CN101233433A - 包含非对称特形体的有纹理的薄板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到由透明材料构成的一种薄板(82)。这种薄板其表面上有纹理，纹理有多个呈凹凸形的凹入或凸起的特形体(83，84，85)。特形体有第一面(80)和第二面(81)，这两个面彼此互不平行，但面底边上的线相平行。第一面与薄板总平面形成一个角，此角度大于第二面与薄板总平面所构成的角度，所述角度在特形体从表面凸起时在材料内部，或者是在特形体凹入表面时在材料外部。本发明的薄板改善了至光电池的光透射，特别是将其设置在例如吸音壁表面的竖直位置上的时候。

Description

包含非对称特形体的有纹理的薄板
本发明涉及到一种有纹理的透明薄板，薄板的纹理提高了通过薄板的光线透射。特别是，薄板有利地放置在光源与光电池之间以便增加透射到光电池的光强度。更一般而言，薄板增大了在与薄板并列放置而且折射率大于薄板制成材料折射率的某一元件方向上的光线透射。
大家知道，透明薄板表面上的棱锥形或棱柱形纹理能够改善薄板的光透射。读者尤其可以参考现有技术的下述文件：WO 03/046617和PCT/FR 2005/050304。根据现有技术，为产生这种效果所提出的呈凹凸形的特形体具有对称的外形。利用按各特形体(motif)比例存在的两个相互正交的对称平面可表示这种对称。这些对称的特形体在薄板正对光源时，即薄板对光源/薄板方向垂直取向时其使光线的透射最佳。这些最佳照射状况，由于阳光位置持久变化等各种不同原因或者由于薄板必须具有某一给定的不一定与接收光线最好取向相一致的强迫位置等情况，在实际上很少碰到。例如，在薄板构成抗干扰器的外表面时，此薄板像任何屏壁一样通常是竖直放置。在阳光真正地面向薄板，即在日落时的傍晚或日出时的清晨，或接近极点时，而且在屏壁在正确的时刻真正地朝向阳光的条件下，这一位置将更为合适。在其他情况下观测到的光照量比较低。
目前已发现有利方案的是：这些特形体应呈非对称形以便在入射光不完全与薄板垂直时(实际上这是最常见的情况)更好地采集光线。这些非对称的特形体还含一个对特形体的对称平面，但通常不含两个相互正交的对称平面。一般来说，此对称平面与薄板总平面相垂直。
本发明首先涉及到透明材料构成的薄板，薄板表面上有由不管是以凹入还是以凸起形式而呈凹凸形的多个特形体所组成的纹理。特形体有第一面和第二面，这两个面相互不平行，但这两面底边上的线相平行。第一面与薄板总平面构成的角度大于第二面与薄板总平面构成的角度，所述角度在特形体为凸起时其在材料内部，或者是在特形体为凹入时其在材料外部。通常，薄板在其表面上有多个这样的特形体以便改善通过薄板的光透射。“第一面”与薄板总平面构成的角度比“第二面”与薄板总平面构成的角度大。由于这种特殊的几何形状，即使入射光线并不总是垂直于薄板地投射到薄板上，薄板也能够在合理地选择其取向时采集到更多光线。
这些特形体可能以薄板内的凹入出现，或者是相反而从薄板“冒出”(即以凸起或突起出现)。
如果特形体为凸起，所考虑的两个面与薄板总平面形成的角度就是在材料里面的两个角度。如果特形体为凹入，所考虑的两个面与薄板总平面形成的角度就是在材料外面的两个角度。
在特形体为凹入时，两个面通常在位于薄板最里面的一个点或一条线处接合。在这种情况下，特形体的底就位于薄板的最外面。每个面(第一面为一面，第二面为另一个面)与特形体底的交线确定出一条线，如果确定的这两条线(每个面一条线)相平行。这两条线可以是直线或曲线，视特形体而定。
在特形体为凸起时，这两个面通常在位于薄板最外面的一个点或一条线处接合。在这种情况下，特形体的底处在薄板的最里面。每个面(第一面为一面，第二面为另一个面)与特形体底的交线确定出一条线，如此确定的这两条线(每个面一条线)相平行。这两条线可以是直线或曲线，视特形体而定。
