Евразийское 025686 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201391811
(22) Дата подачи заявки 2012.06.29
(51) Int. Cl.
G02B 5/20 (2006.01) G02B 5/26 (2006.01) E06B 3/66 (2006.01) E06B 3/67 (2006.01) G02B 6/00 (2006.01)
(54) СПЕКТРАЛЬНО-СЕЛЕКТИВНАЯ ПАНЕЛЬ
2012901618 WO-A2-2006116567
(31) 2011902631; 2011904552; 2012900381; (56) US-A1-20060154089
WO-A2-2006116567 AU-A1-2007231811
(32) 2011.07.01; 2011.11.02; 2012.02.02; 2012.04.24
(33) AU
(43) 2014.06.30
(86) PCT/AU2012/000787
(87) WO 2013/003894 2013.01.10
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ТРОПИГЛАС ТЕКНОЛОДЖИС ЛТД.
(AU)
(72) Изобретатель: I
Розенберг Виктор, Васильев Михаил, I
Аламех Камаль (AU)
(74) Представитель:
Поликарпов А.В. (RU)
(57) Настоящее изобретение предоставляет спектрально-селективную панель, которая содержит первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн. Панель также содержит первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно, по меньшей мере, частично пропуская свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн.
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к спектрально-селективной панели и в особенности, хотя не исключительно, относится к панели, которая является прозрачной для видимого света и отклоняет инфракрасный свет.
Предпосылки изобретения
Перегрев внутренних пространств, таких как пространства, которые получают солнечный свет через большие окна, является проблемой, которую можно преодолеть с помощью кондиционеров воздуха. Для охлаждения внутренних пространств во всем мире используется большое количество энергии. Большая часть электрической энергии генерируется с использованием невосполнимых источников, что представляет собой все возрастающую проблему для окружающей среды.
Патент США № 6285495 (владельцем которого является настоящий заявитель) раскрывает материал, который может использоваться в качестве оконного стекла и который в значительной степени пропускает видимый свет, но отражает часть падающего света на боковые части панели, где он поглощается фотоэлектрическими элементами, чтобы генерировать электричество. Этот материал имеет двойное преимущество: поскольку передача ИК-излучения сокращается, можно уменьшить нагрев внутренних пространств, и в то же время можно генерировать электроэнергию.
Заявка на выдачу патента США № 2006/154089 раскрывает оптические покрытия для отражения ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящее изобретение представляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который предназначен, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно, по меньшей мере, частично пропуская свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, первый отражающий компонент предназначен, чтобы отражать более 90% падающего излучения в диапазоне длин волн от приблизительно 300 до приблизительно 420 нм.
Первый отражающий компонент, как правило, устроен так, чтобы отражать более 92, более 94, более 96 или более 98% падающего излучения в диапазоне длин волн от приблизительно 300 до приблизительно 420 нм.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение предоставляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной мере пропуская, по меньшей мере, большую часть света с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, первый отражающий компонент устроен так, что в диапазоне длин волн от приблизительно 380 до приблизительно 420 нм коэффициент пропускания возрастает от менее 10 до более 60%.
Первый отражающий компонент, как правило, устроен так, что в диапазоне длин волн от приблизительно 380 до приблизительно 420 нм коэффициент пропускания возрастает от менее 5 до более 80%.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение предоставляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит
первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно будучи устроенным так, что пропускается более чем 40, 50, 60, 70, 80 или 90% падающего света в диапазоне длин волн приблизительно от 400 до приблизительно 680-750 нм.
Согласно четвертому аспекту настоящее изобретение представляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит
первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной мере пропуская, по меньшей мере, большую часть света с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, первый отражающий компонент устроен так, что в диапазоне длин волн от приблизительно 600 до приблизительно 800 нм коэффициент пропускания уменьшается от по меньшей мере от 60 до менее 10%.
Первый отражающий компонент согласно четвертому аспекту, как правило, устроен так, что в диапазоне длин волн от приблизительно 600 до приблизительно 800 нм коэффициент пропускания уменьшается от по меньшей мере от 80 до менее 5%.
Спектрально-селективная панель в соответствии с четвертым аспектом изобретения, как правило, также устроена так, что в диапазоне длин волн от приблизительно 380 до приблизительно 420 нм коэффициент пропускания увеличивается от менее 5-10% до более 60-80%.
Спектрально-селективная панель в соответствии с четвертым аспектом также может быть устроена
так, чтобы отражать более 90, более 92, более 94, более 96 или более 98% падающего излучения в диапазоне длин волн от приблизительно 300 до приблизительно 410 нм.
Согласно пятому аспекту настоящее изобретение предоставляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит
первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной мере пропуская, по меньшей мере, большинство света с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, первый отражающий компонент устроен так, чтобы отражать более 90% солнечной энергии падающего излучения в диапазоне длин волн от приблизительно 700 до приблизительно 1700 нм.
Первый отражающий компонент, как правило, устроен отражать более 92, более 94, более 96 или более 98% солнечной энергии падающего излучения в диапазоне длин волн от приблизительно 700 до приблизительно 1700 нм.
Согласно шестому аспекту настоящее изобретение представляет спектрально-селективную панель, отличающуюся тем, что содержит
первую часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной мере пропуская, по меньшей мере, большинство света с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, первый отражающий компонент содержит исключительно диэлектрические материалы.
Следующее описание относится к первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому аспекту настоящего изобретения.
Спектрально-селективная панель, как правило, устроена так, что по меньшей мере часть энергии, относящаяся к ИК-свету, падающему в направлении, поперечному спектрально-селективной панели, отражается первым отражающим компонентом и затем направляется вдоль панели к боковой части панели.
