专利名称：采光罩、集光装置和照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及采光和照明领域，尤其涉及一种采光罩、集光装置和照明系统。
背景技术：
利用太阳光进行室内照明是一种新型的绿色照明方案。它能够将太阳光采集和输送到建筑物室内，代替灯光进行照明。这可以实现对自然资源的充分的利用，又可以节约能源。然而，目前的日光照明系统光效率较低，且能够利用的太阳光量较少。而且目前的日光照明系统的功能比较单一，只能收集和传送阳光。再者，目前的日光照明系统只有在日光比较充分的情况下才能实现照明，而在夜晚或阴雨天气则难以实现照明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种多功能的采光罩，其不仅可以高效地收集直接用于照明的阳光，还可以利用另一部分阳光进行发电或信号检测等功能。本发明的目的还在于提供一种包括上述采光罩的集光装置，其不仅可以将阳光高效地收集和输送至需要照明的区域，还能够利用另一部分阳光进行发电或信号检测等功倉泛。本发明的目的还在于提供一种照明系统，其能够利用日光同时实现日间和夜间的照明。为了实现上述发明目的，本发明的技术方案通过以下方式来实现根据本发明的一个方面，提供一种米光罩，包括选择性反射器，具有成凹面镜形式的采光表面，所述选择性反射器能够将照射到采光表面上的具有第一波长的辐射至少部分地反射并会聚，且能够使照射到采光表面上的具有第二波长的辐射至少部分地透射通过；光接收装置，所述光接收装置位于所述选择性反射器的背光侧，用于接收透射通过选择性反射器的辐射；和罩体，所述罩体用于支承所述选择性反射器和光接收装置。进一步地，所述第一波长可以为可见光波长，所述第二波长可以为红外光波长。进一步地，所述第一波长可以为可见光波长，所述第二波长也可以为可见光波长。更进一步地，所述选择性反射器对于具有第一波长的辐射的反射率可以不低于70%。更进一步地，所述选择性反射器对于具有第二波长的辐射的透射率可以为30% -70%。更进一步地，所述选择性反射器可以为多层膜反射镜。具体地，所述多层膜反射镜可以为增强型镜面反射器。更进一步地，所述光接收装置可以包括太阳能电池板或光传感器，所述太阳能电池板能够将透射通过选择性反射器的辐射的能量转换成电能。
根据本发明的另一方面，提供了一种集光装置，包括上述任一种米光罩,所述米光罩具有通光孔；引导反射镜，用于将被采光罩反射的具有第一波长的辐射引导至通光孔中；和导光通道，所述导光通道与通光孔相连，用于收集和输送由引导反射镜引导至通光孔中的具有第一波长的辐射。进一步地，所述光接收装置可以包括太阳能电池板，所述太阳能电池板能够将透射通过选择性反射器的辐射的能量转换成电能。进一步地，所述引导反射镜的反射面和所述选择性反射器的采光表面可以为共主光轴的抛物面，所述主光轴穿过所述通光孔。更进一步地，所述集光装置还可以包括太阳追踪系统，所述太阳追踪系统包括光敏探头和驱动装置，所述光敏探头用于测量太阳的方向，所述驱动装置用于根据光敏探头的测量结果来驱动采光罩，使得选择性反射器的采光表面的主光轴保持平行于太阳光的入射方向。更进一步地，导光通道可以由全反射导光管或光纤形成。根据本发明的另一方面，提供一种照明系统，包括上述任一种集光装置；储能装置，用导线与太阳能电池板相连，用于将太阳能电池板输出的电能储存；日光照明装置，与导光通道相连，利用由导光通道收集和输送的辐射进行照明；和电力照明装置，用导线与储能装置相连，利用储能装置的电能进行照明。本发明的上述技术方案中的至少一个方面利用选择性反射器，一方面将直接用于照明的光高效地采集，一方面利用透射通过选择性反射器的辐射来执行发电、储能或信号检测等功能。这样可以更充分地综合利用太阳光能。
图1示出根据本发明的一实施例的采光罩的结构示意图；图2不出根据本发明的一实施例的一种不例性多层光学膜的反射率；图3示意性地示出根据本发明的一实施例的一种示例性太阳能电池板的光谱响应曲线；图4示出根据本发明的一实施例的包含采光罩的集光装置的采光示意图；和图5示出根据本发明的一实施例的具有太阳能供电系统的集光装置的示意图。
