JP2002526741A - 光透過面を有する光要素 - Google Patents

光透過面を有する光要素

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JP2002526741A JP2000574878A JP2000574878A JP2002526741A JP 2002526741 A JP2002526741 A JP 2002526741A JP 2000574878 A JP2000574878 A JP 2000574878A JP 2000574878 A JP2000574878 A JP 2000574878A JP 2002526741 A JP2002526741 A JP 2002526741A
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クラインヴェヒター・ユルゲン
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、光透過面（２）とエネルギー変換器（３）とを有する光要素（１）に関するものである。光透過面（２）は、光透過面（２）に対して直接照射される放射光線のみをエネルギー変換器（３）に向けるように構成されている。エネルギー変換器（３）として好ましくは、太陽電池（３）、流体導体又は光導体(１６) が使用される。光要素は、とりわけ拡散光による部屋の照明に好適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光透過面を備えた光要素に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窓、ガラス間口及び屋根を通る太陽光の光束は、部屋の照明になる。しかし高
過ぎるエネルギーレベルのために、絞り効果、不均一な光分布及び室内の高すぎ
る温度上昇が生じる。ベネチュアブラインドは、度々建物の内部で人工的照明が
行われねばならない程著しく光束が遮られるという矛盾した状態に陥る。射し込
む光は、室外の直射日光と、殆ど均一に半球状に、即ち部屋の半分の全方向から
入射し、大気条件に応じて直射日光値の略１０％までであるとされる拡散光とか
ら成る。
【０００３】 必然的な影形成のために多くのオフィス内では多数の電灯及び室内の床部の照
明体に基づいて、電流消費体の主要部分は、一日中電力を消費する。人工光源は
、弱い発光効果の加熱体として特徴ずけられることができかつそのために空調に
よって室外に熱を搬出するために追加的な電気エネルギーを必要とする。
【０００４】 種々のベネチュアブラインドが開発され、これらはベネチュアブラインドが阻
害する直射外光を反射し、かつ拡散光のみを透過させるように、太陽に対するそ
の相対位置によって透過し又は反射するように制御される。ここで特に、回転可
能なプリズムの市販のシステムが参照される。この際透過するプリズムシステム
が直射日光を反射し、かつプリズムシステムが直射日光に垂直に位置決めされる
場合、プリズムシステムは拡散光を透過させる。こうして選択的な透過を行うベ
ネチュアブラインドが可能になる。
【０００５】 公知のシステムは、窓、ガラス間口又はガラス屋根を備えた部屋の照明技術的
調整が改善され得るが、公知のシステムは、基本的に、遮られる直射日光がーた
といエネルギー的価値が十分でもー、光反射によって外界に放出されるという弱
点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発明が解決しようとする課題は、技術分野の光要素を、直接光透過面に現れる
光線が利用され得るように構成することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この課題は、光透過面を備え、エネルギー導体を有し、かつ
その際光透過面は、直接光透過面上に現れる光線のみをエネルギー導体に向ける
ように形成されることによって解決される。
【０００８】 従って本発明による光要素ではエネルギーを大切にするために、直射日光によ
って形成される入射光の大部分がエネルギー導体上に向けられ、一方拡散光がこ
