CN109976034A - 光学模块、光伏组件及其应用的系统、装置和产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光学模组，包括光波导层、光源和光学层，光学层中的反射层选择性反射光源发出的波长的光；和/或，散射层选择性散射光源发出的波长的光。通过选择性反射和/或散射光源发出的光，使光学模组对太阳光的透过率增加。当其安装于依赖自然光的设备时，在保证设备太阳光利用率的同时实现了设备的发光显示性能。本发明公开了光伏组件，包括上述的光学模块，在具有高光伏发电性能的同时，增加夜间照明性能。本发明公开了光伏建筑一体化系统，具有良好的发电性能以及夜间照明性能。本发明公开了显示装置，包括液晶显示面板和上述的光学模组，能够在自然光线不足时利用光学模组显示。本发明公开了电子产品，包括上述的显示装置，具有节能效果。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体涉及一种光学模块、光伏组件及其应用的系统、装置和产品。
背景技术
对于依赖自然光进行显示或发电的设备，通过在设备的外侧面上设置光学模组，为设备提供光线，可以使设备在自然光强度不足的条件下具有显示、发光功能。根据光学模组中光源的布局可以分为侧面打光(Edge－it)和正面打光(Bottom－it)两种，在正面打光的光学模组中，光源分布于设备接收光线的入光面的前方。在侧面打光的光学模组中，一般设置有光源、导光板、反射层和散射层等元件。其中，光源位于导光板的侧面，光源发出的光线耦合到导光板发生折射、反射，最后由导光板的出光面射出。导光板与出光面相对的一侧设置有反射层，以遮挡和反射光源射出的光线，使其进入光传导区。导光板的出光面一侧设置有散射层，使射出的光线更加均匀。
例如，在BIPV系统上增加光源组件，使BIVP系统具有光伏发电性能的同时，能够在夜间发光，增加了BIPV系统的夜间观赏性。光伏建筑一体化(BIPV，BuildingIntegratedPhotovoltaic)，是将太阳能发电(光伏)产品集成或结合到建筑上的技术，也即，把各种不同结构形式的光伏组件集成安装于建筑的外表面为建筑提供电力的技术。1954年，世界上第一块实用的光伏电池问世，人类展开了应用太阳能的新纪元。20设计70年代，光伏组件开始被应用在建筑上。20世纪90年代，经特殊设计、可集成到建筑物外墙上的BIPV建筑产品已经商业化。BIVP系统实现了现代建筑与太阳能光伏系统的结合，符合低能耗绿色建筑的要求，具有广阔的发展和应用前景。
当BIPV系统上增加的光学模组为正面打光时，光源位于光伏组件接收太阳光的一侧，会对太阳光造成一定的遮挡，造成BIPV系统光伏发电性能的损失。当BIPV系统上增加的光学模组为侧面打光时，光源不会造成对太阳光的遮挡，然而，由于光学模组中设置有反射层，反射层虽然能够通过反射光源发出的光，提光源的光利用率；但是，反射层同时会使太阳光反射，影响光伏组件对太阳光的接收，导致BIVP系统的发光发电效率降低。另外，根据光路的可逆性，太阳光在射入光波导层后，会在光波导层的表面或内部发生散射，导致太阳光的透过率降低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中依赖自然光显示或发电的设备，在增加光源模组后，会造成设备对太阳光的利用率降低的缺陷。
为此，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种光学模组，包括：
光波导层，具有入光面和与所述入光面相邻的出光面；
光源，靠近所述光波导层的入光面的一侧设置，所述光源用于发出所需波长的光；
光学层，包括设置在与所述光波导层的出光面相对一侧的反射层，所述反射层选择性反射所述光源发出的波长的光；和/或，设置在所述光波导层的出光面一侧的散射层，所述散射层选择性散射所述光源发出的波长的光。
优选地，上述的光学模组，所述反射层是设置在所述光波导层上的反射膜，所述散射层是设置在所述光波导层上的散射膜。
进一步优选地，上述的光学模组，所述反射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上，所述散射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上。
优选地，上述的光学模组，所述反射层的反射效率≥90％，所述散射层的散射效率≥50％。