具体实施例方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。图1示意性地示出了根据本发明的一实施例的采光罩100的基本结构。该采光罩100可以包括选择性反射器1、光接收装置2和罩体3。选择性反射器I具有成凹面镜形式的采光表面10，所述选择性反射器I能够将照射到采光表面10上的具有第一波长的辐射41至少部分地反射并会聚，且能够使照射到采光表面10上的具有第二波长的辐射42至少部分地透射通过。在一示例中，光接收装置2可以位于选择性反射器I的背光侧，用于接收透射通过选择性反射器I的辐射。罩体3用于支承所述选择性反射器I和光接收装置2。在一示例中，选择性反射器I可以将照射到采光表面10上的具有第一波长的辐射41全部地反射并会聚。而在另一示例中，选择性反射器I可以将照射到采光表面10上的具有第一波长的辐射41部分地反射并会聚，例如，所述选择性反射器对于具有第一波长的辐射的反射率可以为不低于30 %、不低于50 %、不低于70 %或50 % -90 %等等。在一示例中，选择性反射器I可以使照射到采光表面10上的具有第二波长的辐射42全部地透射通过。而在另一示例中，选择性反射器I也可以使照射到采光表面10上的具有第二波长的辐射42部分地透射通过，例如，选择性反射器I对于具有第二波长的辐射42的透射率可以不低于80%，可以为30% -70%，或可以为20%、40%或50%等。
在一示例中，所述第一波长与第二波长可以处于不同的波长范围。例如，所述第一波长可以为可见光波长(例如400nm至700nm)，所述第二波长可以为红外光波长(例如760nm 至 400 μ m)。在另一示例中，所述第一波长与第二波长可以处于相同的波长范围，例如第一波长可以为可见光波长，所述第二波长也可以为可见光波长。当然，第一波长与第二波长可以为可见光波长范围中的不同波长。在一示例中，选择性反射器I可以为多层膜反射镜，例如，增强型镜面反射器(ESR)。多层膜反射镜可以包括多个反射层,例如大于5层,大于20层,大于50层,大于100层，诸如150层。图2给出了一种示例性多层膜反射镜的反射率与波长的关系。从图上可以看出，对于波长在425nm至660nm之间的辐射，该示例性多层膜反射镜的反射率基本上为100%,对于波长在400nm至700nm之间的辐射，该示例性多层膜反射镜的反射率都很高。而对于波长超过700nm的辐射，该示例性多层膜反射镜的反射率则在20%以下。而同时，所述示例性多层膜反射镜还对波长在730nm以上的辐射具有70%以上的透射率。应当理解,根据本发明的多层膜反射镜并不限于该示例，只要能够实现上述选择性反射器I的对于具有第一波长的辐射41的反射功能和对于具有第二波长的辐射42的透射功能即可。采用多层膜反射镜，可以实现厚度较小、反射率均匀的选择性反射器I。在一示例中，光接收装置2可以包括太阳能电池板或者光传感器(如光电二极管等)或本领域中已知的其它接收和利用光能或光信息的装置。太阳能电池板可以将所接收到的具有第二波长的辐射42的光能转换成电能。所转换成的电能可以用于提供给应用电器使用。太阳能电池板例如可以是单晶硅太阳能电池板，图3给出了一种示例性太阳能电池板的光谱响应曲线。从图3中可以看出，该示例性太阳能电池板的光谱吸收峰在825nm附近，这已经处于红外区域，因此，在第二波长为红外光波长的情况下，该示例性太阳能电池板能够充分地吸收光能以产生电能，不仅如此，该示例性太阳能电池板的吸收光谱也覆盖了大部分可见光范围，因此，在第二波长为可见光的情况下，该示例性太阳能电池板也能够比较充分地吸收光能以产生电能。应当理解，根据本发明的太阳能电池板不限于此示例，也不限于仅由单晶硅构成，还可以采用多晶硅、非晶硅，甚至碲化镉、铜铟硒等材料制成。只要能够满足对第二波长的辐射的吸收即可。光接收装置2可以包括一整片太阳能电池板，也可以由多片太阳能电池板拼接而成。例如，为了形成凹面镜的形状，可以利用多片太阳能电池板近似地拼成该形状，以降低对太阳能电池板的材料的强度和刚度的要求。在一示例中，光传感器可以感测所接收到的具有第二波长的辐射42的强度、方向、相位等信息，例如用于根据所检测到这些信息来分析阳光的照射强度、位置等各种变化信息。光接收装置2可以同时具有太阳能电池板和光传感器两者，也可以具有其中之一。光接收装置2 (例如太阳能电池板或光传感器)所产生的电流或电信号可以用导线6引出。应当理解，在本文中所述的凹面镜的形状，可以是抛物面形状、椭圆面形状、双曲面形状或任何其它曲面形状。