Спектрально-селективная панель может использоваться для различных целей. Например, спектрально-селективная панель может предоставляться в форме, или может содержать, оконное стекло здания, автомобиля, корабля или любого другого объекта, который содержит окна или ставни. Кроме того, спектрально-селективная панель может образовывать покрытие объекта.
Первый отражающий компонент, как правило, представляет собой пленку, такую как оптически-интерференционное покрытие, которое может крепиться к или располагаться на первую часть панели, которая может предоставляться, например, в форме стеклянной части панели, или может быть образована из полимерного материала, который может быть гибким.
Спектрально-селективная панель, как правило, также содержит люминесцентный материал, приспособленный поглощать по меньшей мере часть падающего и/или отраженного света, имеющего длину волны в ИК-диапазоне длин волн, и испускать свет посредством люминесценции.
Спектрально-селективная панель может быть устроена так, что ИК-свет, падающий с поперечного направления во множестве пространственных углов (добавление до 2*Pi стерадиан) в полупространстве падения света, отражается первым отражающим компонентом.
В одном характерном варианте осуществления настоящего изобретения первый отражающий компонент предоставляется в виде отражающего слоя, который обычно содержит слоистую структуру. Слоистая структура, как правило, представляет собой оптически-интерференционную структуру, такую как краевой фильтр с тройным стеком, содержащий по меньшей мере два, а обычно три набора соответствующих слоев материалов, которые могут представлять собой, например, Al2O3, SiO2 или Та2О5. В одном варианте осуществления слоистая структура работает как коротковолновый пропускающий фильтр, а также тепловое зеркало. Слой, как правило, обладает противоотражающими свойствами для, по меньшей мере, большей части или даже всего диапазона длин волн видимого света.
Первая часть панели может содержать две или более составляющих частей панели, таких как стеклянные части панели, которые могут соединяться вместе лицом к лицу. Составляющие части панели могут соединяться вместе с помощью подходящего клейкого вещества.
В одном характерном варианте осуществления спектрально-селективная панель содержит второй отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать по меньшей мере часть излучения с длиной волны в ИК-диапазоне длин волн, как например в диапазоне длин волн теплового ИК-излучения. Второй отражающий компонент может быть устроен так, чтобы отражать по меньшей мере часть, как правило - большую часть излучения с длиной волны в диапазоне от 1500 до 5000 нм, от 1500 до 10000 нм, от 1500 до 20000 нм. Второй отражающий компонент, как правило, устроен так, что пропускание излучения с длиной волны в диапазоне от 750 до 1300 нм, от 750 до 1400 нм или от 750 до 1500 нм на 50, 70, 80 или даже 90% больше, чем пропускание излучения с длиной волны порядка от 1500 до 2000 нм, от 1600 до 5000 нм или от 1700 до 5000 нм. В одном характерном варианте осуществления второй отражающий компонент устроен так, что пропускание, по меньшей мере, большей части излучения с длиной
волны в диапазоне от 1600 до 10000 нм, от 1700 до 10000 нм или от 1800 до 10000 нм имеет интенсивность, которая уменьшается на 20, 15, 10, 5, 3, 2 или даже 1% падающего излучения.
Второй отражающий компонент, как правило, предоставляется в виде пленки, такой как оптически-интерференционное покрытие, которое может крепиться к первой части панели, или располагаться на ней.
Второй отражающий компонент, как правило, устроен так, что по меньшей мере часть, обычно большая часть энергии, связанной с тепловым ИК-излучением, таким как тепловое ИК-излучение, которое падает из внутреннего пространства, смежного со спектрально-селективным компонентом, отражается, и по меньшей мере часть, обычно большая часть, падающего солнечного света в ИК-диапазоне длин волн может проходить через второй отражающий компонент. Как описано выше, первый отражающий компонент, как правило, устроен так, чтобы отражать падающий солнечный свет в ИК-диапазоне длин волн и в УФ-диапазоне длин волн, одновременно, по меньшей мере, частично пропуская свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн. Спектрально-селективный компонент, как правило, при использовании располагается так, что падающий солнечный свет сначала проходит через второй отражающий компонент, прежде чем пройти через первый отражающий компонент. Кроме того, спектрально-селективный компонент, как правило, при использовании располагается так, что тепловое ИК-излучение, такое как тепловое ИК-излучение из внутреннего пространства, смежного со спектрально-селективным компонентом, сначала проходит через первый отражающий компонент, прежде чем пройти через второй отражающий компонент. Сочетание первого отражающего компонента со вторым отражающим компонентом в соответствии с характерным вариантом осуществления настоящего изобретения сочетает термоизоляционные свойства, предлагаемые вторым отражающим компонентом, с селективными к солнечному свету свойствами первого отражающего компонента.
Первый и второй отражающие компоненты, как правило, крепятся к противоположным сторонам первой части панели, или располагаются на них. В другом случае первая часть панели может содержать две или более составляющие части панели, и второй отражающий компонент может крепиться к другой составляющей части панели, чем первый отражающий компонент. Например, спектрально-селективная панель может быть устроена так, что первый отражающий компонент обращен к внутреннему пространству (такому как внутреннее пространство здания), а второй отражающий компонент располагается в положении, которое находится на расстоянии от внутреннего пространства и первого отражающего компонента.
Спектрально-селективная панель, как правило, также содержит рассеивающий материал, который устроен так, чтобы увеличивать рассеивание падающего света, как например рассеивающий материал, который преимущественно рассеивает свет с длиной волны в ИК-диапазоне длин волн. Например, рассеивающий материал может содержать частицы микро- или наноразмера и может предоставляться в виде пленки. В другом случае рассеивающий материал может быть распределен в первой части панели, или в клейком веществе, которое соединяет две части панели. Рассеивание света может производиться в значительной мере без потерь (без поглощения) в ИК- и/или видимом диапазоне длин волн, если, например, используются рассеивающие материалы, которые имеют относительно широкие энергетические запрещенные зоны, как например частицы оксидов редкоземельных элементов (например, Yb2O3 или Nd2O3).