这两个面彼此互不平行，但每个面含有与另一个面中所含的特形体某一边线或底线(通常为直线，但也可能为曲线)相平行的特形体的一个边线或底线(通常为直线，但也可能是曲线)，这两条边线或底线还与薄板总平面相平行。在与特形体对称平面相平行的平面内，这两个平面之间形成一个角度，对角度的二等分线将予以考虑(通过把此角度分成为两个相等的半角)。最好是尽可能地对薄板进行取向使得入射光线方向与此二等分线平行。实际上，通过将薄板取向在为采集最多光线的最好的可能平均位置，即在北半球面向南或在南半球面向北，可将薄板放置在某一固定的位置，从而使薄板总平面与地平线形成一最佳角度，此角度视纬度而定。例如，此角度在巴黎(法国)为35°。不过，利用薄板的作用可施加对地平线的倾角。本发明使得特别能够拥有远离得多的一些薄板倾角，因此薄板甚至可以竖直直立。在薄板构成抗干扰器的外壁时，薄板被置于竖直位置。因而，本发明还涉及到包括根据本发明薄板的屏壁、特别是竖直屏壁。本发明还涉及到含这种屏壁的抗干扰器。
本发明开篇部分提到的两个面(即“第一”面和“第二”面)通常是平滑的，尤其是在用肉眼观察时。这两个面，特别是在其构成棱柱或棱锥的组成部分时，它们可以是平面。不过，它们也可以是曲面。棱柱体包括沿一条线接合(或相交)的两个主面。根据本发明的棱锥体最好包括四个面，此棱锥体的底为正方形或长方形或菱形。该棱锥体也可以有不止四个面，例如有六个面。
作为本发明第一实施方案，对其表面上有多个棱柱形特形体的薄板予以说明。这些特形体示于图1b)。图1a)示出了现有技术下的棱柱形特形体，这些特形体对平面1以及平面58呈对称，而这两个平面相互垂直并且与薄板总平面2相垂直。平面1穿过相对于薄板总平面的最外边的直线3。直线3为两个面4和5的交线，这两个面与薄板总平面2形成同样的角度α。在根据本发明的图1b)中，呈凸起棱柱体形式的每个特形体包括两个平滑平面6和7，这两个平面彼此在不平行并沿着位于薄板最外边的直线8相接合，平面6与薄板总平面2构成的角度大于平面7与同一平面2构成的角度。所考虑的这两个角度是在薄板材料内部的角度，因为特形体为凸起。第一面6包含特形体(此处的特形体为非对称形棱柱体)底处的直线50，该线位于薄板的最内部。第二面7包含特形体底处的线51，该线位于薄板的最内部。线50和51相互平行并且与薄板总平面相平行。此特形体有一与薄板总平面2相垂直的对称平面58。这种几何形状，例如在薄板处在竖直位置用来采集太阳能以将其透射到置于板后的光电电池时它是有利的。然而如果薄板要是处在反向位置即：面7在上，而面6在下，那么光强度射效率就要低得多。图1a)和1b)中特形体的间距为距离52(图1a)和53(图1b)。
本发明还可应用于棱锥形特形体。图2b)示出了这种棱锥形特形体。图2a)示出了根据现有技术的棱锥形特形体。这些棱锥体(呈凸起时)有两个对称平面1和58，这两个平面相互正交并与薄板总平面2相垂直而且通过棱锥体顶点，此顶点为特形体相对于薄板总平面的最远点。在根据本发明的图2b)中，呈棱锥体形式的每个特形体包括两个平滑平面12和13，这两个平面彼此互不平行并且在处在特形体上距薄板最外边的点14(或顶点)接合，面12与薄板总平面2所形成的角度大于面13与同一平面2所形成的角度。在这里，所形成的角度在材料的内部，因为特形体都是凸起。第一面12包含特形体(此处的特形体为非对称形棱锥体)底上的线60，此线处在薄板的最内部。第二面13包含特形体底上的线61，此线处在薄板的最内部。直线60和61相互平行且与薄板总平面相平行。每个特形体有一与薄板总平面相垂直的对称平面58。这种几何形状，例如在薄板处在竖直位置用来采集太阳能使其透射至置于薄板后的充电电池时它是有利的。然而如果薄板要是处在反向位置、即面13在上而面12在下，那么照射效率就会比较低。这是因为，不管纬度如何，在面12在上时太阳光的方向总是更接近面12与13之间二等分面的方向。图2a)和2b)中的特形体有两个间距，它们分别是距离54和55(图2a)以及距离56和57(图1b)。
本发明并不限于其开始时提到的两个面(第一面和第二面)为平面的情况，因为这两个平面也可以是曲面。图6a)示出了其两个平滑表面31和32为曲面的棱柱形特形体。这些特形体有一对称平面58并且就含在与对称平面58相平行之平面内的各等分线33与薄板总平面34相正交这一点上来说近似地呈对称。这种特形体可以组合进如图6b)所示的具有纹理表面的组合件。图6a)中所示的特形体在这里以不同的取向并列放置起来。由于这种排列方式，薄板在经其整个表面的反射中有一个均匀一致的外观，同时仍能有效地采集光线。图6a)和6b)中所示的纹理不是根据本发明的，因为会在与对称平面58相平行之平面内的每个等分线33与薄板总平面相正交。图6c)中所示纹理是根据本发明的，因为其中一个面，即面41与薄板总平面形成的角度大于另一面42与同一总平面形成的角度。