进一步优选地，上述的光学模组，所述反射层的反射效率≥97％，所述散射层的散射效率≥80％。
优选地，上述的光学模组，所述光源位于所述光波导层的外部，所述光源与所述光波导层之间设置有增透层。
优选地，上述的光学模组，所述光源为无机发光二极管或有机发光二极管，所述光源的谱线宽度小于40nm。
优选地，上述的光学模组，所述光源为单个排布或阵列排布。
优选地，上述的光学模组，所述光波导层选自光学塑料材料和光学玻璃材料中的至少一种。
进一步优选地，上述的光学模组，所述光学塑料材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚苯乙烯中的至少一种，所述光学玻璃材料选自硅酸盐、硫酸盐和氟化物中的至少一种。
第二方面，本发明提供了一种光伏组件，包括：
太阳能发电模块；
上述的光学模组，所述光学模组设置于所述太阳能发电模块接收太阳光的一侧。
第三方面，本发明提供了一种光伏建筑一体化系统，包括上述的光伏组件。
第四方面，本发明提供了一种显示装置，包括：
液晶显示面板；
上述的光学模组，所述光学模组设置于所述液晶显示面板的显示侧。
第五方面，本发明提供了一种电子产品，包括上述的显示装置。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的光学模组，包括：光波导层，具有入光面和与所述入光面相邻的出光面；光源，靠近所述光波导层的入光面的一侧设置，所述光源用于发出所需波长的光；光学层，包括设置在与所述光波导层的出光面相对一侧的反射层，和/或设置在所述光波导层的出光面一侧的散射层；所述反射层选择性反射所述光源发出的波长的光，所述散射层选择性散射所述光源发出的波长的光。
此结构的光学模组，适合增加于依赖自然光进行显示的设备，例如光伏组件、液晶显示面板等接收太阳光的一侧上。在自然光线不足时，利用光学模组提供光线，使设备发挥其显示、发光的功能。由于光学模组中的光源为侧面打光，能够避免光源对太阳光的遮挡，提高光源对太阳光的接收率。光学模组中的光学层包括反射层和/或散射层，反射层选择性反射光源发出的波长的光，使与光源发出的波长不同的其他波长的光透过，有效避免了反射层对太阳光中其他波长的光的反射，从而有效减轻了由于反射层反射太阳光造成的太阳光损失，提高太阳光的透射率。此外，光学模组的反射层能够有效反射、利用由光源发出的光，提高光源的光利用率。散射层选择性散射光源发出的波长的光，使与光源发出的波长不同的其他波长的光透过，有效减少了太阳光在照射进光波导层时由于散射造成的光损失，提高了光波导层对太阳光的透过率，使设备能够充分利用太阳光。此外，在光波导层的出光面一侧设置散射层，使光源发光的光在经过光波导层的传导后进一步均匀分散，提高光线射出的均匀性。通过设置至少一种具有波长选择性的光学层，能够有效提高安装有光学模组的设备对太阳光的利用率，并且使设备同时兼具良好的光显示性能。
2.本发明提供的光学模组，所述反射层是设置在所述光波导层上的反射膜，所述散射层是设置在所述光波导层上的散射膜。以反射膜和散射膜作为光学模组的反射层和散射层，利用光学薄膜的特殊光学性能，实现对特定波长的光的选择性反射和散射。
3.本发明提供的光学模组，所述反射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上，所述散射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上。光学镀膜是镀制一层或多层的金属膜或介电质膜的工艺，能够改变光的传递特性，实现对光波的选择性响应。
4.本发明提供的光学模组，所述反射层的反射效率≥90％，所述散射层的散射效率≥50％。反射层能够将光源发出的波长的有效反射至光波导层，光再由光波导层射出后经散射层被有效分散，使光学模组在不影响太阳光透射的情况下提高光学模组的出光效率和出光效果。
5.本发明提供的光学模组，当光源设置于光波导层的外部时，为提高光源发出的光射入光波导层的入射耦合率，在光源与光波导层之间设置增透膜，以提高光射入光波导层的比例，提高光源利用率。
6.本发明提供的光学模组，光学模组为无机发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)。其中，LED由于响应时间短、功效高、寿命长、结构紧凑，适于作为光源设置于光学模组中。光源可以是单色光，也可以是由两种或两种以上单色光组合得到的复色光。为减少太阳光中与光源发出的波长的光因波谱重合而被反射或散射，需要使光源的谱线宽度小于40nm，以尽可能减少因光学模组造成的接收太阳光的损失。