В одном характерном варианте осуществления первая часть панели содержит составляющие части панели и рассеивающий материал располагается между смежными составляющими частями панели, которые расположены лицом к лицу. В этом варианте осуществления рассеивающий материал также может содержать люминесцентный материал и может функционировать как клейкое вещество, которое соединяет составляющие части панели вместе лицом к лицу.
Спектрально-селективная панель также может содержать промежуток между составляющими частями панели, которые могут разделяться с помощью соответствующих разделителей. Промежуток, как правило, заполняется текучей средой, такой как воздух или другой подходящий газообразный материал, или подходящая жидкость. Например, поверхности составляющих частей панели, определяющие промежуток, могут быть покрыты рассеивающим материалом и/или люминесцентным материалом. Поверхности составляющих частей панели также могут содержать оптические дифракционные элементы.
В одном характерном примере рассеивающий материал приспособлен для предпочтительного рассеивания ИК-света, тогда как по меньшей мере большая часть падающего видимого света в значительной степени проходит через рассеивающий материал. Рассеивающий материал может содержать слоистую структуру, имеющую множество слоев, и один или более слоев могут иметь аморфную структуру. Рассеивающий материал также может содержать композитные материалы, в которых нано- или микрокристаллы окружены матрицей аморфного материала.
Кроме того, рассеивающий материал может содержать оптические элементы, такие как дифракционные элементы или фазовые маски (оптические фазовые решетки), которые приводят к рассеиванию и/или направленному отклонению падающего и/или отраженного света.
Спектрально-селективная панель, как правило, устроена так, что первый отражающий компонент, который обычно является отражающим слоем, располагается в нижней части спектрально-селективной панели, и первый отражающий компонент отражает часть ИК-света, который пропускается через первую
часть панели.
Кроме того, спектрально-селективная панель может содержать верхний слой, на который свет падает перед прохождением через первую часть панели спектрально-селективной панели. Верхний слой, как правило, представляет собой многослойную структуру, которая в значительной степени пропускает или даже является противоотражающей для видимого света и устроена для отражения части ИК-света, как например ИК-света, который испускается люминесцентным материалом. Верхний слой может, например, содержать оксидные материалы, такие как Al2O3, SiO2 и Та2О5.
В одном характерном варианте осуществления спектрально-селективная панель содержит по меньшей мере один фотоэлектрический элемент, который располагается на боковой части спектрально-селективной панели или возле нее для получения части ИК и другого света, которая направляется к этой боковой части спектрально-селективной панелью. Например, по меньшей мере один фотоэлектрический элемент может быть основан на Ge или GaAs, или CIGS (диселенид меди-индия-галлия), или CIS (дисе-ленид меди-индия) фотоэлектрическом элементе, который имеет относительно небольшую запрещенную зону, подходящую для поглощения света в ИК-диапазоне длин волн. Кроме того, по меньшей мере один фотоэлектрический элемент может содержать стек фотоэлектрических элементов, имеющих множество запрещенных зон.
Согласно восьмому аспекту настоящее изобретение предоставляет способ проектирования спектрально-селективной панели, отличающийся тем, что содержит шаги:
расчет свойств стеков слоев, так что слоистая структура, содержащая стек слоев, устроена так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной степени пропуская, по меньшей мере, большую часть света, имеющего длину волны в видимом диапазоне длин волн, и формирование слоистой структуры на или возле части панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн.
Способ, как правило, реализуется так, что спектрально-селективный компонент образуется в соответствии с одним из первого-седьмого аспекта настоящего изобретения.
Изобретение будет более понятно из следующего описания характерных вариантов осуществления изобретения. Описание предоставляется со ссылкой на сопутствующие графические материалы.
Краткое описание графических материалов
Фиг. 1 представляет собой изображение спектрально-селективной панели в соответствии с одним характерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет собой изображение спектрально-селективной панели в соответствии с другим характерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 и 4 представляют собой результаты измерений, взятых с использованием компонентов в соответствии с характерными вариантами осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 представляет рассчитанную спектральную плотность мощности, которая относится к спектрально-селективной панели в соответствии с характерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 6 представляет рассчитанный спектр пропускания спектрально-селективной панели в соответствии с характерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 7 представляет собой изображение спектрально-селективной панели в соответствии с другим характерным вариантом осуществления настоящего изобретения и
фиг. 8 представляет рассчитанный спектр пропускания спектрально-селективной панели в соответствии с характерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание характерных вариантов осуществления
Обращаясь сначала к фиг. 1, описывается спектрально-селективная панель 100.
Спектрально-селективная панель 100 может, например, предоставляться в виде оконного стекла здания, автомобиля, корабля или другого подходящего объекта.
Спектрально-селективная панель уменьшает пропускание света с длиной волны в ИК-диапазоне длин волн, одновременно в значительной степени пропуская видимый свет. В одном варианте осуществления спектрально-селективная панель 100 устроена так, чтобы отклонять ИК-свет и использовать отклоненный ИК-свет для генерации электроэнергии.
Спектрально-селективная панель 100 в этом варианте осуществления содержит стеклянные панели 102 и 104. Стеклянные панели 102 и 104 разделены прозрачным стеклянным разделителем 106. Внутренние поверхности стеклянных панелей 102 и 104 покрыты покрытиями 108. Внешние поверхности панелей 102 и 104 покрыты многослойными покрытиями 112 и 110 соответственно. Солнечные элементы 114 располагаются на боковых частях спектрально-селективной панели 100.
