用于作物生长的发光的发电窗的制作方法

用于作物生长的发光的发电窗的制作方法
【专利摘要】提供一种温室用的窗，它由发光材料[104]的薄板和光能转换器[103]构成。该薄板包括一个或多个发光材料[104]，所述发光材料[104]吸收太阳的峰值波长，将吸收的光子放出到主要在600和690nm之间的波长，在那里光子被转换至电能和/或提高作物产量。发光材料[104]也对作物生长和开花所需的太阳光谱的蓝光部分和红光部分中的波长的一部分透明。可添加额外的聚合物层作为发光层、漫射器和/或IR反射器以进一步改善作物生长和发电。
【专利说明】用于作物生长的发光的发电窗 发明领域
[0001] 本发明总地涉及发光太阳能收集器以及与建筑一体化的光伏窗。

【背景技术】
[0002] 发光太阳能收集器（LSC)有利于捕捉用于转换至电能的太阳能。LSC具有包含一 种荧光材料的薄板，该荧光材料吸收来自太阳的太阳能辐射，之后通过光致发光或荧光过 程发出光子至较长波长。通过该过程射出的光或光子被以波导的方式引导（经由全内反 射）至薄板下方，所述薄板耦合至将光转换成电能的光伏电池或太阳能电池。LSC的当前方 法侧重于最大化LSC的功率转换效率而很少涉及将这项技术应用作为温室和对作物生长 是重要的相关结构的建筑一体化的PV窗。
[0003] 调整光的光谱或颜色已知有益于某些作物机能，比如营养生长、开花和结果。
[0004] 因此，业内需要能产生电能并且对作物生长无害的发光太阳能收集器。


【发明内容】

[0005] 在各实施例中，披露了发光太阳能收集器，其具有针对作物生长的吸收和光学设 计以及在对于在涉及具有LCS的窗下作物生长的应用（包括温室、天井、日光浴室、天窗和 农业覆盖区）的发电。例如，发光薄板在光谱的蓝/绿/红部分的相对吸收被特别地确定 以不至劣化作物生长。
[0006] 在一 75例性实施例中，发光太阳能收集器具有发光薄板和光能转换器。薄板可包 括或者是含有散布在其中的荧光材料的聚合物材料。荧光材料吸收在500和600nm之间的 太阳光子的40 %以上，吸收在410和490nm之间的太阳光子的70 %以下，并吸收在620和 680nm之间的太阳光子的40%以下。在每个波段中吸收的这个比值是针对最佳光合作用和 作物生长而选择的。聚合物层被设计成将辐射光透射至光能转换器，并且其中光能转换器 光学地耦合至发光薄板。发光薄板可进一步附连至额外的基于玻璃、丙烯酸或聚碳酸酯的 基板，以使得发出的光光学地耦合至基板。发光薄板的吸收通过发光染料和浓度的选择受 到控制。在前面规定的波段内吸收过多光的发光薄板将损害作物生长。在前述波段内吸收 过少的光的薄板将从发电中获益很少。
[0007] 在其它实施例中，通过重量聚合物以荧光材料的重量百分比测得聚合物材料中的 荧光材料稀释度，乘以以毫米测得的发光薄板的厚度，在〇. 005-0. 05之间以取得上面规定 的范围内的光学密度（吸收）。
[0008] 在其它实施例中，荧光材料被选择为荧光染料、共轭聚合物或量子点，其中荧光染 料是基于二萘嵌苯、涤纶或若丹明，共轭聚合物是聚苯乙烯、聚乙烯或聚对苯撑乙烯，而量 子点由CdTe、CdS、CdSe、PbS、PbSe、GaAs、InN、InP、Si或Ge构成，并且光能转换器是由作 为有效吸收层的硅、砷化镓、铜铟镓硒化物或碲化镉构成的光生伏打式光能转换器。
[0009] 在其它实施例中，光能转换器（PV电池）的前有效面被并行地附连至发光薄板的 表面，并且后背面用附加的聚合物层包裹或附连至温室的构架。光转换器的有效面积是在 发光薄板的有效面积的在5% -25%之间。
[0010] 在其它实施例中，IR发射材料的一个或多个附加薄板、漫射体和/或IR吸收器/ 反射器被添加以进一步提高作物生长效率同时降低冷却成本。
[0011] 本公开的发光能量转换温室在本文中是针对示例性实施例描述的。其它人在阅读 和理解本说明书时将清楚知道许多修正和变化。旨在将示例性实施例解释成包括所有这些 修正和变化，只要它们落在本发明或其等效物的范围内。本发明的示例性实施例可根据下 面声明概括但不构成任何限制。
[0012] 在一个例子中，本发明涉及一种发光的太阳能收集器，其具有通过发光薄板和光 能转换器针对作物生长和电能产生而优化过的吸收。发光薄板包括含其中散布了单个或 多个荧光材料的聚合物材料，其中荧光材料吸收并发射对作物生长而言理想的光，对于500 和600nm之间的太阳光子吸收50%以上，对410和490nm之间的太阳光子吸收70%以下， 并对620和680nm之间的太阳光子吸收50%以下，并且其中该聚合物层被设计成将辐射光 透射至光能转换器。光能转换器可光耦合至发光薄板。
