CN104520639A - 双级日光重定向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种系统，以向将日光重定向至建筑物内部的光引导结构提供持续强烈的日光。本发明主题的一方面包括含有日光重定向器和至少一个光学转换器的照明系统。日光重定向器从建筑物的墙壁向外延伸，并用于将日光重定向至该日光重定向器下方的墙壁的外部区域。光学转换器安装在墙壁的至少一个外部区域，并用于接收重定向的日光并将该重定向的日光分配至建筑物的内部。

Description

双级日光重定向系统

本专利要求享有于2012年6月4日提出的申请号为13/487679的美国专利申请、以及2012年4月20日提出的申请号为61/636422的美国临时专利申请的优先权，通过引用将该专利全文并入本文。

技术领域

本发明领域涉及光分配技术。

背景技术

随着绿色技术需求的发展，从白炽灯泡到紧凑型荧光灯，再到如今的发光二极管灯泡的变迁，证明了对于高效光源的需求还在不断增长。相对于传统白炽灯泡，这些新开发的灯泡更加高效，但它们可能远不如使用可用的日光来得高效，或者较之更加昂贵。所以人们也开发了不同的聚集和重定向日光的方法，用于建筑物的内部照明。以下列的例子为例：

●2010年国际能源署公布的《项目总结报告——建筑物里的日光》；

●怀特黑德等，于2008年6月16日提出的公开号为2010/0254010、主题为《自适应日光重定向器》的美国专利公报；

●科拉斯等，于2011年9月28日提出的公开号为2012/0011782、主题为《带有太阳能电池的开窗系统》的美国专利公报；

●哈夫等，于2011年1月21日提出的专利号为8027092、主题为《向内部空间提供日照的弯曲光架系统》的美国专利；

●埃森曼等，于2005年1月7日提出的公开号为2005/0128728、主题为《单独分配日光或人造光或分配日光与人造光组合的灯泡系统》的美国专利公报；

●刘某等，于2011年5月3日提出的公开号为2011/0272002、标题为《用于照明的日光收集系统》的美国专利公报；

●罗斯等，于2005年7月5日提出的公开号为2006/0013001、标题为《用于会聚光束分布的反射器》的美国专利公报。

通过引用本文中所讨论的这些以及其它非固有材料，将其全文并入本文。当通过引用并入的术语的定义或用法，与本文中提供的术语的定义不一致或相反时，只有本文所提供的该术语的定义适用，而参考文献中的该术语的定义不适用。

除非上下文指出反例，本文阐述的所有范围应该被解释为包括其端点，以及开放式的范围应被解释为包括商业实用价值。相似地，除非上下文指出反例，所有值的列表应被看作包括中间值。

虽然这些和其它已知参考文献能够重新定向来自一个位置(如窗户或屋顶等)的可用日光，以向建筑物内部提供照明，但是它们都显现出一定的局限性。例如，安装有光收集/收获结构的位置会被限制于那些全天接收大量日光的位置(如屋顶和建筑物朝阳的侧面)。此外，根据被光收集/收获结构接收的可用日光的可被光引导结构高效引入并引导的能力，该日光的有效性会随着一天中日光来自的方向和时间的不同而在全天有所差异。正因如此，需要通过使不依赖于安装位置的光引导结构接收的日光量最大化，来改善现有系统。

发明内容

本发明的主题在于提供一种设备、系统以及方法，以向将日光重定向至建筑物内部的光引导结构提供更多持续一致的日光。本发明主题的一方面包括具有远程日光重定向器(远程控制日光重定向器)和至少一个光学转换器的照明系统。远程日光重定向器从建筑物的墙壁向外延伸，并用于将日光重定向至远程日光重定向器下方墙壁的外部区域。光学转换器安装在墙壁的至少一个外部区域，并用于接收重定向的日光并将重定向的日光分配至建筑物的内部。

在一些实施例中，光学转换器安装在位于日光重定向器下方的墙壁的外部区域上。此外，一些实施例中的光学转换器也用于将被接收的日光引导入建筑物的光引导结构。所以，在一些实施例中，光学转换器还用于在光束被引导至光引导结构之前，会聚然后重新校准被引导的日光，以使其获得一个合适的准光角。

在一些实施例中，远程日光重定向器还用于在引导光束以固定角度射到墙壁之前，将日光会聚和重新校准为光束。在其中的一些实施例中，以掠入射(切线入射)的方式引导光束射到墙壁。在更加优选的实施例中，引导光束以大于75度的入射角(与墙壁的法线或垂直方向所呈的角度)射到墙壁。