Кроме того, многослойное покрытие 110 является противоотражающим для видимого света и отражающим для падающего УФ-света. Следовательно, часть ИК и УФ-света, которая падает из верхней части спектрально-селективной панели 100, пропускается через стеклянные панели 102 и 104, а затем отражается многослойным покрытием 110. Стеклянные панели 102 и 104 устроены так, что, в зависимости от угла отражения, часть отраженного света направляется вдоль стеклянных панелей 102 и 104 к солнечным
элементам 114, где ИК-свет может поглощаться для генерации электроэнергии.
Покрытия 108 в этом варианте осуществления содержат частицы оксидов редкоземельных элементов нано- или микроразмера, имеющие относительно широкие энергетические запрещенные зоны, так что рассеивание подходящего света происходит фактически без потерь (без поглощения). Следовательно, слои 108 функционируют как рассеиватели. Кроме того, слои 108 могут содержать эпоксидную смолу, которая соединяет стеклянные панели 102 и 104 с разделителями 106.
Слои 108 также содержат люминесцентные материалы, и, чтобы обладать этой функцией, вышеуказанные оксиды редкоземельных элементов легируются. Например, если свет падает с направления, поперечного спектрально-селективной панели, и затем поглощается люминесцентным материалом, испускаемое затем люминесцентное излучение испускается в случайных направлениях. Это дает излучение, которое направлено менее поперечно, и таким образом значительная часть испущенного люминесцентного излучения излучается в таких направлениях, что стеклянные панели 102 и 104 направляют люминесцентное излучение к солнечным элементам 114 для генерации электроэнергии.
Стеклянные панели 102 и 104 также могут легироваться люминесцентными материалами, которые поглощают часть входящего ИК- и УФ-света и испускают люминесцентное излучение в случайных направлениях.
Кроме того, слои 108 устроены так, что ИК-свет преимущественно рассеивается, что более подробно обсуждается ниже. Часть ИК-света, которая отражается слоем 110 в поперечном направлении, рассеивается слоями 108, так что соответствующая интенсивность света направляется множественным рассеиванием и/или внутренним отражением к солнечным элементам 114. Следовательно, рассеивающие свойства слоев 108 способствуют сокращению пропускания ИК-излучения и улучшают эффективность генерации энергии.
(Необязательное) верхнее покрытие 112 обладает противоотражающими свойствами в УФ и видимом диапазоне длин волн и функционирует как ИК-отражатель. В другом варианте осуществления верхнее покрытие 112 устроено как сильно отражающее для УФ-излучения, одновременно являясь противо-отражающим для видимого света и необязательно также сильно отражающим в ИК (под-) диапазоне длин волн, в котором испускают свет люминофорные материалы. Противоотражающее свойство в УФ-диапазоне в этом примере используется, чтобы защитить люминофоры от неблагоприятного воздействия падающего УФ-излучения. Это покрытие является многослойной структурой, которая спроектирована, чтобы отражать ИК-свет преимущественно в диапазоне длин волн, в котором испускают свет люминесцентные материалы. Следовательно, покрытие 112 в значительной мере предотвращает выход генерируемого люминесцентного излучения без направления на фотоэлектрические элементы 114. В этом варианте осуществления промежуток между стеклянными панелями 102 и 104 заполнен воздухом. Подобно оконной структуре с двойным остеклением промежуток обеспечивает термическую изоляцию, улучшенную общую структурную стабильность, шумоизоляцию и дополнительные контрастные поверхности с высоким коэффициентом преломления, что приводит к увеличению вероятности захвата света во множестве отражений в стеклянных панелях вследствие общих внутренних отражений.
Будет понятно, что в альтернативных вариантах осуществления промежуток может заполняться любым другим подходящим диэлектрическим материалом. Также будет понятно, что в вариациях описанного варианта осуществления спектрально-селективная панель 100 может содержать любое число стеклянных панелей, которые могут определять или не определять промежутки между смежными стеклянными панелями. Кроме того, стеклянные панели могут замещаться панелями из подходящего другого материала, такого как полимерный материал, включая, например, поливинилбутираль (PVB) или поли-винилхлорид (PVC), а также могут предоставляться в виде ламината, как например небьющееся стекло.
Люминесцентный материал, в этом предоставленном примере включенный в слой 108, располагается на верхней и нижней гранях стеклянных панелей 102 и 104 соответственно. В другом случае люминесцентный материал может располагаться только на одной из стеклянных панелей 102 и 104 может быть легирован люминесцентным материалом, или может содержать его.
В дополнение, необходимо понимать, что в альтернативном варианте осуществления спектрально-селективная панель 100 не обязательно может содержать фотоэлектрические элементы 114, а может, например, содержать отдушины, теплосьемники и т.п., предназначенные для отвода тепловой энергии, которая направляется в виде ИК излучения на боковые части спектрально-селективной панели 100. Некоторые из боковых частей также могут быть покрыты сильно отражательными материалами, включая Al или Ag, или любыми Подходящими диэлектрическими покрытиями, которые перенаправляют свет от таких боковых поверхностей на другие боковые поверхности панели.
На фиг. 2 описывается спектрально-селективная панель 200 в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Спектрально-селективная панель 200 содержит стеклянные панели 202 и 204. В этом варианте осуществления стеклянные панели разделены слоем 206, содержащим оптическую эпоксидную смолу, в которой распределены люминесцентная рассеивающая пудра и пигменты. Люминесцентная рассеивающая пудра содержит единственный материал, который представляет собой композицию и который обеспечивает люминесценцию, а также рассеивающие функции. В другом случае люминесцентная рассеивающая пудра может быть смесью составляющих материалов, и каждый
составляющий материал может иметь соответствующую функцию. Следовательно, слой 206 сочетает функции соединения стеклянных панелей 202 и 204 друг с другом, предоставления люминесцентного материала и действия в качестве рассеивающих слоев.