这两个弯曲的棱柱形特形体具有弯曲的底线43和44。可以看出，这里的等分线并不和薄板总平面相正交。这些变形的特形体(而相对于图6a)中的那些特形体来说变了形的)也可加以组合以便用与图6b)所示相似的方式以不同的取向并列放置在薄板上。如在图6b)中可见，特形体对应于图6a)中的一组四个棱柱体，该特形体可能实际上处在一方形内。特形体的间距对应于该方形的一边。如果薄板竖直放置，建议具有“第一面”型式的面41最好放在上面位置。在这种情况下，本发明恰当地给出了其(采光)效果，此外还有反射中改善的外观(对距薄板几米以肉眼观测薄板的观察者来说的均匀一致的外观)。
为使本发明产生的效果更好，最好是使光线的方向尽可能地接近根据本发明的两个面之间的二等分面的方向。对于从与薄板总平面相垂直且与对称平面相平行的平面凸起的特形体来说，可以以剖面来表示，如图3中所示。这种对于具有平面的棱柱形特形体(图1b)适合的表示方法对棱锥形特形体(图2b)还有具有曲面的棱柱形特形体(图6c)同样适合。在所有情况下，特形体包括面15和16，面15与薄板总平面2形成角度α1，面16与薄板总平面2形成角α2，角α1大于角α2。由于特形体是凸起，取在薄板材料内部的角度(α1和α2)而不是材料外部的角度(α4和α5)。两个面15和16在顶部形成角α3，角α3的等分角线为19。图中表示出两种光照类型，光线17直接射到面16但不直射到面15的情况，以及光线18射到两个面的情况，光线18的方向与等分角线19相平行。本发明提供了光线18情况下的效果。如果光线始终是垂直于薄板总平面的话(这种情况实际上与地面上的任何实际情况都不相符合)，具有对称特形体的纹理将是适合的。薄板可竖直地放置在例如抗干扰器的表面上，将光电电池放在抗干扰器的里面以通过薄板接收太阳能，将与薄板形成较大角度的那面放在上位置，以便使入射阳光更好地射到这个面上。
本发明还应用于呈凹入形式的特形体，如图4所示。这种表示方法既适用于薄板中的棱柱形凹入也适用其中的棱锥形凹入。这种特形体包括第一面20和第二面21，第一面20与薄板总平面形成角α1，第二面21与薄板总平面形成角α2，角α1大于角α2。在这里，所考虑的角度为在材料外部的角度(α1和α2)而不是在材料内部的角度(α4和α5)，因为特形体是凹入。在入射光线22在与等分角线23平行的方向时，得到最好的光照效率。第一面20包含特形体底上的线70(此底处在薄板的外部)，第二面21含特形体底上的线71，这样线70和71相互平行且与薄板总平面相平行而不管特形体是棱柱体还是棱锥体。
以第一面与薄板总平面之间的角度(以度表示)为一方，以第二面与薄板总平面之间的角度(以度表示)为另一方，两者之间的比大于1，通常大于1.1，甚至可能大于1.2。举例来说，具有最大角度的那面(称为“第一面”)与薄板总平面所形成的角度可能在50°-130°，最好在70°-88°。实际上使用滚压技术很难产生大于85°的角度。具有最小角度的那面(称为“第二面”)与薄板平面所形成的角度可能在10°-60°，最好在20°-50°。优选的纹理对应于第一面85°角与第二面45°角的组合。特性体为图5中所示那种特形体，角α1大于90°而角α2小于45°。实际上，利用滚压技术很难产生这种纹理而必须使用复杂得多的先进技术如激光切割等来产生这样的纹理，但是这种技术相当昂贵。这就是为什么在实际上仍保留在利用滚压技术所能产生的纹理范围之内的原因，角α1(根据本发明的两个面与薄板总平面所形成角度中的较大角)最好小于90°。
可用来生产根据本发明之纹理的滚压技术特别是在专利申请PCT/FR 2005/050304中进行了说明。当然，使用这种技术来生产绝对平的面和非常清晰的边，特别是由于特形体的尺寸极小，这是非常困难的，因此即使特形体的这些面或顶点或边被略微导圆的话，其也不会在本发明的范围以外。
薄板由尽可能透明的透明材料如无机玻璃，或有机聚合物(有机玻璃，聚碳酸酯等)制成。
无论特形体的大小如何都会给出根据本发明的效果。例如，特形体可以有一种或多种间距，各间距在0.1-10mm，特别是在1-6mm。在棱柱体的情况下，间距为与棱柱体底相平行的平行线周期。在棱锥体的情况下，间距为棱锥体底的长度。最好是，棱锥体有四个面。更一般地说，间距体现了特形体重复出现的距离，或者体现了特形体相邻接时的特形体长度。