のエネルギー導体の傍らを通り過ぎて照明に利用されることができる。エネルギ
ー導体として例えばエネルギー変換器又は光導体が使用されることができる。
【０００９】 地球表面の太陽光は、拡散部分が透過されそれによって例えば部屋の基本照明
が行われ、一方直射日光部分は本発明による光透過面を通過するが、室内に到達
する前に又は室内で焦線又は焦点に収束されるように選択的に取り扱われる。
【００１０】 光透過面がフレネルレンズ、ホログラフレンズ又は屈折光学要素を有する場合
には有利である。これらの光学的手段は、直射日光をエネルギー導体上に集光さ
せかつ拡散光を透過させることを可能とする。
【００１１】 焦線又は焦点に本発明によるシステムが配設されており、このシステムは収束
された光を熱（熱的ソーラコレクタ）又は電流（光電圧コレクタ）に変換し又は
しかし二次的光学系によって光束が所期の転向によって光要素の後方に位置する
部屋の床部に放射されるようにする。好適な実施形態はエネルギー導体が、その
熱がアクチブ又はパッシブに排出される太陽電池を有するように構成される。
【００１２】 これに対して選択的にエネルギー導体は流体導体であり得、これに吸収される
熱は続いて熱力学的又は熱的利用システムに供給される。
【００１３】 第３の選択は、エネルギー導体が１つの光導体を有することである。光導体は
、収束された光をさ更に先に送り又は複数の光導体の光を収束させる。
【００１４】 好適な実施例では、光導体の入口端が焦平面の移動に倣いかつ出口端が位置固
定でエネルギー導体上に向けられることが行われる。
【００１５】 風、天候及び汚れから光要素を保護するために、光要素が光透過面の後方に配
設されることが提案される。保護面は簡単に洗浄されるような個別的に形成され
たガラス板であり得、その結果後方に配設された光要素はその特別な光学的な構
造によって規則的な洗浄を必要としない。好ましくは、光要素は光要素の最適な
保護を提供する２つの二重ガラス板類似の光透過面の間に配設されている。
【００１６】 一般に、エネルギー導体は、光透過面と他の１つの光透過面との間に配設され
ることができる。この際他の光透過面は、保護面として形成されることができ、
又は同様に直接光透過面上に現れる光のみをエネルギー導体上に向けることがで
きる。
【００１７】 複数の光透過面又は１つの光透過面が１つの生活圏を区画する場合には有利で
ある。この生活圏は、そこに拡散光のみが確保されることによって特徴ずけられ
る、そのわけは直接光透過面上に現れる光線のみが、エネルギー導体上に向けら
れかつそれによってこの光線は生活圏への入射の前に吸収されるからである。
【００１８】 光透過面を備えた光要素の本発明による種々の実施例は図面に表されておりか
つ次にこれを詳しく説明する。
【００１９】
【実施例】
図１中に示された光要素１は、実質的に光透過面２とエネルギー導体３とから
成る。エネルギー導体３は、図示の実施例においてはフレネルレンズとして形成
された光透過面２と窓ガラス板４との間に配設されている光起電力要素として形
成されている。
【００２０】 太陽５から出る光線６は、直射日光７及び拡散光８として光透過面１上に入射
する。光透過面２上に直接入射する光線７は、フレネルレンズによって光起電力
コレクタ３上に収束され、かつ拡散光８はフレネルレンズ及びその後方に配設さ
れた窓ガラス板４を透過する。
【００２１】 フレネルレンズ２は、光線を点状又は線状のエネルギー導体上で相会させるた
めに、点状に又は線状に結像することができる。更にフレネルレンズ２は、焦線
又は焦点に直射日光の高い割合を引き込むために、太陽５を一軸的に又は二軸的
に倣うことが可能である。ここで放射エネルギーを電気エネルギーに変換するエ
ネルギー導体３が存在する。太陽５の拡散光部分８は、エネルギー変換器に現れ
ることなしに、レンズを通過し、従って窓ガラス板４の後方に位置する照明され
るべき部屋９に達する。
【００２２】 本発明による構成は、一方では絞られない十分な光を後方に位置する部屋９を
透過させ、かつ他方では伝達されない直射日光部分７をエネルギー技術的に十分