[0013] 在另一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其中发光薄板也光连接至 在400和700nm之间大部分透明的基板。
[0014] 在又一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其其中聚合物材料由包含 聚（甲基丙烯酸烷基酯）、聚碳酸酯或衍生物或其组合的材料构成。
[0015] 在又一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其中荧光材料发出至少 50 %的其波长在600和690nm之间的辐射光子。
[0016] 在又一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其中在410nm和490nm之间 或620nm和680nm之间被吸收的太阳能光子的百分比低于在500nm和600nm之间被吸收的 太阳能光子的百分比，以使作物生长达到最佳。
[0017] 在又一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其中荧光染料在聚合物材 料中以重量百分比测得的浓度，乘以以毫米测得的薄板的厚度，是在0. 005-0. 05之间。
[0018] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中光能转换器的光敏面被 安装成大致平行于发光薄板的平面。
[0019] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中光能转换器的背表面被 安装在支承框上。
[0020] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中光能转换器的有效面积 比上发光薄板的有效面积的百分比为5%和35%之间。
[0021] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中光能转换器是硅、砷化 镓、铜铟镓硒或碲化镉的光伏式光能转换器。
[0022] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中为起到保护作用，额外的 透明薄板被添加在光能转换器后面。
[0023] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中添加第二发光薄板，该第 二发光薄板包含一种突光材料，该突光材料吸收620和680nm之间的太阳光子的50%以下， 并且该发光薄板光耦合至光能转换器。
[0024] 在又一例子中，人们可具有一种发光太阳能收集器，其中发光薄板被纹理化，以使 透射的光被漫射。
[0025] 在再一例子中，人们可具有一种发光的太阳能收集器，其中添加额外的单个或多 个非发光薄板，所述非发光薄板包含光漫射器、IR吸收器、IR反射器或其组合。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 通过结合附图阅读以下描述，将能理解本发明连同其目的和优点，其中：
[0027] 图1示出了根据本发明LSC架构的代表例（a)和（b)的示例性实施例的简图。玻 璃或塑料透明基板101。一个或多个粘合剂102。光能转换器103 (例如光伏电池）。发光 薄板104。
[0028] 图2示出根据本发明示例性实施例的LSC架构的代表例的简图，其中PV电池被附 连至非透明的刚性框。一个或多个粘合剂202。光能转换器203(例如光伏电池）。发光薄 板204。刚性框205。
[0029] 图3示出根据本发明示例性实施例对于发电和作物生长而言优化过的典型荧光 染料（BASF Lumogen 305)的吸收和光致发光的简图。两条曲线是吸收率300和P.L. 301。
[0030] 图4示出本发明对于西红柿作物的光合作用数据的示例性实施例的简图，其示出 发光染料浓度对光系统II (顶部）和电子传输率（底部）的消极影响，其中可见光谱上的 吸收率尚未针对作物生长而予以优化。这些浓度具有对于有效作物生长在红色和蓝色中过 高的光吸收率。
[0031] 图5是百分比吸收率相对于波长的曲线图，其示出根据本发明示例性实施例对于 Lumogen红305的功率效率和作物生长两者均优化的吸收率范围。中间浓度250F代表期望 的吸收率。