Спектрально-селективная панель 200 также содержит нижнее покрытие 208, которое является отражающим для ИК-излучения и имеет противоотражающие свойства в видимом диапазоне длин волн. Нижнее покрытие 208 имеет свойства, аналогичные свойствам вышеописанного покрытия 110. Кроме того, спектрально-селективная панель 200 также содержит верхнее покрытие, которое в этом примере является противоотражающим для видимого и УФ-света, имеет среднюю или умеренную отражательную способность для первой части ближнего инфракрасного излучения и высокую отражательную способность для второй части ближнего инфракрасного диапазона длин волн излучения, в котором люминесцентный материал слоя 206 испускает люминесцентный свет. Подобно спектрально-селективной панели 100, представленной на фиг. 1, спектрально-селективная панель 200 может также содержать фотоэлектрические элементы (не показаны), расположенные на боковых частях спектрально-селективной панели
200.
Также спектрально-селективная панель 100 или 200 содержит дифракционный оптический элемент (не показан), который предназначен для спектрально-селективного отклонения падающего и отраженного ИК-света. Дифракционный оптический элемент используется как отражательная рельефно-фазовая дифракционная решетка или в режиме отражения, или в режиме пропускания, и спроектирован так, что большая часть падающего солнечного ИК-света отклоняется в один предпочтительный порядок дифракции. Также дифракционный оптический элемент устроен так, чтобы позволять пропускание видимого света. Дифракционный элемент крепится на верхнюю грань панели, но в вариациях описанного варианта осуществления может также располагаться (или образовываться) на других гранях панели 100 или 200, например, на поверхностях, которые определяют промежуток между двумя составляющими панелями. Спектральные свойства дифракционного элемента могут быть спроектированы специалистом в данной области техники путем настройки следующих параметров: показателя преломления подложки, формы профиля решетки, угла блеска, скважности, периода решетки, числа фазовых уровней и глубин (ы) травления.
Теперь более подробно будут описаны ИК-отражающие слои 110 и 208 спектрально-селективных панелей 100 и 200 соответственно.
Слои 110 и 208 предоставляются в виде многослойных оптических интерференционных фильтров-покрытий, которые обладают сверх широкополосными свойствами по отражению тепла и используют конструкционный тип покрытия краевого фильтра с тройным стеком. Слои 110 и 208 также являются отражающими в УФ-диапазоне. Слои 110 и 208 образуются из Al2O3, SiO2 и Та2О5 с помощью способов ВЧ напыления. Общая толщина такого покрытия в этом варианте осуществления составляет от 4 до 8 мкм, а порядок оптических материалов в последовательности слоев может разниться в зависимости от выбранной конструкции. Эксперименты по отжигу (3 часа при 600°С со скоростью изменения температуры 5°С/мин) показали великолепную механическую, связанную с подверженностью нагрузкам, связанную с воздействием температур и адгезионную стабильность покрытий. Слои 110 и 208 являются устойчивыми к механическим воздействиям и трещинам, жаростойкими, негигроскопичными и стабильными в отношении воздействия обычных типов химических растворителей.
Были проверены и смоделированы рабочие характеристики покрытий типа 110 и 208 на стекле. Результаты показали, что доля мощности всего общего солнечного ИК-света, содержащейся в диапазоне длин волн 700-1700 нм и которая проходит оптически через систему подложка-покрытие, составляет всего приблизительно 4%. Поскольку покрытия 110 и 208 обладают сверх широкополосными свойствами, отражательная способность к мощности ИК света является эффективной для широкого диапазона углов падения.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения покрытия типа 110 и 208 предоставляются на прозрачной пленке или гибких прозрачных подложках (не показывается), которые также имеют клейкое покрытие. В этом варианте осуществления пленки предоставляют фактически (переносимые) ИК-зеркала, которые могут накладываться на объекты. Специалист в данной области техники поймет, что с этой целью могут использоваться различные типы фольги и клейких материалов.
Теперь более подробно будет описано покрытие 110. Покрытие 110 представляет собой многослойное покрытие и устроено отражать падающий ИК-свет в широком ИК-диапазоне длин волн. Покрытие 110 в этом варианте осуществления также имеет относительно высокую отражательную способность (> 90% или даже > 98%) к солнечному свету в широком (контролированной ширины) УФ-диапазоне солнечного излучения в общих пределах между 300-410 нм. Кроме того, покрытие 110 имеет скорее крутой спуск отклика спектрального пропускания возле приблизительно 400 нм, так что пропускание света возрастает от около нулевого (ниже 5%) уровня для длин волн немного ниже 400-415 нм, до существенного уровня оптического пропускания, превышающего 60-80% уже в смежной области фиолетового света возле 400-420 нм. Крутизна этого наклона определяется как процентная доля изменения коэффициента пропускания (Т) на нанометр полосы пропускания. Покрытие 110 имеет касательную наклона пропуска
ния УФ-в-видимый 8-10%Т/нм, с наклонами пропускания УФ-в-видимый, расположенными в окрестности 400 нм.
Покрытие 110 также имеет спектрально ровные свойства пропускания в видимой спектральной области, содержащейся в пределах 380-750 нм. "Стабильность" области отклика видимой передачи может быть описана отношением между шириной полосы уровня 80%Т (в нм) полосы пропущенного излучения к полной ширине при половине максимальной ширины полосы той же полосы пропускания. Покрытие 110, как правило, имеет стабильность отклика более чем 0,9.
