包括照明和太阳能采集的窗系统的制作方法

本发明涉及一种包括照明和太阳能采集的窗系统。

背景技术：

房屋和建筑物的能源管理随着燃料价格的上涨变得越来越重要。

需要能量用于加热、通风、空气调节和照明，但需要的能量的量应最小化。存在对降低能耗和优选甚至生成所有其所需的能量或甚至输送能量到电网的建筑物的期望。这可以通过积极的措施，例如在屋顶上安装光伏系统或风力涡轮机来实现。

此外，像提高建筑的热绝缘的被动措施有助于达到目标。

已知的是在建筑物中的每个窗构成热流泄漏。窗和门可能占家庭的总热损失的大约三分之一。在冬季，能量可能会泄漏出来，在夏季，热流可能反转并且需要空气调节。

从节能观点，窗应该被消除。在另一方面，窗对于在建筑物里工作或者在家里生活的人民的幸福来说是至关重要。人们需要与他们周围的世界视觉接触。

因此，有需要一种改进建筑物的热绝缘同时保持令人愉快的内部的系统。

光伏能量生成和固态光生成的技术近几年一直在稳步提高，并且已来到新的组合可能成为可行的关头。

已知的是将太阳能电池集成到窗的框架中，并且还在窗框中包括led以提供太阳能供电的内部照明，例如如在us8337039中公开的那样。然而，窗本身仍然是热损失的显著源。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一方面，提供了一种窗系统，包括：

框架；

在由框架所定义的区域内的面板区域，

其中所述面板区域包括：

在窗系统的外侧上的太阳能面板；

在窗系统的内侧上的与太阳能面板相对的照明面板；和

太阳能面板和照明面板之间的非透明热绝缘层。

因此本发明提供一种窗系统，该系统提供能量生成和光生成，以给出窗的外观，但是使能比窗更热高效的构造。本质上，提供虚拟窗系统，其能够取代建筑物中的整个常规窗或常规窗的一部分。

照明面板优选包括薄高效固态照明系统。由太阳能面板生成的能量可被照明面板使用或反馈给电网。

在一种布置中，面板区域由太阳能面板和照明面板填充。在这种方式中，整个窗是虚拟窗。

在另一布置中，面板区域仅部分地由太阳能面板和照明面板填充，并且面板区域还包括透明的窗区。

这使能低热效率窗区域的尺寸减小，以提高热效率，但同时保持了大的窗区域（其部分地是实窗并且部分地是虚拟窗）。外面的真实视图也被保持。

透明窗区可以例如在面板区域的顶部或底部。

该系统优选地还包括用于控制照明面板的控制器。控制器可以适于依赖环境照明特性来设置从照明面板输出的光的强度和/或颜色。以这种方式，由照明面板提供的光的性质可被选择为模拟将通过常规的窗看到的自然照明。

太阳能面板、热绝缘和照明面板一起的导热率优选小于1w/m²k。这意味着窗（或者窗的虚拟部）可具有比常规的窗更好的热效率，例如接近或等于该建筑物的墙壁的热效率。

该系统可以形成在建筑物中的墙壁中的窗的一部分，或者在建筑物的屋顶中的天窗或门。

本发明的另一个方面提供了一种照明方法，包括：

使用在窗系统的外侧上的太阳能面板采集光能，该窗系统包括框架和由框架定义的区域内的面板区域，其中，太阳能面板是在面板区域内；和

使用窗系统的内侧上的与面板区域内的太阳能面板相对的照明面板提供照明，在太阳能面板和照明面板之间具有非透明热绝缘层。

可根据环境照明特性来设置来自照明面板的照明的强度和/或颜色。

附图说明

现在将详细地参照附图本发明的示例，在附图中：

图1示出了根据本发明的窗系统的第一示例；

图2示出根据本发明的具有不同类型的窗系统的建筑物；和

图3示出根据本发明的窗系统的第二示例。

具体实施方式

本发明提供了一种窗系统，其中，在窗框架内，存在在外侧上的太阳能面板和在内侧上的照明面板。可以在太阳能面板和照明面板之间使用高效、非透明的热绝缘层。

图1示出了根据本发明的窗系统的第一示例，

窗系统包括框架1，它定义由框架1所限定的内部区域内的面板区域。

所述面板区域包括在窗系统的外侧上的太阳能面板2，和在窗系统的内侧上的与太阳能面板2相对的照明面板3。太阳能面板采集太阳能5并且照明面板输送光6到内部空间。

在太阳能面板和照明面板之间设置非透明热绝缘层4。

因此本发明提供一种窗系统，该系统提供能量生成和光生成，以给出窗的外观，但使能比窗更热高效的构造。本质上，提供虚拟窗系统，其能够取代建筑物中的整个常规窗或常规窗的一部分。