に利用するという条件を充足する。
【００２３】 ストリップ状又は円形の光起電力モジュール３は、冷却されねばならない、そ
のわけは該モジュールは収束光の下で運転されるからである。そのアクチブ冷却
サイクル（例えば水による）は重要であり、その結果全システムは、光の他に電
流及び低温度熱（代表的には、４０〜５０℃の水）を供給する。線形収束光学系
に対しては、とりわけシリコン太陽電池が考慮され、一方点状に集光する光学系
に対しては、ガリウム砒化物ー太陽電池が使用可能である。
【００２４】 図１には水冷部の代わりに冷却リブ１０，１１が表されておりかつ太陽５に倣
わせるために、光起電力モジュール２は、軸線１２の周りに回転可能である。
【００２５】 図２は光起電力モジュールの代わりに流体導体部１３が設けられる構造的に類
似のシステムを示す。この流体導体１３は、熱エネルギーの追加的な取得を可能
にする。この流体導体は、外側の黒い中空の吸収管（線状に収束する光学系を使
用する場合）又は外側の黒い吸収球（点状に収束する光学系を使用する場合）で
ある。管又は球の内方にはガス又は液体であり得る加熱されるべき流体１４が循
環する。相応する一次元的に収束する光学系の回転軸線は、吸収管１３の中心軸
線に位置しかつ二次元的に収束する光学系の焦点はこれに類似して吸収球の中心
点に位置する。
【００２６】 吸収体１３の熱効率を改善するために、吸収体は透明な外被管又は外被球１５
によって取り囲まれることができる。この際外被１５と吸収体との間の空間は真
空にされることができかつ吸収表面の黒色化は、入射し、収束される光束のでき
る限り多くの部分が吸収されかつ吸収体の熱反射ができる限り小さくなるように
、実施されることができる。
【００２７】 吸収体に吸収された熱エネルギーは、例えば本発明によるシステムを備えた建
物の加熱、使用水供給、又は冷却（吸収システム、スターリング冷却機械）のた
めに使用される。しかし基本的にはそれによって熱力学的な機械（蒸気タービン
又はスターリングエンジン）も運転されることができる。線形光学系の場合、こ
の際重要な利用可能な温度帯域は、略５０℃と４００℃の間であり、一方二次元
的に収束される光学系では１０００℃以上まで上昇する。
【００２８】 図３には、可撓性光導体を備えたシステムが表されている。焦線又は焦点に集
光する光７は、集光された平行光束の形で建物に床部に案内される。その際焦線
又は焦点に収斂する光線は、光が焦線領域又は焦点領域から大きすぎる発散なし
に所望の区間を経て所望の個所に送られることができる限りミラー及び又はレン
ズから成る好適なシステムを介して平行にされねばならない。太陽に倣って案内
される光学系に基づいて、焦線若しくは焦点の領域における入射角は常に変化す
るので、一般にそのように転向されて平行にされる追加の光学系は、光学的な入
射及び射出条件によって目標個所が常に照明されるという方法で倣い (従動）案
内されねばならない。本発明の実施例において、このことは可撓的な、ストリッ
プ状の（線状に収束される光学系の場合）又は円形（二次元光学系の場合）光導
体によって解決される。平行に入射する直射日光７は、フレネルレンズ２を介し
て角度１７で収斂する光束に転向される。可撓の光導体１６は、立体角からの光
線を角度１７よりも大きいか又は等しい角度で受光しかつこれを全反射によって
その内方に送る。
【００２９】 光導体１６は可撓性であるので、その光入口端１８は、入口端が一方では常に
入射光束の光軸に対して垂直に立ちかつ他方ではこの入口端を通って光学系の回
転軸線若しくは回転中心を通るように、太陽に倣って案内される光学系と接続し
ている。この方法で、各太陽位置で集光された直射日光が可撓性光導体に連結さ
れることが保証される。
【００３０】 出口端１９は、保持装置２０によって、出口端が常に目標個所２１の方向を指
すように位置決めされる。この際光導体出口端１９から角度２２で発散して射出
される光は好適な光学装置によって、光がそれぞれの照明の場合に必要な限り、
平行にされる。このことは、本発明では互いに向かい合って位置する２つの凹面
鏡２３, ２４の組み合わせによって達成される。しかし基本的には射出光束に位