[0032] 图6是电流相对于电压的简图，其示出根据本发明示例性实施例对于针对作物生 长优化过的完全组装的LSC窗的典型IV-曲线，其功率效率大约为4%。这两条曲线是用于 裸电池600以及其电池间隔了 13cm的LSC 602。

【具体实施方式】
[0033] 设备结构
[0034] 这里描述的LSC设备图示出于图1和图2。发光薄板通过注塑、注射模制、吹塑薄 膜和相关方法制造，以使发光染料被直接嵌入到塑料薄板中，该塑料薄板一般由关联于丙 烯酸塑料或聚碳酸酯的材料构成。荧光材料也可是从溶剂溶液中沉积的，所述溶剂溶液包 含染料、塑料和通过基于印刷的过程的合适溶剂，所述基于印刷的过程包括凹版印刷、柔版 印刷、网眼印刷、狭槽涂覆或棒涂覆。发光材料一般被印刷或层压在透光基板上，所述透光 基板对于380至780nm之间作物的PAR(光敏响应）光谱来说是大部分透明的。代表性基板 包括用于温室的所有窗材料，包括（但不限于）玻璃、聚碳酸酯、聚乙烯和丙烯酸塑料。在 600和700nm之间具有较高透光性的基板是优选的，例如低铁玻璃和丙烯酸塑料。发光薄板 和基板的结果厚度一般在1_和6mm之间，但对于柔性发光薄板而言可以比100微米更薄。 光转换器电池使用透光的粘合或层压光学地耦合至发光薄板。如下文中详细描述的那样， 可添加多个其它薄板以改善功率效率、作物生长或为了保护目的。连接器被加至光能转换 器以使所产生的电能可在外部利用。
[0035] 发光薄板和对功率效率和作物活动的影响
[0036] 用于发光薄板的理想荧光材料具有量子产率高于50 %的荧光染料，并在600和 690nm之间放出其光子的绝大部分，其中叶绿素 a和b大部分是有效的。荧光染料也被 选择以最小化吸收光谱和荧光光谱之间的重叠并最小化由叶绿素 a、b (410和490nm之 间和620和680nm之间）的光吸收率，同时最大化太阳光谱的其它部分的光吸收率（即 380-410nm，490-620nm和680nm-780nm)。来自二萘嵌苯和若丹明族的发红光材料满足这 些标准中的许多。具体地说，包括LR 305的一系列发红光的Lumogen染料对于这种应用 包含更有前途的候选；然而，存在其它材料，包括尚未被发现的那些材料，它们可导致更好 的总体性能。如图3所示，LR 305在600nm左右具有其吸收和发射的重叠，以及在410和 490nm之间具有大量的吸收，为了更多的发电并为了帮助需要较少蓝光吸收的物种中的作 物生长，这些参数可被改善。
[0037] 染料可被稀释到聚合物主体中以最大化光致发光效率或量子产率。选择聚合物主 体以使其对PAR光谱（即380-780nm)大部分是透明的，并与荧光材料是化学相容的。对于 溶液沉积的薄膜，聚合物和荧光材料应当具有可相容的溶剂。许多荧光染料在聚合物主体 中高于0. 5%的浓度处经历光致发光猝灭。我们观察到发光染料Lum〇gen305的最佳范围 在0. 2%和0. 001 %之间，这依赖于染料的吸收效率和发光薄板的厚度两者。典型地，发光 染料被加至聚合物材料以最大化表面光致发光。为了尽可能收获多的太阳能光子，这种浓 度导致高于90%的峰值吸收率。然而，这种高吸收率可能导致作物中的光合作用活跃性的 降低。对光合作用的影响示出于图4并归因于对由叶绿素吸收的蓝光（410-490nm)光子的 过高吸收率，并通常归因于作物生长。具有低于50%的蓝光吸收的发光薄板已表明具有较 低影响，并在一些情形中具有积极的作物生长（Novaplansky)。
[0038] 为了优化发电和作物生长两者而对发光Lum〇gen305的典型的高、低和接近最佳 吸收示出于图5并进一步在表1中描述。这些结果是对于扩散入3mm厚丙烯酸基板并且 PMMA中的浓度从0. 0086% (238F)至0. 0032% (265F)LR305的染料而言的。在发光薄板中 已获得类似的结果，即500微米厚且低于100微米厚，其中浓度定标遵循"Beer"法则。由 于在较高浓度下较大的自吸收，LSC的最大发电不发生在最大吸收（即238F)处；然而，在 足够低的吸收（即265F)处，电流的降低以及由此带来的能耗的降低确实由于过少的吸收 而发生。