7.本发明提供的光伏组件，包括太阳能发电模块和上述的光学模组，所述光学模组设置于所述太阳能发电模块接收太阳光的一侧。由于光学模组中设置有对光源发出的波长的光进行选择性反射的反射层，和/或对光源发出的波长的光进行选择性散射的散射层，光学模组中的反射层以及散射层仅对光源发出的波长的光进行响应，其他波长的光能够有效透过光学模组，从而避免了由于反射层和/或散射层由于反射、散射太阳光造成的太阳光损失，保证太阳能发电模块能够有效接收太阳光，提高了太阳能发电模块的的光伏发电效率。同时，由于在太阳能发电模块接收太阳光的一侧设置光学模组，使光伏组件在夜间具有发光性能，通过反射层和/或散射层对光源发出管的反射、散射，提高了光伏组件的发光效率和效果。
8.本发明提供的光伏建筑一体化系统，包括上述的光伏组件。光伏组件在白天能够有效接收太阳光，具有高的光伏发电效率。在夜间利用光学模组的发光性能，使光伏建筑一体化(BIPV)系统能够实现夜间照明，增加了BIPV系统的景观观赏性。
9.本发明提供的显示装置，包括液晶显示面板和上述的光学模组，光学模组设置于所述液晶显示面板的显示侧。液晶显示面板中未设置有背光源，仅能依赖自然光，进行反射发光，当外界光线不足时，液晶显示面板丧失其显示性能。通过在液晶显示面板的显示侧设置光学模组，在外界光线不足时，利用光学模组发光，恢复液晶显示面板的显示性能。由于光学模组中的光学层仅对光源发出的波长的光进行反射和/或散射，保证了在自然光充足时，液晶显示面板能够有效利用自然光进行显示。
10.本发明提供的电子产品，包括上述的显示装置。在外界光线充足，电子产品中的液晶显示面板通过反射自然光进行显示，在外界光线不足时，利用光学模组发出的光进行显示，有效减少了电子产品的能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的光学模组的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的光学模组的侧视图；
图3为本发明实施例2提供的太阳能电池板的光谱响应图；
附图标记说明：
1－光源；2－光波导层，21－入光面，22－出光面；3－光学层，31－反射层，32－散射层，33－增透层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种光学模组，包括光波导层2、光源1和光学层3。如图1和图2所示，光波导层2具有入光面21和与入光面21相邻的出光面22。光波导层2选择透光率较高的材料形成，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。光波导层2的结构呈梯形体，其出光面22为平面，与出光面22相对的一侧面为倾斜的斜面，光波导层2的侧面呈梯形。光源1靠近光波导层2的入光面21的一侧设置，用于发出所需波长的光。例如，光源1为单个排布的LED，LED发出的光的波长落入可见光的波长范围内(380－780nm)，LED具体可以是单色LED，如红光LED、绿光LED、蓝光LED等等，或者是由单色LED组合得到的复色LED。光学层3包括设置在光波导层2的出光面22一侧的散射层32，设置在与光波导层2的出光面22相对一侧的反射层31，以及设置于光源1与光波导层2之间的增透层33。具体地，散射层32是通过光学镀膜镀设在光波导层2的出光面22上的散射膜，反射层31是通过光学镀膜镀设在背对光波导层2出光面22的一侧面上的反射膜，增透层33是通过光学镀膜镀设在光波导层2的入光面21上的增透膜。通过设置增透膜，可增加光源1发出的光射入光波导层2的光通量。
需要说明的是，对于依赖自然光进行显示的设备，在其接收光线的一侧增加光学模组，可在自然光线不足时为设备补充光线，使其恢复显示或具有发光功能。然而，当现有的光学模组增加于设备前方时，光学模组中的反射层31会反射太阳光，使太阳光不能有效透过光学模组被设备接收。同时，由于光路的可逆性，太阳光在射入光波导层2时，会在光波导层2的表面或内部发生散射，造成太眼光透过率降低。