其中抛物面形状尤其适用于平行的太阳光入射的情况。所述凹面镜形状也不一定是完全光滑的，其可以由光滑的曲面构成，也可以由多个小平面拼接形成。在一示例中，选择性反射器1、光接收装置2和罩体3之间可以用透明胶12粘合而成(如图1所示)，也可以采用现有技术中所已知的其它方式涂覆和贴合，例如可以采用喷涂、沉积和溅射等方式将选择性反射器I设置在光接收装置2的表面上。在上述实施例中的采光罩100的尺寸(例如直径)和采光面积可以根据采光需要或太阳能电池板的要求来选择和设定，例如，米光罩100的直径可以为O. 3m、0. 5m、0. 8m、lm、3m、5m、10m、30m 等等。图4示出了根据本发明的一实施例的一种集光装置200。集光装置200包括如前所述的任一种米光罩100、引导反射镜201和导光通道202。该米光罩100可以具有通光孔101，引导反射镜201用于将被采光罩100反射的具有第一波长的辐射41引导至通光孔101中，所述导光通道202与通光孔101相连，用于收集和输送由引导反射镜201引导至通光孔101中的具有第一波长的辐射41。在一示例中，引导反射镜201的反射面和所述选择性反射器I的采光表面10可以设置成共主光轴的抛物面，所述主光轴穿过所述通光孔101。以这种双抛物面的方式，可以将平行的太阳光中的具有第一波长的辐射41两次聚焦以汇聚到导光通道202中。在一示例中，导光通道202可以由全反射导光管或光纤形成。具有第一波长的辐射41可以在导光通道202中以全反射方式被引导至建筑物中的被照明区域以实现日光照明。在一示例中，弓丨导反射镜201的反射面和所述选择性反射器I的采光表面10具有公共的焦点，以获得更好的会聚效果。在一示例中，引导反射镜201可以例如由支撑杆106支撑和定位。但本发明不限于此，引导反射镜201可以由本领域技术人员所已知的任何支撑和定位方式来固定。在一示例中，所述集光装置200还可以包括太阳追踪系统203。太阳追踪系统203例如可以包括光敏探头204和驱动装置205，所述光敏探头204用于测量太阳的方向，所述驱动装置205用于根据光敏探头204的测量结果来驱动采光罩100，使得选择性反射器I的采光表面10的主光轴保持平行于太阳光的入射方向。所述驱动装置205可以例如由现有技术中已知的任何角度调节装置或旋转驱动装置构成。在光接收装置包括太阳能电池板的情况下，(例如如图5所示的集光装置200’ )还可以设置储能装置208，例如电池。储能装置208用导线6与太阳能电池板相连，用于将太阳能电池板输出的电能储存，如图5所示。储能装置208所储存的电量可以用于为各种应用电器209提供电力。还可以设置控制系统，用于管理和控制电力至应用电器209的供给和分配。本发明的实施例还提供一种照明系统。该照明系统包括上述任一种具有太阳能电池板的集光装置200、储能装置208、日光照明装置和电力照明装置。日光照明装置与导光通道202相连，利用由导光通道收集和输送的辐射进行照明，例如对建筑物内的需要照明的区域进行日间照明。电力照明装置作为应用电器209的一种示例，用导线与储能装置208相连，利用储能装置208的电能进行照明。这种照明系统的优势在于，能够利用太阳光能实现昼夜照明。在日间阳光较充足的情况下，可以利用集光装置200将日光引导至日光照明装置实现室内的日间照明同时利用反光罩中的太阳能电池板进行太阳能发电并储存电能。而在夜间或日光不充足的情况下，可以利用太阳能发电所存储的电能供给电力照明装置进行照明。下面以一个具体的示例来说明该照明系统的可用性。假定太阳能电池板的效率为150W/m2，选择性反射器I对于具有第二波长的辐射的透射率为70%，采光罩的采光面积为2. 7平方米，则该采光罩能提供大约为280W的电力，该电力能驱动LED灯具，提供280001um(流明)的照明(假设，LED灯具的效率为IOOlum/w)。在此情况下，假设该照明系统的集光装置安装在上海某处的天台上，上海的年平均光照为35Klux，则该照明系统能在白天提供约为33. 2Klux(约为552W的荧光灯)的可见光照明，假定电池的能量转化率为80%，则如果日平均照明时间为3. 5小时，就可以晚上提供约7. 8小时的IOOOlum的LED照明。可见，本发明的采光罩、集光装置和照明系统具有广阔和实用的应用前景。然而，上述示例仅仅为了说明本发明的可用性，本发明并不限于此，本领域技术人员可以根据需要来调节上述各种参数(如电池转换效率、采光罩尺寸、选择性反射器的透射率等等)以获得不同的效果，这些方案都落入到本发明的保护范围内。虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