置する純粋なレンズ系も可能である。
【００３１】 記載のレンズ系は、拡散昼光を透過させ、直射昼光を空間的に明らかに特定さ
れた焦線領域に収束させる光学系の使用は、建物の想定される絞りのない内方照
明に利用されると同時に、この建物のために熱発生、冷却及び電流発生を行うこ
とができかつ離れた領域の照明を作用することができることを示す。重量及びコ
ストの理由から、記載の実施例ではフレネルレンズが使用される。しかし本発明
による原理は、基本的にホログラフレンズ又は屈折光学要素によっても実現され
ることができる。
【００３２】 レンズ系は、建物窓、ガラス間口又はガラス屋根の前方又は後方に格納される
ことができる。窓ガラスの後方、即ち、建物の内方にレンズ系を設けた場合には
、焦線又は焦点における受光及び光転向から出発する不所望の熱負荷は、相応し
た断熱及び室外への流体流の排出によって最小に減少される。
【００３３】 相応した窓、間口又は光屋根の後方に設置されるレンズ系は、基本的に有利で
ある、そのわけはレンズ系は、ここでその機能を充足するが、風雨によっては負
荷されないからである。このことは、必要な太陽倣い案内システムの本質的な簡
単化につながるからである、そのわけは窓の後方に保護されて配設される材料、
伝道装置及び機構は、本質的に安価で、軽くかつエネルギー節約的で並びに長い
寿命に形成されることができるからである。
【００３４】 光透過面に後方の本発明による光要素３０の絶縁部の実施例は、図４に表され
ている。結像された温室３２は、光透過面３１を形成する外方のガラス室壁を有
する。その下に位置するレンズ３３は、一点鎖線で表されている。
【００３５】 これらのレンズ３３は、直射日光２４を導管３５上に集光する。導管３５中を
蓄熱器３６に集められる流体が流れる。例えば加熱される流体が、温室を導管系
を介して加熱するために夜に蓄熱器３６からポンプ３７によって取り出される。
温室３２内方で育つ植物３９は実質的に拡散光のみを受け、その光はレンズを通
りかつー必要な場合にはーレンズによって覆われていない屋根面を通る。レンズ
の間に入射するこの光をも拡散光に変換するために、この領域に高透過率の好ま
しくは、光学織物（Ｌｉｃｈｔｇｅｗｅｂｅ）が配設されることができ、光学織
物は高い効率の前方散乱によって直射日光を拡散光に変換することができる。
【００３６】 図５には、軽いモジュール要素４０が表されている。このクッションでは本発
明によれば、光学レンズ系４１及び集光系及び転向系が空気圧的に形成され、透
明なクッションシステム４２の内方に配設されている。クッション４２は、高透
過性で、機械的に丈夫でかつ天候に安定なフルオルポリマーフィルムから成る。
内部空気過圧によってクッション状に形成された２つのフィルムから形成され、
フィルムはその周囲に沿って機械的に安定な型材４５によって保持されている。
この型材４５によって直射日光４７ができる限り上方のクッションスリーブ４３
上に表われるように太陽４６に追従する。
【００３７】 図６において、複数の空気圧クッション要素５０からどのようにして温室５１
の外被が形成されることができるかが示される。温室５１内の植物５２は、それ
によって想定される温度で十分な光を受ける。レンズ系５３は、導体５４を介し
て熱力学的な機械５５に供給される熱い流体を発生させる。この際流れ５６が形
成されかつ冷却された流体は導体５７を介して再びレンズ系５３に供給される。
蓄熱器５８の機能的な中間接続によって、エネルギー発生システム５５は悪天候
周期を跨いでかつ基本的に昼夜作動する。
【００３８】 そのような温室は、特に半乾燥及び乾燥気候地帯に有意義に使用可能である。
調整された内方空調は、最適の植物成長を行う。外被に発生するエネルギーはそ
のようなモジュールの複雑な「オアシス」に必要なエネルギーのエネルギー源に
利用される。
【００３９】 しかし、流れの形成及びその分配のための完全に新しい型のソーラ発電所も構
成されることができる。この際必要な設置面は、失われず、むしろ反対部分に自
動的に評価されることができる、そのわけは設置面は、記載のように、植物及び