在一些实施例中，日光重定向器还具有顶棚。一些实施例的日光重定向器具有旋转式百叶窗组件。在其中的一些实施例中，该旋转式百叶窗组件包括一排可移动的光重定向元件。在一些实施例中，这排可移动的光重定向元件中包括至少一个带有光反射性质的元件(如镜子)或至少一个带有光折射性质的元件(如透镜)。

一些实施例的日光重定向器还近似垂直(即近似正交)于墙壁延伸。在其中的一些实施例中，该日光重定向器还可相对于墙壁调整其角度。一些实施例中的日光重定向器安装在建筑物屋顶的周边。在一些实施例中，照明系统包括一些安装在屋顶周边的日光重定向器和一些光学转换器。优选而非必要地，日光重定向器构成屋顶的周边。在一些实施例中，至少一个日光重定向器用于将日光重新定向至没有日光重定向器便无法接收到直射日光的建筑物的侧面。

正如上文所述，日光重定向器从建筑物的墙壁向外延伸一定距离(如该日光重定向器的宽度)。在一些优选实施例中，日光重定向器还用于重定向日光，使日光在射到墙壁的外部区域或到达目标光学转换器之前，行进至少两倍于该日光重定向器宽度的距离。在一些实施例中，日光重定向器重定向日光，使日光穿过与建筑物墙壁相邻的外部空间。在其中的一些实施例中，该外部空间是不封闭的开放空间。此外，或作为一个可替换的实施例，日光重定向器还可以重定向日光，使日光穿过建筑物的封闭或开放的中庭或庭院。

值得注意的是，本说明书上下文中所用的术语“墙壁”用于委婉地描述建筑物的一部分。这一部分包括但不限于装饰、窗户、窗台、阳台、壁架、外立面等，并将建筑物的主要占用空间与外部、中庭或庭院区别开。

下面将通过优选实施例和附图来具体阐述本发明主题的各种目的、特征、方面和优点，附图中的相同标记表示相同元件。

附图说明

图1为一些实施例的示例照明系统的示意图；

图2为一些实施例的另一示例照明系统的示意图；

图3为已安装有一些实施例的照明系统的建筑物的俯视图。

具体实施方式

下面的讨论提供了很多本发明主题的实施例。尽管每个实施例代表一个发明元素的单一组合，但本发明主题被认为包含公开元素所有可能的组合。所以如果一个实施例包括A、B和C，而第二个实施例包括元素B和D，那么本发明主题也被认为包括A、B、C或D的其它剩余的即使没有公开的组合。

正如本发明所使用的，除非上下文另有所指，否则将术语“把……结合到”规定为包括直接结合(两元素之间相互接触结合)和间接结合(至少一个额外的元素位于两元素之间)。所以，将术语“把……结合到”和术语“与……相结合”作为同义词使用。

根据本发明的一些方面，展现了一种包括远程日光重定向器和光学转换器的照明系统。具体来说，远程日光重定向器从建筑物的墙壁向外延伸。该远程日光重定向器还用于将日光重定向至所述日光重定向器下方的墙壁的外部区域。光学转换器安装在墙壁的至少一个外部区域，并用于接收重定向的日光并将重定向的日光分配至建筑物的内部。

优选地，阳光重定向器安装在建筑物的足够高的位置上，这样便能够全天接收大量日光。例如，在密集的城市地区，优选将日光重定向器安装在建筑物的屋顶，以避免相邻建筑物的阻挡。然而，在其它不太密集的地区，可以将日光重定向器安装在建筑物的其它区域，只要使其能够全天接收日光即可。

应该明白的是，本公开技术提供了很多有益的技术效果。例如，在照明系统中设置日光重定向器，能够使得整个建筑物在一天大部分的时间内获得连续一致的日光的照射，包括建筑物中通过传统采光技术不能获得日光照明的区域。

图1示出一些实施例的示例照明系统100。具体来说，图1为建筑物105的侧视图。如图所示，建筑物105为一栋六层楼房。在每一层上，多个外立面安装装置110安装于建筑物105不同的侧面。例如，图中展示了外立面安装装置110安装于建筑物105每一层的侧面115上，以及外立面安装装置110安装于建筑物105每一层的侧面120上。在本例中，每个外立面安装装置110包括远程日光重定向器和光学转换器。日光重定向器将日光重定向至光学转换器。然后，光学转换器将日光会聚并重校准为光束，之后将光束引导入位于建筑物里面的一组光引导结构(未图示)。本领域技术人员可以理解的是，建筑物105包括两个以上的侧面，而其它外立面安装装置还安装于建筑物105每一层的其余侧面上。还可以理解的是，图1中的示例建筑物仅为一种结构的例子。其它可以从公开的本发明主题中受益的结构包括临时结构(如帐篷、顶篷等)、拖车式活动房屋、车辆、房车、用作临时建筑的海运集装箱、体育场、住房、购物中心或其它类别的结构。外立面安装装置110可以安装在建筑物的墙壁上。值得注意的是，本说明书上下文中所用的术语“墙壁”用于委婉地描述建筑物的一部分。这一部分包括但不限于装饰、窗户、窗台、阳台、壁架等，并将建筑物主要的占用空间与外部、中庭或庭院区别开。