权利要求
1.一种米光罩，包括 选择性反射器，具有成凹面镜形式的采光表面，所述选择性反射器能够将照射到采光表面上的具有第一波长的辐射至少部分地反射并会聚，且能够使照射到采光表面上的具有第二波长的辐射至少部分地透射通过； 光接收装置，所述光接收装置位于所述选择性反射器的背光侧，用于接收透射通过选择性反射器的辐射；和 罩体，所述罩体用于支承所述选择性反射器和光接收装置。
2.根据权利要求1所述的采光罩，其中，所述第一波长为可见光波长，所述第二波长为红外光波长。
3.根据权利要求1所述的采光罩，其中，所述第一波长为可见光波长，所述第二波长也为可见光波长。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的采光罩，其中，所述选择性反射器对于具有第一波长的辐射的反射率不低于70%。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的采光罩，其中，所述选择性反射器对于具有第二波长的辐射的透射率为30% -70%。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的采光罩，其中，所述选择性反射器为多层膜反射镜。
7.根据权利要求6所述的采光罩，其中，所述多层膜反射镜为增强型镜面反射器。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的采光罩，其中，所述光接收装置包括太阳能电池板或光传感器，所述太阳能电池板能够将透射通过选择性反射器的辐射的能量转换成电倉泛。
9.一种集光装置，包括 根据权利要求1-7中任一项所述的采光罩，所述采光罩具有通光孔； 引导反射镜，用于将被采光罩反射的具有第一波长的辐射引导至通光孔中；和 导光通道，所述导光通道与通光孔相连，用于收集和输送由引导反射镜引导至通光孔中的具有第一波长的辐射。
10.根据权利要求9所述的集光装置，其中，所述光接收装置包括太阳能电池板，所述太阳能电池板能够将透射通过选择性反射器的辐射的能量转换成电能。
11.根据权利要求9所述的集光装置，其中，所述引导反射镜的反射面和所述选择性反射器的采光表面为共主光轴的抛物面，所述主光轴穿过所述通光孔。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的集光装置，还包括太阳追踪系统，所述太阳追踪系统包括光敏探头和驱动装置，所述光敏探头用于测量太阳的方向，所述驱动装置用于根据光敏探头的测量结果来驱动采光罩，使得选择性反射器的采光表面的主光轴保持平行于太阳光的入射方向。
13.根据权利要求9-11中任一项所述的集光装置，其中导光通道由全反射导光管或光纤形成。
14.一种照明系统,包括 根据权利要求10-13中任一项所述的集光装置； 储能装置，用导线与太阳能电池板相连，用于将太阳能电池板输出的电能储存；日光照明装置，与导光通道相连，利用由导光通道收集和输送的辐射进行照明；和电力 照明装置，用导线与储能装置相连，利用储能装置的电能进行照明。
全文摘要
本发明公开了一种采光罩、集光装置和照明系统。所述采光罩包括选择性反射器，具有成凹面镜形式的采光表面，所述选择性反射器能够将照射到采光表面上的具有第一波长的辐射至少部分地反射并会聚，且能够使照射到采光表面上的具有第二波长的辐射至少部分地透射通过；光接收装置，所述光接收装置位于所述选择性反射器的背光侧，用于接收透射通过选择性反射器的辐射；和罩体，所述罩体用于支承所述选择性反射器和光接收装置。所述采光罩、集光装置和照明系统可以更充分地综合利用太阳光能。
文档编号F21V7/22GK103017072SQ20121059038
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者张鹏, 陈婧非, 堵光磊 申请人:3M材料技术(合肥)有限公司