Покрытие 110 также устроено так, чтобы иметь крутой наклон отклика спектрального пропускания возле приблизительно 700 +/- 100 нм, так что коэффициент пропускания уменьшается от уровня в пределах уровня видимого диапазона (как правило, более 60-80%) для длин волн выше 400+/- 20 нм, но ниже 700 +/- 100 нм, до скорее малого уровня оптического пропускания, не превышающего 5-10%, уже в пределах смежной области красного или ближнего ИК-света возле окрестности 700 нм, где создается возникновение существенного изменения пропускания. Эта потеря пропускания, которая в пределах диапазона длин волн немного выше видимого диапазона длин волн, создается для возникновения по причине увеличенной отражательной способности света системой покрытие - стеклянная подложка, а не по причине какого-либо увеличения в оптической поглощаемости в этой области длин волн.
Крутизна этого наклона сокращения спектрального пропускания может быть охарактеризована процентной долей изменения пропускания на нанометр ширины полосы. Покрытие 110 устроено так, что касательная наклона диапазона видимого света в ближний инфракрасный солнечный свет составляет около -2.5 - (-3)%Т/нм с наклонами отклика пропускания видимый-в-ИК обычно расположенными спектрально в окрестности или 700 нм (+/- 20 нм), или 750 нм (+/- 20 нм).
Покрытие 110 также имеет спектрально широкую (превышающую 200-300 нм) область высокой отражательной способности в пределах солнечной ИК-спектральной области солнечного излучения непосредственно вслед (на стороне больших длин волн спектра) за ранее описанным наклоном отклика пропускания видимый-в-ИК.
Для квантификации производительности покрытия 110 предполагается, что часть падающей солнечной ИК-энергии в стандартном AM 1,5 солнечном спектре между, например, 700-1700 нм, который пропускается при обычном падении через стекло, покрытое покрытием 110. Расчет производительности покрытия 110 указывает, что пропускаются только 18,69 Вт/м2, из общих падающих 467, 85 Вт/м2, что составляет только 3, 99% от общей солнечной ИК-тепловой энергии между 700-1700 нм, пропускаемой через стекло. Фиг. 5 представляет расчетную спектральную плотность мощности. Интеграция энергии осуществляется численно с помощью измеренных точек спектральных данных, относящихся к AM 1,5, отклика покрытия и формулы Симпсона. Таким образом, в предоставляемом примере 96% солнечной ИК-энергии, содержащейся между 700-1700 нм, отражается от этого покрытия. Важно, что эти графики предполагают нормальное падение солнечного света на стекло и окно, перехватывающее весь поток солнечной энергии под углом потока 90°. В действительности, в реальных приложениях будет пропускаться еще меньше ИК-энергии вследствие перехвата меньшего потока энергии вертикальными стеклянными панелями, а также вследствие, как правило, более высокой отражательной способности при больших углах падения. Вследствие широкого спектрального диапазона отражения ИК-свет, приходящий под большими углами падения, также отражается эффективно.
Далее подводятся итоги относительно конструкции покрытия 110. Покрытие 110 представляет собой краевое зеркало с составным стеком, которое содержит слои диэлектрических материалов. Каждый из, к примеру, 3 стеков слоев содержит, как правило, более 10 слоев. Свойства слоев могут рассчитываться следующим образом, с использованием подходящей программной процедуры и высокопроизводительной игольчатой оптимизации или случайной оптимизации, или генетических алгоритмов: S {a} (L/2HL/2)m {b} (L/2HL/2)n {с} (L/2HL/2)P {d} (LMHML)q
где S обозначает положение подложки относительно пленочной последовательности, a L, Н и М обозначают слои четвертьволновой оптической толщины соответствующих материалов. Проектная длина волны в каждом наборе скобок меняется в соответствии с предшествующим коэффициентом умножения в скобках "{}", относительно длины волны в базовом проекте. Например, для проектной длины волны 500 нм, толщина оптического слоя в подстеке {2.0} (HLM)10 рассчитывается как составляющая 1000 нм для всех слоев в этом подстеке в скобках "()". Следовательно, физическая толщина каждого слоя "Н" составляет 1000 НМ/(4*П(Н)).
Цель оптимизационного алгоритма состоит в том, чтобы минимизировать индексы повторения под-стеков m, n, р и q, а также минимизировать общую толщину и количество слоев, требующееся для получения желаемой формы спектрального отклика для любого заданного приложения. Другая цель состоит в оптимизации локальных (подстековых) отдельных коэффициентов умножения проектных длин волн а, b, с и d. Если необходимо, в любых дополнительных слоях могут быть вставлены в последовательность слоев, между подстеками или любыми соответствующими коэффициентам слоями, чтобы дополнительно настроить получающуюся в результате производительность и спектр покрытия 110.
Пример одного варианта осуществления этого подхода проектирования предоставляется далее: S{2.11} (L/2HL/2)12{1.64}(L/2HL/2)8{2.85}(L/2HL/2)8{1.4} (LMHML)1
(Базовая) проектная длина волны 500 нм была использована для оптимизации, а используемыми материалами были Та2О5, Al2O3 и SiO2. 61 слой в последовательности наложения (толщина 1/4 длины волны света), общая толщина показанного в этом примере покрытия составляет 9,4 мкм. Фиг. 6 представляет расчетный спектр пропускания, относящийся к этому примеру.
Наклоны пропускания как для малых длин волн, так и для больших длин волн могут быть спектрально смещены, а следовательно положения наклонов можно контролировать путем регулирования проектной последовательности и толщин отдельных слоев. В этом примере диапазон высокого пропускания смещен к зелено-красной области, а также из этой показательной конструкции следует скорее узкий диапазон ослабления коротких волн.