在一个优选实施例中，所述墙壁部分临近一个垂直方向上空旷无物的空间，这样该部分可被经过适当重定向的日光照射到。每个外立面安装装置110在各自的位置上分别接收日光，并将光线引导入建筑物105内部实现建筑物105内部的照明。在一些实施例中，每个外立面安装装置110与其它光引导结构或波导结构(未显示)连接，用于将光线传输至建筑物105的其它区域。

照明系统100的一个缺陷是，每个外立面安装装置110的效率取决于其各自所在位置上的可用的日光量。例如，当太阳位于建筑物105的侧面120上方时，如图1所示，建筑物105的侧面120上的外立面安装装置110以高效率运转，因为那些侧面120上的外立面安装装置110可以接收大量日光。而另一方面，位于建筑物105的侧面115上的外立面安装装置110以较低的效率水平运转，因为建筑物105的侧面115照不到直射日光。除了太阳的位置之外，每个外立面安装装置110的效率还取决于其它因素，如外立面安装装置110的位置和相邻结构的位置。例如，在密集的城市地区，建筑物105的高层通常比低层获得更多的日光照射，所以同位于低层的外立面安装装置110相比，位于高层的外立面安装装置110以更高的效率水平运转。另外，相邻的结构也可能阻挡建筑物105某区域至少一部分可用的日光，造成建筑物105的那个区域的外立面安装装置以低效率水平运转。

图2示出一些实施例的另一示例照明系统200，该系统包括与光线转换器物理分离(或物理解耦)的远程日光重定向器。具体来说，图2示出安装在图1中同一建筑物105内的示例照明系统200。与图1中的建筑物105不同，只有光学转换器215安装在建筑物105的每一层。具体来说，在每一层上，一个所示光学转换器215安装于建筑物105的侧面115，一个所示光学转换器215安装于建筑物105的侧面120。本领域技术人员可以理解的是，建筑物105包括两个以上的侧面，而其它光学转换器还安装于建筑物105的其它侧面上。此外，尽管所示建筑物105有6层，但本领域技术人员应该可以理解的是，照明系统200可以实施于拥有不同高度和不同层数的建筑物中。

除了光学转换器，照明系统200还包括与光学转换器215分离的远程日光重定向器220和225。在一些实施例中，远程日光重定向器220和225从建筑物的墙壁的外部向外延伸，并将日光重定向至日光重定向器下方的墙壁的外部区域。优选地，日光重定向器安装在能够接收到所需日光量的建筑物的足够高的位置上，优选为安装在能够接收到最大日光量的建筑物的足够高的位置上。甚至更优选地，太阳重定向器安装在建筑物的最高点(如屋顶的边沿)。在此实例中，远程日光重定向器220和225邻近建筑物105的屋顶230安装，并从墙壁向外延伸一定宽度。具体来说，远程日光重定向器220安装于建筑物的屋顶230的侧面115，远程日光重定向器225安装于建筑物的屋顶230的侧面220。远程日光重定向器220将日光会聚并重定至位于远程日光重定向器220下方的建筑物105侧面115的墙壁的外部区域，而远程日光重定向器225将日光会聚并重定至位于远程日光重定向器225下方的建筑物105侧面120的墙壁的外部区域。

照明系统200中日光重定向器和光学转换器的分离提供了一些优于照明系统100的益处。例如，日光重定向器220和225能够使更连续一致的日光照射到安装于建筑物105的不同侧面(包括但不限于侧面115和120)和不同楼层的光学转换器215。这样一来，无论它们的位置和其它障碍物(如相邻的建筑结构)如何，安装于建筑物中的所有光学转换器215都可以高效率运转。在一些实施例中，至少一个日光重定向器用于将日光重定向至没有日光重定向器便无法接收到直射日光的建筑物的外部区域。