在根据本发明薄板的表面上并不排除将多个不同形状的特形体相混合，或者与形状相同但在薄板上取向不同的特形体相混合。一旦有一个根据本发明的特形体，即使它与对称的其他特形体相混合，薄板也能给出根据本发明的效果。如果存在更多个根据本发明的特形体且其取向相似，本发明会给出更好的效果。特形体在它们各自的“第一面”取向大致相近时，其取向相似。这些特形体(相对其“第一面”)的取向不一定完全相同，但建议其取向不要相反。因此，薄板表面上存在的根据本发明的特形体最好进行主导取向(大于特形体总数的50％，最好大于其总数的70％)使与各特形体“第一面”相正交的所有方向都含在面向薄板的同一象限空间内。本发明还涉及到光线的采集方法，包括对根据本发明的薄板进行定位使入射光线的方向在所述象限空间内。
图7a)示出了含“第一面”80和“第二面”81的非对称棱柱型特形体。这种特形体以不同取向置于薄板82的表面上(图7b)。特形体83，84和85具有相似的取向，因为与这些特形体第一面正交的方向(87，88，89)都包括在面向薄板的象限空间内，此空间对应于图中的阴影部分。相反，特形体86与其他特形体不一致，因为与其第一面正交的方向(90)离开了面向薄板的象限空间。特形体83，84和85有利于接收包括在阴影象限空间内以上述方向到达的光线。
如果薄板表面上存在的所有特形体完全相同，薄板的外观有时在反射中会不引人注意，因为薄板的一部分将入射光线以一定的角度反射给观测者，而薄板的另一部分将入射光线以另外的方式反射给观测者。这是因为观测者不在距薄板的无限远距离上。这个问题在现有技术下的对称形特形体情况下也存在。已经找到了解决这个问题的方法，该方法是2005.6.15提出的德国专利申请DE 102005027799.3以及DE102005027737.3的内容，这两个申请都引入到本申请中供参考。解决办法是在薄板表面上将具有不同形状的特形体加以混合，或者是改变单一特形体的取向。这些特形体可以是不同形状的混合，但仍然都要符合本发明。特别是，除了符合本发明之外，薄板的表面纹理可由呈凹凸形式的特殊特形体、特别是棱锥体的组合件组成，这些特殊特形体基于一种或多种基本特形体，而它们因其深度、高度或其底表面的参数而彼此不同。图8示出了为消除这种反射问题被并列放置的棱锥体底面可采用的形状。此图只表示出棱锥体的底(棱锥体有四个面)，所述底为并列放置，因此这些底的边线形成了Z形线。由于这些底不同(角度随底而变化的菱形)，反射问题被消除。除符合本发明以外，薄板表面纹理还可具有三锥的表面结构，它包括衬底表面上形成的元件；这些元件的伸出部基本上是纵向的，而且实际上这些元件的纵向伸出大于其横向伸出；衬底表面形成全部的平行元件组，平行元件组元件的纵向伸出部的取向从一组到另一组交替地改变。这种情况与根据本发明的曲面棱柱体情况(图6c)相结合时就是图6b)中所示的结构状况。
根据本发明的有纹理的薄板可构成部分屏壁，如竖直壁。这种壁可包含采集阳光的光电电池。最好是，薄板定位在屏壁上阳光显著(光线强度较高)的那一侧。不过，根据本发明的薄板也可以放在壁的两侧，然后在每一侧的每个薄板上装上光电电池。因此有纹理的薄板尤其可用来改善阳光的吸收以提高馈送给光电电池的光通量。薄板特别是可以用玻璃(其折射率接近1.5)制作而光电电池则用硅(折射率大于3)制成。这些光电电池可封装在聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或聚烯烃塑料(EVA)一类的树脂中。这种封装主要是用已知的方法在热高压釜中进行(树脂在热高压釜中熔化)，结果形成了封装有光电电池的树脂板。然后将有纹理的薄板与这种树脂板并列放置(使纹理在外界空气一侧)以便吸收光线并将光线传输至树脂板中的光电电池。在一个热压处理步骤中能够把所有这些部件组合起来。通常要设法避免在纹理薄板与光电池间存在空气。为此，一般惯例是在纹理薄板与光电池之间有规则地放置树脂(PVB或EVA)。这种复杂的结构既可用来采集太阳能也可用作抗干扰器。其作为抗干扰器的有效性甚至比树脂用于“吸音”型抗干扰器时更好，也就是说它减小了干扰。
纹理薄板的厚度(含凹凸)可大于6mm，或甚至大于8mm，尤其是在其具有较大的机械强度时。例如，在薄板被并入抗干扰器时通常就是这种情况。