Как указано выше, верхние покрытия 112 и 210 предоставляются в виде спектрально-селективных эмиссионных зеркал. Покрытия 110 и 208 содержат множество слоев (20-25) Al2O3, SiO2 и Та2О5 и подготавливаются с помощью методов ВЧ напыления. В этом варианте осуществления слои 112 и 210 спроектированы так, что отражением предотвращается прохождение через покрытия 102 и 210 особенно люминесцентного излучения, которое генерируется в спектрально-селективных панелях 100 и 200. Толщина таких покрытий меняется с проектными требованиями и находится в диапазоне нескольких мкм.
Отличительный признак спектрально-селективных панелей 100 и 200 относится к ИК-специфической конструкции покрытий 102, 108, 110, 210, 208 и материала 206 в сочетании с (по меньшей мере частично) визуально-прозрачными люминофорами с ИК-возбуждаемой фотолюминесценцией материала 206 и покрытий 108.
В вариантах осуществления, представленных на фиг. 1 и 2, спектрально-селективные панели 100 и 200 содержат рассеивающие слои 108 и 206, соответственно. Будет понятно, что в вариациях описанных вариантов осуществления спектрально-селективные панели 100 и 200 могут не содержать таких рассеивающих слоев.
Как упомянуто выше, спектрально-селективные панели 100 и 200 также могут содержать рассеивающие слои. Эти слои были созданы с использованием ВЧ напыления и могут содержать оксиды редкоземельных элементов. Рассеивающие слои могут включаться в вышеописанные слои 108 и 206, или предоставляться вместо них. Эти слои оксидов редкоземельных элементов подготавливаются так, что они обладают предпочтительными рассеивающими/распространяющими свойствами в ИК-диапазоне длин волн и имеют аморфное покрытие поверхности (образованное процессом отжига в печи), которое отвечает за предпочтительное рассеивание в ИК-диапазоне длин волн. Предпочтительное рассеивание в ИК диапазоне длин волн связано с такими свойствами как характерный размер частицы и расстояния между частицами, типичными для аморфно-оксидных подобных осадку признаков, обнаруживаемых на поверхностях пленки после отжига.
Рассеивающие слои 108 и 206 сочетают рассеивающие функции, такие как рассеивание без оптических потерь, с люминесцентными функциями преобразования энергии. Слои 108 и 206 имеют толщину в несколько 100 нм и содержат частицы нано- или микроразмера редкоземельных материалов (таких как Yb2O3, Nd2O3), которые имеют широкие запрещенные зоны в структурах своих энергетических уровней электронов и позволяют рассеивание света фактически без потерь в ИК, а также в видимом диапазонах длин волн. Редкоземельные частицы связываются оптически прозрачными эпоксидными смолами, от-верждаемыми УФ (такими как эпоксидная смола Norland NOA63). Кроме того, в эпоксидном материале слоев 108 и 206 рассеиваются люминофоры (пигменты и нанопорошкообразные материалы). В одном примере ИК-возбуждаемые гибридные органически-неорганические люминофоры рассеиваются в эпоксидной смоле в концентрации приблизительно около 0,25-1 вес. %.
Оксиды редкоземельных элементов также могут легироваться редкоземельными люминесцентными материалами, представленными, например, ионами редкоземельных металлов, и могут, например, представляться в виде Y2O3:Eu, Y2O3:Er или NaYF4:Yb.
Фиг. 3 представляет спектры пропускания и поглощения такого слоя оксида редкоземельных элементов на стекле (интенсивность как функция длины волны в нм). График 300 показывает этот спектр пропускания для рассеивающего слоя толщиной около 1 мкм, график 302 показывает общее (зеркальное и рассеянное) отражение, а график 304 показывает соответствующий спектр оптических потерь (представленный суммой вкладов поглощающих и рассеивающих потерь пропускания и потерь отражения). Слой продемонстрировал предпочтительное рассеивание в ИК диапазоне спектра, который покрыл большую часть ближнего ИК диапазона. Прозрачность для видимого света составила около 80%. После приведения в контакт с оптической эпоксидной смолой с показателем преломления, близким к 1,49 (соответствует стеклу), рассеивание уменьшается, а прозрачность увеличивается. Рассеивающий слой из оксида редкоземельных элементов имеет люминофорные свойства при возбуждении подходящим светом.
Фиг. 4 представляет спектр пропускания для спектрально-селективных панелей 100 и 200 (пропущенная доля интенсивности как функция длины волны в нм). График 400 представляет измеренные данные пропускания для панели типа спектрально-селективной панели 100 (с воздушным промежутком), а график 402 представляет измеренные данные пропускания для панели типа спектрально-селективной панели 200 (без воздушного промежутка).
Следует отметить, что воздушный промежуток панели 100 существенно не влияет на пропускание видимого света. Кроме того, поскольку эпоксидная смола по показателю преломления соответствует стеклу, сама эпоксидная смола не приводит к каким-либо существенным потерям пропускания.
Функцию спектрально-селективной панели 100 можно подытожить следующим образом. После того как многократное рассеивание проходит через рассеивающие слои и стыки, (статистически) больше фотонов распространяется под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения для световых лучей, распространяющихся в стеклянной панели, окруженной воздухом. С учетом того, что крупная доля солнечного ИК-света падает под большими углами (чему способствует рассеивание и испускание люминесцентного излучения), крупная доля этого ИК-света захватывается в спектрально-селективной панели 100 и достигает боковых частей панели 100. Верхнее покрытие 112 спроектировано так, чтобы отражать свет, испущенный люминофорами и является визуально прозрачным. Нижнее покрытие 110 отражает большую часть ИК-света при всех углах и всех длинах волн. Эти свойства, объединенные с угловым перераспределением приходящих фотонов посредством многопроходного рассеивания в относительно тонких непоглощающих или слабо поглощающих и люминесцентных слоях 108, представляют собой уникальный признак спектрально-селективных панелей 100 в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Эффекты рассеивания также могут усиливать процессы люминесценции путем увеличения длин траекторий люминофорного поглощения.