图2还示出一些实施例的日光重定向器，在将日光重定至墙壁之前，将日光会聚和重校准为光束。如图所示，日光重定向器220和225会聚收集到的日光，形成被引导至墙壁外部区域的光束235和240。值得注意的是，术语“光束”用于委婉地表达被引导的拥有高密度的光聚集体。此外，光束可以是适当的一维(如线)、二维(如片或平面)或甚至三维形式(如柱体)。

日光的校准给照明系统200提供了很多益处。例如，在不使用额外的光引导装置的情况下，它使得日光可以毫无偏差(或有非常小的偏差)地保持在预期方向和/或路线。结果，没有(或非常少的)日光在射到建筑物105的墙壁前发生损失。可以设想的是，一些实施例中的日光重定向器用于重定向日光，使其不经过额外的光引导装置，在光束射到墙壁的外部区域前经过不封闭的开放空间。如图2所示，日光重定向器引导日光，使其经过建筑物105外面的不封闭的开放空间。

尽管所示日光重定向器220和205相邻于建筑物105的外墙安装，但一些实施例中的日光重定向器安装在与建筑物中庭(建筑物里面的开放区域，在该开发区域中屋顶不被覆盖，或被某种允许光传播的材料覆盖)相邻的墙壁或屋顶，并从中庭的墙壁向外延伸。在这些实施例中，光学转换器安装在日光重定向器下方与中庭相邻的墙壁上，日光重定向器引导日光，使其在到达光学转换器前穿过中庭的开放空间。

在一些实施例中，日光重定向器用于重定向日光，使其不经过额外的光引导装置，在射到墙壁的外部区域之前，经过至少两倍于该日光重定向器宽度(即该日光重定向器从墙壁向外延伸的尺寸)的距离。

图2示出经过日光重定向器220和225重定向的日光光束235和240以固定角度射到墙壁的外部区域。优选地，日光重定向器用于重定向日光，使其到达建筑物墙壁的所有外部区域。所以，日光光束射到墙壁的外部区域的角度，取决于被重定向器照亮的建筑物部分的高度以及日光重定向器从墙壁向外延伸的宽度。换言之，建筑物越高，越能导致光束以更加精确的角度(即更大的入射角)射到墙壁。同样的，日光重定向器的宽度越小，也越能导致光束以更加精确的角度(即更大的入射角)射到墙壁。在一些实施例中，日光重定向器220和225用于重定向日光，使其以掠入射(切线入射)的方式射到墙壁。在更优选的实施例中，光束被引导以大于75度的入射角射到墙壁。

在一些实施例中，照明系统200中的日光重定向器具有从墙壁向外延伸的顶棚，以便创造很大的表面积用于收集阳光。一些实施例中的顶棚包括一组用于收集、重定向和/或校准日光的元件。此类元件的一个例子为旋转式百叶窗组件，其被描述于2011年10月25日提交的主题为“日光重定向镜方阵(旋转式百叶窗)”、申请号为61/551050的美国临时专利，这里通过引用将其全文并入本文。在其中的一些实施例中，该旋转式百叶窗组件包括用于一排用于重定向和/或校准日光的可移动的光重定向元件。在一些实施例中，该排可移动的光重定向元件包括至少一个带有光反射性质的元件(如镜子)或至少一个带有光折射性质的元件(如透镜)。

尽管如图2所示日光重定向器近似垂直安装在建造物外墙上，但出于不同的原因，其它实施例以相对于建造物外墙不同的角度安装日光重定向器。例如，使日光重定向器形成一定角度，以使内部光学系统更容易重定向日光，可以辅助遮挡雨雪，可以作为一个特殊的建造设计在建筑学上更加吸引人，可以降低成本以及增加结构稳定性等。

此外，一些实施例中的日光重定向器还可调整其相对于墙壁的角度，以及调整其相对于与墙壁垂直的轴的角度。例如，可以调节日光重定向器的角度(不依赖于对于日光重定向器的可移动光学元件的调节或除了调节日光重定向器的可移动光学元件之外)来接收全天最大量的日光。在一些实施例中，日光重定向器用于在一天不同的时间调节其角度，以使日光重定向器的平坦侧面总是直接朝阳。而且，可以出于清洁和安全的原因调节日光重定向器的角度。例如，日光重定向器可以朝着建筑物的屋顶往上折叠，这样可以利于清理。此外，出于安全的原因日光重定向器可设置为在暴风雨期间向下折叠。可以理解的是，甚至当重定向器调节它们相对于建筑物的外部的结合角度时，日光重定向器还能够调节输出的重定向角度，以确保重定向的日光被引导到相应的光学转换器。进一步可以设想的是，重定向器可以安装于除建筑物之外的相邻结构。例如，重定向器可以放置于较高的相邻结构，以将日光重定向至较小的可能带有阴影的建筑物。