人のための最適な生活及び労働条件を創造するからである。
【００４０】 図７は、エネルギー外被及び空調外被内外のエネルギー影響を図式的に示す。
入射する太陽光６０は、スペクトル帯域Ａ，Ｂ，Ｃ、から成る。Ａは、短波長の
非可視ＵＶスペクトル、Ｂは可視スペクトル、そしてＣは長波長の、非可視赤外
スペクトルである。この太陽光は、空調外被及びエネルギー外被６１の内方でレ
ンズ系及びエネルギー導体によって熱、冷気、電流及び方向を規制された収束さ
れる光６２に変換される。その際記載のエネルギーの種類は、単独で又は他の種
類のエネルギーとの任意の組み合わせで発生されることができる。
【００４１】 入射する太陽光からの拡散割合６３は、レンズ系で収束されずかつ従って絞り
のない拡散光としてエネルギー空調外被の後方又は下方で部屋６４に達する。
【００４２】 本発明によるシステムは、多面的に使用可能なソーラ構成要素を示す。本発明
によるシステムは、従来の構造の窓要素、間口要素又は屋根要素としての使用か
ら完全に多形状の建物外被の構成までに利用されることができる。そのような建
物の内室は、熱技術及び光技術を考慮して空調されかつ外被自体は追加的に必要
なエネルギーを発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は光起電力モジュールを備えた本発明によるシステムの図式図である。
【図２】 流体導体を備えた本発明によるシステムの図式図である。
【図３】 光導体を備えた本発明によるシステムの図式図である。
【図４】 温室用に本発明によるシステムを使用する場合の図式図である。
【図５】 空調装置の図式図である。
【図６】 温室用空調装置に本発明によるシステムを使用する場合に図式図である。
【図７】 空調装置におけるエネルギーの影響を図式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 光要素 ２ 光透過面 ３ エネルギー導体 ４ 窓ガラス板 ５ 太陽 ６ 太陽光線 ７ 直射日光 ８ 拡散光線 ９ 照明空間 １０ 冷却リブ １１ 冷却リブ １２ 軸線 １３ 流体導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｌ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光透過面を有する光要素において、 光要素はエネルギー導体を有し、光透過面は、光透過面上に直接現れる光線の
    みをエネルギー導体上に向けるように形成されていることを特徴とする前記光要
    素。
  2. 【請求項２】 光透過面が、フレネルレンズ、ホログラフレンズ又は屈折光
    学要素を有することを特徴とする請求項１に記載の光要素。
  3. 【請求項３】 エネルギー導体が、太陽電池であることを特徴とする請求項
    １又は２に記載の光要素。
  4. 【請求項４】 エネルギー導体が、流体導体を有することを特徴とする請求
    項１又は２に記載の光要素。
  5. 【請求項５】 エネルギー導体が、光導体であることを特徴とする請求項１
    又は２に記載の光要素。
  6. 【請求項６】 光導体が、可撓性であることを特徴とする請求項５に記載の
    光要素。
  7. 【請求項７】 光導体の入口端が、フォーカルプレーンの移動に従動しかつ
    出口端が位置固定でエネルギー導体上に向けられていることを特徴とする請求項
    ５又は６に記載の光要素。
  8. 【請求項８】 光要素が、光透過保護面の後方に配設されていることを特徴
    とする請求項１から７までのうちのいずれか１つに記載の光要素。
  9. 【請求項９】 エネルギー導体が、光透過面と他の光透過面との間に配設さ
    れていることを特徴とする請求項１から８までのうちのいずれか１つに記載の光
    要素。
  10. 【請求項１０】 光透過面が、生活圏を区画することを特徴とする請求項１
    から９までのうちのいずれか１つに記載の光要素。
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