[0039] 总地来说，我们确定聚合物材料中以重量百分比测得的荧光染料浓度，乘以以毫 米测得的薄板的厚度，对于大多数荧光材料来说，应当在〇. 005-0. 05之间，尽管被设计成 具有异常高或低的吸收效率的荧光材料应当落在该范围之外。此外，蓝光光子（410_490nm) 的吸收百分比应当低于70%，绿光光子（500nm-600nm)的吸收百分比应当高于50%，红光 光子（620nm-680nm)的吸收百分比应当低于50%，并且总体而言，蓝光或红光光子的吸收 百分比应当低于绿光光子的吸收，如前面定义的那样。最佳的薄膜一般可具有低于50%的 蓝光吸收、高于70%的绿光吸收和低于10%的红光吸收。这里，我们将吸收的光子百分比 定义为在指定的光谱范围内由发光薄板吸收的光子数除以在指定的光谱范围内入射到发 光薄板上的太阳光子的总数，然后转化成百分比。最终，可将UV稳定剂和氧/H 20清除剂添 加至发光薄板以增进光致发光稳定性。
[0040] 尽管这里给出的结果侧重于小分子有机物的荧光材料，但这不应当被解释为限 制。我们也已表明（Sholin)，量子点和半导体聚合物可被用作这种应用的发光材料。具体 地说，"polyspiro"红具有与LR 305相似的吸收/发射以及更大的斯托克司频移，由此使 其成为一种可适用的代替材料。我们也发现荧光材料可包括一种或多种荧光材料的组合， 这些荧光材料具有不同的吸收率并在相似波长（即600-690nm之间）上具有其发射的绝大 部分。
[0041] 光能转换器
[0042] 光能转换器吸收发出的光，该光是使用全内反射以波导的方式被引导至发光薄板 下方，并将其转化成电能。光能转换器一般是光伏的（PV)。PV在600和690nm之间应当 具有高量子效率（> 60% )，在那个范围绝大所述的荧光被射出。许多基于硅（Si)、砷化 镓（GaAs)、碲化镉（CdTe)和铜铟镓硒化物（CIGS)的光伏电池满足这种标准，尚作为商业 产品涌现的光伏技术也是如此。光伏电池被切割成多个条带，这些条带能或者被安装在边 缘上，或者垂直于发光薄板（标准LSC结构）或者被安装在发光薄板前面或与之平行。对 于边缘安装的电池，在等于发光薄板的厚度处或其厚度周围切割条带。对于面安装的电池， 条带比发光薄板的厚度宽2倍和20倍之间，较薄的条带导致发光薄板对总功率效率的更大 贡献。如图1和图2所示的面安装配置是优选的取向，由于较低的制造成本并且可直接从 PV本身收获功率，由此导致较高的功率效率。PV电池可跨发光材料的面安装以最佳化来自 LSC的功率增益以及总功率效率。对于温室应用，PV单元的面积应当在发光薄板的总面积 的5% -35%之间。较高的百分比（?35% )导致较高的功率效率，但也导致作物更多的遮 阴、劣化的生长和更高的成本。较低的百分比（?5%)导致较低的功率效率和成本以及较 少的遮阴。10%和20%之间的覆盖提供成本、作物生长和功率效率之间的良好平衡。
[0043] 光伏电池的各个条带与从LSC封装件中出来的导线串联或并联地布线，以使它们 能被容易地连接。对于具有和不具有发光材料的温室窗的典型IV曲线示出于图6中。发光 材料LR 305能使PV电池的功率输出增加1. 25倍至3倍之间，这依赖于PV电池和LR 305 浓度，其百分比覆盖分别为35%和5%之间。
[0044] 附加聚合物薄膜
[0045] 可在发光薄板之上或之下添加附加的IR发射发光材料，以提高功率效率并减少 温室的加热。这种IR发光材料应当具有高于20%的光致发光量子产出，应当对于单晶或多 晶Si光能转换器在700和950nm之间的波长处发光（对于其它形式的Si、CdTe、CIGS和 GaAs光能转换器为700-850nm)，并应当在620nm和680nm之间吸收50%以下的光子以确保 这些波长被透射至作物。IR发射的发光材料必须光耦合至光能转换器并一般被安装在第一 发光薄膜之下，以使太阳光在入射到IR发射的发光薄膜之前入射到第一发光薄膜上。
[0046] 也可添加非发光IR吸收或反射薄膜以减少温室的加热。这种IR反射薄膜不需要 光耦合至PV电池或发光薄板，但可被层压在PV电池的背面以提供额外的保护。一般来说， IR反射薄膜将位于发光薄板之下；然而，存在要求颠倒配置的实例。
[0047] 可将光漫射层添加在发光薄板内或之下，以在温室结构中提供跟均匀的光照。漫 射薄膜可在发光薄板内包含白色散射微粒或纹理，所述白色散射微粒或纹理略为改变透过 玻璃传输的光的方向，由此在作物上提供更均一的光。这种漫射薄膜也可将一些光漫射回 发光薄板，提供透射的光被吸收和转换至电能的额外机会。
[0048] 表1 :图5中给出在发光薄板的不同范围上的相对功率输出和光子吸收。功率和 作物生长的最佳浓度出现在250F采样周围或附近。
[0049]

【权利要求】