Обращаясь теперь к фиг. 7, теперь описывается спектрально-селективная панель 700 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Спектрально-селективная панель 700 содержит вышеописанные части 202 и 204 панели и солнечно селективное нижнее покрытие 208. В этом варианте осуществления части 202 и 204 панели разделены воздушным промежутком 702. Кроме того, спектрально-селективный компонент 700 содержит покрытие 704 с малым испусканием тепла. Покрытие 704 обладает высокими свойствами пропускания для видимого света и относительно высокой отражательной способностью для относительно широкого ИК-диапазона длин волн. Фиг. 8 представляет расчетный спектр пропускания покрытия 704. Спектр покрытия 704 в этом варианте осуществления имеет относительно крутой наклон, разделяющий диапазоны высокого и низкого пропускания при 1500+/-100 нм. Пропускание ИК-излучения уменьшается до менее 10% или даже до менее 1-2% в очень широком диапазоне длин волн, как правило, протягивающемся от этого наклона до длин волн, превышающих 10 или даже 20 мкм.
Например, спектрально-селективная панель 700 может образовывать оконное стекло в окне здания. В этом случае спектрально-селективная панель 700, как правило, ориентируется так, что покрытие 208 обращено внутрь здания. Покрытие 704 с низким испусканием (тепла) позволяет пропускание большей части видимого диапазона и солнечной ИК-энергии извне здания, что позволяет собирать солнечную энергию с помощью покрытия 208 вышеописанным образом. В то же время покрытие 704 с низким испусканием отражает большую часть теплового ИК-излучения, происходящего от нагревателей и т.п. внутри здания, обратно внутрь здания, что сокращает потери тепловой энергии. Следовательно, оба покрытия 208 и 704 способствуют сокращению потребления энергии и сокращает производимые издержки.
В этом варианте осуществления покрытие 704 содержит 11 слоев, которые состоят из Ag и Y2O3, имея толщины, которые выбираются так, чтобы получать спектральные характеристики, как представлено на фиг. 8.
Специалист в данной области техники поймет, что покрытие 704 может в другом случае быть образовано из других подходящих материалов и может иметь другое количество слоев. Также нужно понимать, что спектрально-селективный компонент 700 может в другом случае быть предоставлен в другой форме. Например, спектрально-селективный компонент 700 может содержать вышеописанное верхнее покрытие 210. Также воздушный промежуток 704 может быть заменен слоем 206. Кроме того, слой 704 с низким испусканием может в другом случае располагаться на другой поверхности, такой как поверхность панели 204.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные примеры, специалистам в данной области техники будет понятно, что изобретение может быть реализовано во множестве других форм.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Спектрально-селективная панель, содержащая
часть панели, которая, по меньшей мере, частично пропускает свет с длиной волны в видимом диапазоне длин волн; и
первый отражающий компонент, который устроен так, чтобы отражать падающий свет в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн и в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, одновременно в значительной мере пропуская по меньшей мере большую часть света с длиной волны в видимом диапазоне длин волн, при этом первый отражающий компонент выполнен в виде оптического интерференционного покрытия, содержащего слои диэлектрических материалов, и устроен так, что по меньшей мере часть энергии, связанной со светом в инфракрасном диапазоне, падающим на основную поверхность спектрально-селективной панели, отражается первым отражающим компонентом и затем направляется
вдоль панели к боковой части панели,
отличающаяся тем, что на боковой части спектрально-селективной панели расположен по меньшей мере один фотоэлектрический элемент на основе CIGS (диселенид меди-индия-галлия) или CIS (диселе-нид меди-индия) для получения части света, который направляется к этой боковой части.
2. Спектрально-селективная панель по п.1, отличающаяся тем, что первый отражающий компонент выполнен в виде стопы зеркал.
3. Спектрально-селективная панель по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что часть панели выполнена в виде стеклянной части панели.
4. Спектрально-селективная панель по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что часть панели выполнена из полимерного материала.
5. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что спектрально-селективная панель выполнена в виде оконного стекла или содержит его.
6. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что часть панели содержит две или более составляющие части панели, которые соединены вместе.
7. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, содержащая люминесцентный материал, предназначенный для поглощения по меньшей мере части падающего и/или отраженного света с длиной волны в ИК-диапазоне длин волн и испускания света посредством люминесценции.
8. Спектрально-селективная панель по п.7, отличающаяся тем, что люминесцентный материал содержит люминофоры, которые предназначены для поглощения ИК-света и прозрачны в видимом диапазоне.
9. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, также содержащая рассеивающий материал, который предназначен для усиления рассеивания падающего света.
10. Спектрально-селективная панель по п.9, содержащая люминесцентный материал, и причем часть панели содержит составляющие части панели, а рассеивающий материал расположен между смежными составляющими частями панели, которые расположены напротив друг друга, и причем рассеивающий материал также содержит по меньшей мере часть люминесцентного материала и действует как клейкое вещество, которое соединяет указанные составляющие части панели.
11. Спектрально-селективная панель по п.9 или 10, отличающаяся тем, что рассеивающий материал содержит по меньшей мере одно из дифракционного элемента, фазовых масок и оптической фазовой решетки, которые приводят к рассеиванию или направленному отклонению падающего и/или отраженного света.
12. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, содержащая верхний слой, на который свет падает перед прохождением через указанную часть панели, и при этом верхний слой представляет собой многослойную структуру, которая в значительной мере пропускает видимый свет и предназначена для отражения ИК-света, испускаемого люминесцентным материалом.
13. Спектрально-селективная панель по любому из предыдущих пунктов, в которой первый отражающий компонент содержит исключительно диэлектрические материалы.
100
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025686
- 1 -
(19)
025686
- 1 -
(19)
025686
- 4 -
(19)
025686
- 11 -