здание или распределения света с помощью окна непосредственно в помещение. В первом случае необходимо оптимизировать перенаправление для последующего переноса, что означает максимальное перенаправление лучей параллельно направлению световода. Такая оптимизация выполняется регулированием угла α. Во втором случае свет должен перенаправляться таким образом, чтобы распределение света в помещении являлось оптимальным, т.е., чтобы минимизировались эффекты световых пятен и слепящей яркости. Это приводит к совершенно иному перенаправлению лучей, чем в первом случае. Для выполнения столь различных требований должна быть оптимизирована точная форма структуры поверхности на прозрачном элементе, а также отражателе.
Плоскости прозрачных поверхностей и отражателя света могут также быть выполнены несколько искривленными или произвольно деформированными для уменьшения слепящей яркости при использовании устройства направления света для освещения потолка непосредственно за окном.
Оптимальная ориентация перенаправляющей структуры, образующей пластину или устройство перенаправления в соответствии с настоящим изобретением, в значительной степени зависит от местоположения на земном шаре. В северных странах ориентация может быть такова, что устройство параллельно фасаду (и поэтому подобно окну). В этом случае необходимо дополнительное зеркало для отражения направленного света внутрь здания. Особенность изобретения состоит в том, что прямой солнечный свет концентрируется на участке, меньшем перенаправляющей пластины, в которой, тем не менее, допускается значительное изменение положения Солнца.
Необходимо отметить, что способ в соответствии с изобретением может включать в себя любые из признаков, описанных выше в связи с устройством в соответствии с изобретением, и имеет те же соответствующие преимущества.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеуказанные цели, а также дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятными благодаря ссылке на нижеследующее пояснительное и неограничительное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, ведущегося со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1а представляет собой перспективное изображение принципа изобретения, содержащего один прозрачный элемент и один отражатель света.
Фиг. 1b представляет собой вид в поперечном разрезе простого устройства в соответствии с изобретением, размещенного рядом со световодом, на котором показана специфика прохождения пути луча света в устройстве в соответствии с изобретением.
Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе устройства в соответствии с изобретением, размещенного рядом со световодом за окном помещения.
На фиг. 3а-с показан принцип устройства в соответствии с настоящим изобретением для падающего дневного света с различными углами в различное время суток.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На различных чертежах одинаковые детали всегда имеют одинаковую ссылочную позицию, поэтому в приведенном ниже подробном описании они описываются в общих чертах лишь один раз.
На фиг. 1а и фиг. 1b изображен принцип устройства в соответствии с изобретением, содержащего один прозрачный элемент 10 и один отражатель 20 света. Отражатель 20 света расположен на боковой стороне треугольной призмы или прозрачного элемента 10 напротив стороны 11 приема света. Треугольная призма имеет угол α между своей верхней (11) и нижней (14) поверхностями. Отражающий элемент 20 параллелен нижней поверхности призмы.
Отражатель 20 света может находиться в оптическом контакте с треугольной призмой 10, но предпочтительно отделен от треугольной призмы 10 на некоторое расстояние 12 для достижения дополнительного преломления. При падении коллимированного света 31 на сторону 11 приема света треугольной призмы 10 он сначала преломляется в направлении отражателя 20 света, отражается назад на призму 10, а затем вновь преломляется, что приводит к общему перенаправлению падающего света. Отраженный свет 32 может переноситься, например, через прозрачное окно 40 и дополнительный отражатель 50 света, например, световод в помещение здания. Узел сбора и перенаправления света предпочтительно содержит множество треугольных призм и отражателей и может быть выполнен в виде плоской пластины или фольги.
На фиг. 2 показано изобретение, содержащее множество прозрачных элементов 20 в виде призм, выполненных в виде тонкого листа, пластины или фольги. Призмы имеют коэффициент преломления, как правило, от 1,4 до 1,6. Падающие прямые солнечные лучи 31 распространяются через верхний катет призмы, а затем перенаправляются гипотенузой призмы, далее отражающим зеркалом, вновь гипотенузой призмы и, наконец, катетом диэлектрика. Благодаря указанным четырем перенаправлениям обеспечивается значительное отклонение угла падающего света, а направление 32 выходного света становится нечувствительным к движениям Солнца. На фиг. 2 луч, отраженный зеркалом, перенаправляется прилегающей ко второй призме структурой. Однако это показано исключительно с целью наглядного представления. Отраженный луч 32 может перенаправляться любой призменной структурой, содержащей призму, сквозь которую он изначально передавался. Призма, сквозь которую перенаправляется отраженный (зеркалом) луч, как правило, определяется расстоянием между зеркалом и решеткой призм. В конечном итоге, вся структура встраивается в тонкую планарную структуру, а расстояние между отражателем и призмой при этом сохраняется очень небольшим - ровно настолько, чтобы обеспечить отсутствие контакта между отражателем и призмой с тем, чтобы возникали требуемые преломления.
На фиг. 2 перенаправленные лучи 32 направляются в световод, имеющий отражающие внутренние стенки 50, над потолком помещения 55. Окно 40 пропускает дневной свет в помещение и перенаправленный прямой солнечный свет 32 в световод.
Поверхностное структурированное перенаправляющее устройство эффективно уменьшает угловое отклонение коэффициента отражения в широком диапазоне углов падения. В случае использования исключительно плоского отражающего зеркала угловое отклонение углов падения равно угловому отклонению коэффициента отражения. Многоступенчатое перенаправление при этом имеет преимущество, состоящее в том, что оно устойчиво к изменениям угла падения, как показано на фиг. 3а-с. На фиг. 3а-с показано перенаправление луча для трех различных углов падающего света, демонстрирующее, что выходное направление света не подвергается существенному влиянию отклонения. Три примера на фиг. 3а-с отображают влияние движения Солнца на падающий дневной свет в рабочее время. Прямые солнечные лучи концентрируются и перенаправляются в небольшое отверстие в фасаде. Моменты сбора в течение дня должны иллюстрировать полдень, утро и время после полудня.
В графическое представление на фиг. 1-3 не включены потери на отражение. Для среды с коэффициентом преломления 1,5 при нормальном падении потери на отражение составляют 4%. Поскольку имеются четыре перехода диэлектрик-воздух, минимальные потери на отражение составляют 16%. Поэтому для снижения этих потерь к поверхности вышеописанных призм может быть добавлен просветляющий (AR) слой (не показан), оптимизированный для настильных углов прохождения.
Следует понимать, что предполагаются модификации настоящего изобретения, и в отдельных случаях некоторые признаки изобретения могут использоваться без соответствующего использования других признаков. Например, может рассматриваться закрепление зеркально отражающих зеркал на вращающиеся лопатки, т.е., слоистые структуры для отслеживания движения Солнца. В принципе, как поверхностная структура прозрачного элемента, так и отражатель света могут быть выполнены в виде фольги. Это позволяет встраивать оптический узел в конструкцию солнцезащитного навеса.
На чертежах устройство в соответствии с изобретением изображено на фасаде, но плоская структура может также размещаться на крыше вблизи вертикального прозрачного отверстия, соединяющего с помещением, такого как мансардное окно или световой люк с куполом.
Как вкратце упоминалось, можно также изменять плоские поверхности призматического прозрачного элемента и/или отражателя света для уменьшения слепящей яркости света, перенаправленного с помощью устройства и способа в соответствии с изобретением.
Устройство в соответствии с изобретением может при этом также использоваться в качестве оптического концентрирующего и перенаправляющего средства в совокупности с устройствами для преобразования солнечной энергии в электроэнергию.
В связи с этим, целесообразно широко толковать прилагаемую формулу изобретения в соответствии с объемом изобретения.