如上文所述，一些实施例中的日光重定向器，其用于将日光重定向至所述日光重定向器下方的墙壁的外部区域。所以一些实施例中的光学转换器安装在位于日光重定向器下方的墙壁的外部区域。在一些实施例中，光学转换器215用于接收来自日光重定向器的重定向的日光，并进一步将日光重定向至建筑物105。在不同的实施例中，光学转换器有不同的实施方式。例如，一些实施例中的光学转换器用于将日光重定向至建筑物不同的内部空间(如与光学转换器相邻的房间的天花板)。在其它实施例中，为了将日光输送到更多的建筑物的内部区域，光学转换器用于将日光重定向至其它光引导结构(如一组管道、镜子和/或透镜)。在其中的一些实施例中，在引导日光进入建筑物的光引导结构前，光学转换器还能用于会聚和重新校准重定向的日光。

如上文所述，一些实施例中的日光重定向器安装在与建筑物屋顶相邻的位置。在一些实施例中，照明系统包括一些安装在屋顶周边的日光重定向器。优选而非必要地，日光重定向器构成了屋顶的周边，这样照明系统将日光布满了建筑物的所有侧面。图3示出建筑物105的俯视图，建筑物105屋顶的周边安装了一些日光重定向器305。此外，该日光重定向器305以某种方式构成了屋顶的周边。在本实例中，该日光重定向器305集体接收日光，并将日光重定向至建筑物105的所有侧面。所以可以设想的是光学转换器可以安装在建筑物105的任何侧面。

对于本领域的技术人员显而易见的是，除了那些已经被描述过的改进，不脱离本发明构思的更多的修改也是可能的。所以本发明主题并不局限于所附权利要求的范围。而且，对于说明书和权利要求的解释，所有术语都应该以尽可能宽泛的与上下文保持一致的方式解释。特别是，术语“包括”和“包括……的”应该解释为以非排他的方式引用元素、元件或步骤，表明被引用的元素、元件或步骤存在、或被使用或与其它没有被明确引用的元素、元件或步骤相结合。当说明书权利要求引用至少一个从由A、B、C……N构成的小组中选出的某项时，该文应该解释为只要求小组里面的一个元素，而不是A+N或B+N等。

Claims (24)

1.一种照明系统，包括：

远程日光重定向器，其从建筑物的墙壁向外延伸，并用于将日光重定向至其下方的墙壁的外部区域；以及

至少一个光学转换器，其安装在墙壁的至少一个外部区域，并用于接收重定向的日光并将该重定向的日光分配至建筑物的内部。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述日光重定向器具有顶棚。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述日光重定向器还垂直于墙壁延伸。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述日光重定向器相对于墙壁的角度是可调节的。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述墙壁包括中庭、窗户、窗台、装饰、阳台中的至少一个。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述重定向的日光穿过与建筑物墙壁相邻的外部空间。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述外部空间为与建筑物墙壁相邻的光学无阻碍的空间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述重定向的日光穿过建筑物的中庭。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述远程日光重定向器还用于将日光会聚和重新校准为光束，所述光束被引导以固定角度射到墙壁。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述光束被引导以掠入射的方式射到墙壁。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光束被引导以大于75度的入射角射到墙壁。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述日光重定向器安装在建筑物屋顶的周边。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述日光重定向器具有旋转式百叶窗组件。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述旋转式百叶窗组件包括一排可移动的光重定向元件。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述一排可移动的光重定向元件包括至少一个带有光反射性质的元件和至少一个带有光折射性质的元件。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述日光重定向器具有一从建筑物的墙壁向外延伸的宽度，并且还用于重定向日光，使重定向的日光在射到墙壁的外部区域之前，行经至少两倍于所述日光重定向器宽度的距离。

17.根据权利要求1所述的系统，其中还包括多个日光重定向器和多个光学转换器。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述多个日光重定向器安装在建筑物屋顶的周边。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述日光重定向器还构成了屋顶的周边。

20.根据权利要求18所述的系统，其中至少一个所述多个日光重定向器还用于将日光重定向至没有日光重定向器便无法接收到直射日光的建筑物的侧面。

21.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学转换器安装在位于日光重定向器下方的墙壁的外部区域，并用于引导重定向的日光进入光引导结构。

22.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学转换器在重定向日光之前，还用于会聚并重新校准重定向的日光。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述重定向的日光穿过与建筑物墙壁相邻的外部空间。

24.根据权利要求22所述的系统，其中所述光学转换器还用于重定向经过会聚及重新校准的日光，使经过会聚及重新校准的日光进入光引导结构。