下表对薄板在竖直位置用于在德国科隆的年照射时、在直射光以及漫射光情况下与无纹理平板玻璃比较所得到的光强度增加(以百分比表示)进行了比较。薄板放在具有北-南(N/S)取向的竖直壁的每一侧使处于壁一侧的一个薄板面向西，而使处在壁的另一侧的另一薄板面向东。此竖直壁也可以为东-西(E/W)取向使处在壁一侧的一个薄板面向南，而使处在壁的另一侧的另一薄板面向北。在所有情况下，表面上特形体的间距约在2-3mm。
  直射光   漫散射光
  实例   特形体   α1   α2   N/S壁   E/W壁   N/S壁   E/W壁
  1   凹入棱锥体   90°   45°   15，5   12，8   21   22，9
  2(比较)   凹入棱锥体   45   45   12，2   8，9   16，2   17，7
  3   凸起棱柱体   90   45   16，9   13，9   22，1   24，2
  4(比较)   凸起棱柱体   45   45   9，3   5，6   13，6   15，4
实例2和4为具有对称结构时的比较例。该表示出：在以可比较的特形体(棱柱体或棱锥体)与对称特形体相比较时，本发明在所有情况下都给出了改进。

Claims (21)

1.一种透明材料的薄板，这种薄板其表面上有纹理，该纹理由多个呈凹凸形状、无论是呈凹入还是凸起形式的特形体所组成，特形体包括彼此互不平行的第一面和第二面，在这两个面的底边上的线相平行，第一面与薄板总平面形成的角度大于第二面与薄板总平面形成的角度，所述角度在特形体是凸起时为在材料内的角度，或者在特形体是凹入时为在材料外部的角度。
2.按照权利要求2所述的薄板，其特征在于，该特形体为棱锥体。
3.按照权利要求3所述的薄板，其特征在于，该棱锥体具有菱形底。
4.按照权利要求1所述的薄板，其特征在于，特形体为棱柱体。
5.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，与第一和第二面的底相平行的线为曲线。
6.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，第一和第二面是平滑的。
7.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，第一面与薄板总平面形成的角度在50-130°。
8.按照权利要求7所述的薄板，其特征在于，第一面与薄板总平面形成的角度在70°-88 °。
9.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，第二面与薄板总平面形成的角度在10°-60°。
10.按照权利要求9所述的薄板，其特征在于，第二面与薄板总平面形成的角度在20°-50°。
11.按照权利要求1-6中之一所述的薄板，其特征在于，第一面与薄板总平面形成的角度大于90°而第二面与薄板总平面形成的角度小于45°。
12.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，所述薄板在表面上有多个特形体，这些特形体间距在0.1-10mm。
13.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，所述特形体有多种不同的形状，或者是同样的特形体在薄板上的取向不同。
14.按照权利要求13所述的薄板，其特征在于，这些特形体因其深度、高度或其底面的参数而不同。
15.按照前述权利要求之一所述的薄板，其特征在于，特形体的主导取向应使与各特形体第一面正交的所有方向都包含在面向薄板的同一象限空间内。
16.一种组合件，该组合件包括前述权利要求之一的薄板以及光电池，薄板的纹理在与光电池相对的那一侧而且薄板能够使光线透射到光电池上。
17.按照权利要求16所述的组合件，其特征在于，光电池被封装在树脂内。
18.一种屏壁，该屏壁包括前述权利要求之一的薄板或组合件。
19.按照权利要求18所述的屏壁，其特征在于，该屏壁是竖直的。
20.一种抗干扰器，该抗干扰器包括前述两个屏壁权利要求中任一权利要求的屏壁。
21.一种采光方法，该采光方法包括对按照权利要求15所述的薄板进行定位使得入射光线的方向在所述象限空间内。
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