1. 一种为作物生长和电能产生这两者而设计的发光太阳能收集器，所述发光太阳能 收集器包括发光薄板和光耦合至所述发光薄板的光能转换器；其中所述发光薄板包括含散 布在其中的单个或多个荧光材料的聚合物材料，其中所述荧光材料吸收在500和600nm之 间的太阳光子的50 %以上，吸收在410nm和490nm之间的太阳光子的70 %以下，并吸收在 620nm和680nm之间的太阳光子的50%以下，并且其中所述聚合物材料使福射的光透射至 所述光能转换器。
2. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述发光薄板也光连接至在 400和700nm之间透明的基板。
3. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述聚合物材料由包含聚（甲 基丙烯酸烷基酯）、聚碳酸酯、氟化聚合物或衍生物或其组合的材料构成。
4. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述荧光材料发出至少50% 的其波长在600nm和690nm之间的福射光子。
5. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，在410nm和490nm之间由所述 突光材料吸收的太阳光子的百分比低于在500nm和600nm之间由所述突光材料吸收的太阳 光子的百分比，并且其中在620nm和680nm之间由所述荧光材料吸收的太阳光子的百分比 低于在500nm和600nm之间由所述突光材料吸收的太阳光子的百分比。
6. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述荧光材料在所述聚合物 材料中以重量百分比测得的浓度，乘以以毫米测得的所述发光薄板的厚度，是在0. 005和 0.05之间。
7. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述光能转换器的光敏面被 安装成基本平行于所述发光薄板的平面。
8. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述光能转换器的背面被安 装在支承框上。
9. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述光能转换器的有效面积 相对于所述发光薄板的有效面积的百分比是在5%和35%之间。
10. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，所述光能转换器包括硅、砷 化镓、铜铟镓硒化物或碲化镉光伏式光能转换器。
11. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，还包括为保护目的被定位在 所述光能转换器后面的附加透明薄板。
12. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，还包括含第二荧光材料的第 二发光薄板，所述第二荧光材料吸收在620和680nm之间的太阳光子的50%以下，并且其中 所述第二发光薄板被光耦合至所述光能转换器。
13. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，还包括额外的单个或多个非 发光薄板，所述非发光薄板包含光漫射器、IR吸收器、IR反射器或其组合。
14. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，后薄板材料被纹理化以使透 射的光发生漫射。
15. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其特征在于，在620nm和680nm之间的红 光透射与在410nm和490nm之间的蓝光透射之比大于1。
16. 如权利要求1所述的发光太阳能收集器，其吸收在700nm和900nm之间的远红光区 域中的光的30%以上。
【文档编号】A01G7/04GK104115284SQ201380007435
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月1日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】S·A·卡特, G·B·阿勒斯, M·E·洛伊克 申请人:加利福尼亚大学董事会