为解决上述问题，本实施例中的光学模组，通过光学镀膜在背对光波导层2的出光面22的一侧面上镀设反射膜，形成具有波长选择特性的反射层31；通过光学镀膜在光波导层2的出光面22的一侧上镀设散射膜，形成具有波长选择特性的散射层32。其中，散射膜选择性散射光源1发出的波长的光，反射膜选择性反射光源1发出的波长的光。例如，光源1为绿色LED，其发出的绿光的波长范围为492nm～522nm，则反射膜对波长为492nm～522nm的光发生响应，而其余波长的光透过反射膜；散射膜对波长为492nm～522nm的光发生响应，而其余波长的光透过散射膜。当上述的光学模组设置于设备接收自然光的一侧时，由于反射膜和散射膜仅对LED光源1发出的波长的光进行影响，而其余波长的光可正常透过，有效减少了太阳光在射入光学模组时，由于被反射层31反射、以及散射层32的散射导致的太阳光损失，提高了太阳光的透过率，使设备能够充分接收太阳光。此外，通过设置反射膜实现对光源1发出的光进行反射、利用，以及通过散射膜使光学模组射出的光更加均匀，反射层31的反射效率≥90％，散射层32的散射效率≥50％，使光学模组具有好的发光效率和发光性能。当反射层31的反射效率≥97％，散射层32的散射效率≥80％，能够进一步提高光学模组的发光效率和发光性能。
制备散射膜和反射膜的光学镀膜工艺可以选择蒸发沉积、离子束溅射、等离子体溅射、喷雾热解、原子层沉积等等。通过光学镀膜，能够得到均匀沉积、具有特定光学性能的膜层。反射膜以及散射膜分别可以是由金属膜(例如：Au、Ag、Cu、Cr、Ni等等)形成的单层或多层膜结构，由电介质膜(SiO2、TiO2、Bi2O3、In2O3、ZnO、SnO2等等)形成的单层或多层膜结构，或者由金属膜与电介质膜形成的多层的复合膜层结构，薄膜中发生发光的干涉，利用膜层的光谱吸收特定，利用现有的光学镀膜工艺，能够得到选择性反射光源1发出的波长的光的反射膜，以及选择性散射光源1发出的波长的光的散射膜。例如，光源1发出的光的波长范围为492nm～522nm，则反射膜对波长为492nm～522nm的光发生响应，而其余波长的光透过反射膜；散射膜对波长为492nm～522nm的光发生响应，而其余波长的光透过散射膜。
作为第一种可替代的实施方式，光波导层2的出光面22的一侧不设置散射层32，通过设置在与光波导层2的出光面22相对一侧的反射层31，选择性反射光源1发出的波长的光，以提高太阳光射入光学模组的透过率。作为进一步的变形，光源1与光波导层2之间不设置增透层33，由光源1射出的光直接入射到光波导层2中，同样能够在使光学模组保持发光性能的同时，增加太阳光的透过率。
作为第二种可替代的实施方式，与光波导层2的出光面22相对的一侧不设置反射层31，通过设置在光波导层2的出光面22一侧的散射层32，选择性散射光源1发出的波长的光，以提高太阳光射入光学模组的透过率。作为进一步的变形，光源1与光波导层2之间不设置增透层33，由光源1射出的光直接入射到光波导层2中，同样能够在使光学模组保持发光性能的同时，增加太阳光的透过率。
作为第三种可替代的实施方式，光波导层2的入光面21上不设置增透层，光源1发出的光直接进入光波导层2内发生反射、折射。作为进一步的变形，光源1还可以设置在光波导层2的内部，例如，将LED光源1嵌设在光波导层2的侧壁面上，以保障光源1发出的光以较高的入射耦合率在光波导层2内传播。
作为第四种可替代的实施方式，形成光波导层2的材料还可以是其他光学塑料材料，例如聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等等；或者是光学玻璃材料，例如，硅酸盐、硫酸盐、氟化物等等。作为变形，光波导层2的形状还可以是长方体、正方体、表面为平面的规则或不规则的多面体、表面为曲面的规则或不规则的多面体等等。
作为第五种可替代的实施方式，光源1还可以是阵列排布的LED光源1，例如，光源1为串联排列的LED灯条。作为进一步的变形，光源1还可以是其他的发光元件，例如，有机发光二极管(OLED)，OLED为单个或阵列排布，同样能够为光学模组提供发光来源。
实施例2
本实施例提供一种光伏组件，包括太阳能发电模块(例如，太阳能电池板)和实施例1提供的任一种的光学模组，光学模组设置在太阳能发电模块接收太阳光的一侧。
目前，太阳能电池板的光谱响应如图2所示，响应的波长范围约为300－1000nm。当在太阳能电池板的接收太阳光的一侧增加光学模组时，由于光学模组的发光波长在可见光的范围内(380－780nm)，与太阳能电池板的光谱响应的波长重合，因此，设置在光学模组中的反射层31同时会造成太阳光的反射，而太阳光在照射进光波导层2时会在其表面和内部发生散射，使太阳能电池板能够接收的太阳光的有效量减少，太阳能电池板的光伏发电效率降低。