面板区域本质上是通常镶有玻璃的窗的区域。因此，该框架限定外形，如矩形，但其也可以包括中间条。

面板面积通常大于0.1m²,从而可从太阳能面板获得适当量的能量采集。该面板区域是例如大于0.2m²，超过0.3m²，或超过0.5m²。太阳能面板可以例如具有全封闭的多边形形状，例如全正方形区域或矩形区域。太阳能面板和照明面板可以具有包括由框架的形状所限定的区域的中心（即，窗系统的中间）的形状。换句话说，太阳能面板和照明面板位于窗的中间部分中，而不是仅在边缘周围。

照明面板优选包括薄的高效固态照明系统。由太阳能面板生成的能量可由照明面板使用或被反馈给电网。

该系统包括控制器7，控制器7提供电源管理系统功能。当需要时，照明面板3由控制器7供电，并生成人造光6，人造光6任选在色温和强度和动态方面与环境光相匹配。否则，电力被反馈给电网或能量存储系统（如由单元8大体表示）。

图2示出可如何在建筑物中使用窗系统。

建筑物10具有面向南的前壁11。

窗系统可以填充面板区域，使得整个窗是虚拟窗。可替代地，该面板区域可以仅部分地由太阳能面板和照明面板填充，并且面板区域还包括透明的窗区。这使能热效率低的窗区域的尺寸被减小，以提高热效率，但同时保持了大的窗区域（这部分地是实窗并且部分地是虚拟窗）。外面的真实视图也被保持。

图2示出（在中间楼层的）第一套窗12，其是完全虚拟的窗。第二组窗14（在顶层）具有在面板区域的底部的镶有玻璃窗区15和在面板区域的顶部的虚拟窗部分。

第三组窗16（在底层）具有在面板区域的顶部的镶有玻璃窗区17和在面板区域的底部的虚拟窗部分。

窗系统也可用于替换天窗18。前门19也被示出具有虚拟窗。

图3更具体地示出了具有镶有玻璃节段以及虚拟窗节段的窗系统。

镶有玻璃节段包括一对玻璃面板20和空气（或其它气体或真空）腔22。百叶窗24也被示出。

现在将讨论光学、热和电气特性。

由1m²的表面接收到的太阳辐射5在白天期间是变化的，并且可以是在100-1000w/m²的范围内。可能的每年平均数的例子是约100w/m²。

双层玻璃窗面板的光学透射达50％左右。太阳辐射的可见部分对应于大约100lm/w的光照强度。因此，1m²的窗透射了100w/m²*50％*100lm/w=5000lm/m²的每年平均数。

太阳能面板和相关的电子器件以20％左右的效率将入射的太阳辐射转换成电力，因此，在由箭头5表示的100w/m²的每年辐射平均数的情况下，它生成如箭头30所表示的20w/m²的电力。

只有10w/m²的能量被需要用于照明面板以生成期望的2000lm/m²（以对应于如下面所解释的针对镶有玻璃窗的可见光的期望量）。

特别是，利用高效的照明系统，该10w/m²可以以200lm/w的效率被转换为可见光32，这导致10w/m²*200lm/w=2000lm/m²的产出。

其他10w/m²用于生成如箭头35所示的盈余电力。

照明面板生成例如具有80w/m²（假设总入射100w/m²被转换为电能和热量）的能量密度的热量34。

现在将讨论通过使用更好的绝缘使能的能量节约。改进的绝缘可以通过减少来自建筑物的热损耗在冬季给出能量节约，然后通过减小由建筑物得到的热量（其然后需要通过空气调节来去除）来在夏季（对于具有炎热夏季气候的国家）给出能量节约。

通过绝缘体的热量传输是ψ=u*a*δτ，其中u是以w/m²k为单位的热导率，a是以m²为单位的表面积，并且δτ是以k为单位的温差。

具有墙壁的u_wall=0.6w/m²k的典型值和10k的温差，对于墙壁，热流36变为6w/m²。虚拟窗（或虚拟窗的非镶有玻璃部分）内使用的绝缘4可以匹配0.6w/m²k的壁热绝缘，并且更一般地它可以是低于1.0w/m²k.

镶有玻璃窗部分被示为在玻璃结构的50%衰减和百叶窗24的进一步60%衰减之后提供20w/m²的照射40。这包括能量引起由箭头42表示的2000lm/m²的可见光强度和10w/m²的热能44（即红外辐射能量）。

具有双层玻璃窗的u_glass=2w/m²k的典型值和再次10k的温差，对于镶有玻璃窗，热流46变为20w/m²。

如图3所示，能量流可以在冬季到建筑物外（如由箭头46示出）或者其可以到建筑物内（如由箭头36所示）。以上简化的分析假设在每种情况下10度的差异，例如在冬季10度和在夏季30度的平均室外温度，具有20度的所维持建筑物温度。

因此，通过具有与墙壁的等效热传导的虚拟窗系统来更换窗将热损失减少了20-6=14w/m²的（或在夏季中的增益）。

如果用照明面板将该功率密度转换成可见光，其将对应于14w/m²*200lm/w=2800lm/m²。

如上所解释的，1m²窗透射5000lm/m²，考虑了窗玻璃的50％的透射。因此，通过利用pv系统更换窗将到建筑物的内部的每年平均光输入减小了5000lm/m²（假设没有百叶窗）。

在上面的例子中的可获得电力是20w/m²，其对应于4000lm/m²。当与对应于2800lm/m²的减小热损失组合时，在可能的光输出方面表达的总能量增益是6800lm/m²。这表明，由虚拟窗系统取代窗或窗的一部分是可行的。特别是，可通过太阳能面板生成入射可见光强度，具有生成的附加能量。

通过如在上面的一些示例中只更换窗的一部分，向外面世界的视图被维持。通过示例的方式，已经计算了，如果1mx1m的窗被替换有1mx0.8m的窗和1mx0.2m的太阳能电池，则存在16w/m²的热节约并且生成10w/m²的电力。

通过在框架中提供窗系统，总体外观可以匹配常规窗的外观，从而即使使用人造光，用户具有被暴露到自然照明的印象。例如框架的厚度（在垂直于太阳能面板和照明面板的平面的方向）可以比太阳能面板、绝缘和照明面板的组合厚度更厚，以再次生成窗类型效果。

如上所提到的，太阳能面板、热绝缘和照明面板一起的热导率优选小于1w/m²k。这意味着窗（或者窗的虚拟部分）可具有比常规窗更好的热效率，例如接近或等于该建筑物的墙壁的热效率。

任何已知的太阳能面板可以被使用。

各种不同的技术可以被用于照明面板，例如：

（ⅰ）封闭在白色反射盒中的磷光体转换的白色发光二极管（led）的二维阵列。盒的一侧可以设置有扩散器，光通过该扩散器离开盒。扩散器通过隐藏明亮的led确保空间均匀的光分布。该架构被已知为是非常高效的。该系统的厚度必须具有在led之间的距离的数量级，以确保良好的均匀性，否则可以设置在每个led上附加光学器件来横向散布光。

（ii）类似于在液晶显示器的背光系统中使用的那些的基于光导的光照系统。这里磷光体转换的白色led的一维阵列的光被注入到薄光导聚合物片中并通过全内反射有效地散布。空间均匀的光分布可以通过由例如小的上漆的白点组成的空间图案化的光提取图案来实现。该架构被已知是高效和非常薄的，只有几毫米的数量级。

（iii）基于生成大面积、均匀的蓝色光源的蓝色led的照明系统，其中仅在离开系统之前，蓝光的部分在（远程）磷光体层、任选的有机荧光体或量子点荧光体中被转换为更长的波长。这被已知为比将磷光体放置在led封装内更高效。

该系统利用控制器，控制器用于控制照明面板的光输出。可以被采用用于控制器的部件包括，但不限于，常规微处理器、专用集成电路（asic）和现场可编程门阵列（fpga）。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质（诸如易失性和非易失性计算机存储器，如ram，prom，eprom，和eeprom）相关联。存储介质可以被编码有一个或多个程序，该程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，在所要求的功能下执行。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内或者可以是可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序可被加载到处理器或控制器中。

公开的实施例的其他变型，可以由本领域的技术人员在实践所要求保护的发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这一简单事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。