为解决上述问题，本实施例在太阳能电池板的接收太阳光的一侧上，设置仅对光源1发出的波长的光进行反射、散射的光学模组。光源1发出的光是谱线宽度小的40nm的单色光或复色光，因此，当太阳光在通过光学模组射向太阳能电池板时，与光源1发出的光波长不同的大部分波段太阳光能够透过光学模组，被太阳能电池板接收。有效减少了由于增加光学模组造成的太阳光透过率的损失，使光伏组件在具有高发电效率的同时，增加了发光性能。光伏组件兼具“白天发电、夜间照明”的双重功能。
实施例3
本实施例提供一种光伏建筑一体化系统，例如，将光伏组件与建筑幕墙的结合，得到的光伏幕墙结构，其中的光伏组件为实施例2提供的光伏组件。
光伏建筑一体化系统中的光伏组件在白天能够有效接收太阳光，将光能转化为电能，具有不受地域限制、无枯竭、无污染、无公害等优点，还能起到建筑构材和建筑美观的作用。在夜间，通过光学模组发光，使光伏建筑一体化系统能够实现夜间照明，增加了其夜间观赏性。在保证光伏建筑一体化系统的发电性能的基础上，实现了BIPV系统的功能多样化。
作为第一种可替代的实施方式，光伏建筑一体化系统还可以是由光伏组件与其他建筑构件一体化得到，例如屋顶、遮阳板等等。
实施例4
本实施例提供一种显示装置，包括液晶显示面板(LCD)和实施例1提供的任一种的光学模组，光学模组设置在液晶显示面板的显示侧。
由于液晶显示面板本身不能发光，必须要反射自然光或者增加背光源1进行显示。在不设置背光源1的反射性LCD中，LCD通过反射自然光实现显示功能。通过在LCD的显示侧增加光学模组，可在自然光线不足时，利用光学模组补充光线，使LCD恢复显示功能。然而，增加光学模组同时会导致自然光的透过率降低，影响在自然光线充足情况下的使用。
为解决上述问题，本实施例中增加的光学模组，仅对光源1发出的波长的光进行反射、散射，有效减少了因对自然光的反射、散射造成的光损失，提高了自然光的透过率，保证了LCD接收反射自然光的显示功能，同时使其在自然光线弱时能够利用光学模组作为前光源1进行显示。
实施例5
本实施例提供一种电子产品，例如，可穿戴显示设备、电子书等。电子产品包括实施例4中提供的显示装置，电子产品中的液晶显示面板通过反射自然光进行显示，在外界光线不足时，利用光学模组发出的光进行显示，有效减少了电子产品的能耗。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种光学模组，其特征在于，包括：
光波导层，具有入光面和与所述入光面相邻的出光面；
光源，靠近所述光波导层的入光面的一侧设置，用于发出所需波长的光；
光学层，包括设置在与所述光波导层的出光面相对一侧的反射层，所述反射层选择性反射所述光源发出的波长的光；和/或，设置在所述光波导层的出光面一侧的散射层，所述散射层选择性散射所述光源发出的波长的光。
2.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述反射层是设置在所述光波导层上的反射膜，所述散射层是设置在所述光波导层上的散射膜。
3.根据权利要求2所述的光学模组，其特征在于，所述反射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上，所述散射膜通过光学镀膜镀设在所述光波层上。
4.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述反射层的反射效率≥90％，所述散射层的散射效率≥50％。
5.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光源位于所述光波导层的外部，所述光源与所述光波导层之间设置有增透层。
6.根据权利要求1所述的光学模组，其特征在于，所述光源为无机发光二极管或有机发光二极管，所述光源的谱线宽度小于40nm。
7.一种光伏组件，其特征在于，包括：
太阳能发电模块；
权利要求1-6任一项所述的光学模组，所述光学模组设置于所述太阳能发电模块接收太阳光的一侧。
8.一种光伏建筑一体化系统，其特征在于，包括权利要求7所述的光伏组件。
9.一种显示装置，其特征在于，包括：
液晶显示面板，
权利要求1-6任一项所述的光学模组，所述光学模组设置于所述液晶显示面板的显示侧。
10.一种电子产品，其特征在于，包括权利要求9所述的显示装置。
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