JP2006144538A - 太陽エネルギー変換器を含む建築部材および屋根葺き材 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽エネルギー変換器を含む建築部材を提供すること。
【解決手段】屋根葺き材、窓ガラス、または建物ファサード部材のような建築部材（１４）は、基板（１０）と、複数の方向からの光（１２）を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子（３０）とを備える蛍光収集器（１６）を含む。蛍光収集器は、対向面（１８、２０）および対向面の間の接続面（２４）を有する。太陽エネルギー変換器（３２）は、蛍光収集器から放射された光を受け取るように構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般的に、屋根葺き材、窓ガラス、および建物ファサードのような建築部材に関し、より具体的には、太陽エネルギー変換器を有する建築部材に関する。

例えば光起電力変換器または熱変換器のような太陽エネルギー変換器は、一般に、材料コストが高く、据付けコストが高く、したがってエネルギーコスト（１ｋＷｈ当たりのコスト）が高い。材料コストを下げる１つの方法は、例えばフレネルレンズのような複雑な光学表面構造によって太陽照射をエネルギー変換器に集める（光を集束する）ことである。そのような方法は、実施し難く、さらに再生可能エネルギー市場に浸透し難かった。
米国特許第５８１６２３８号 米国特許第４６４４７１６号 米国特許第４３６７３６７号

簡単に言うと、本発明の一実施形態によれば、建築部材は、基板と、複数の方向からの光を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子と、を備える。蛍光収集器は、対向面および対向面の間の接続面を有している。基板と粒子の組合せは、光が吸収用の粒子に達することができ、かつ粒子が放射することができるように十分に透明である。蛍光収集器の少なくとも２つの異なる部分は異なる吸収スペクトルを有する。建築部材は、さらに、建築部材の蛍光収集器から放射された光を受け取るように構成された太陽エネルギー変換器を備える。

本発明の他の実施形態によれば、屋根葺き材は、基板と、複数の方向からの光を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子と、を備える蛍光収集器を備える。蛍光収集器は、対向面および対向面の間の接続面を有し、粒子は、染料、量子ドット、またはこれらの組合せを備える。屋根葺き材は、さらに、屋根葺き材の蛍光収集器から放射された光を受け取るように構成された太陽エネルギー変換器を備える。

本発明の他の実施形態によれば、窓ガラスは、基板と、複数の方向からの光を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子と、を備える蛍光収集器を備える。蛍光収集器は、対向面および対向面の間の少なくとも１つの接続面を有し、粒子は、染料、量子ドット、またはこれらの組合せを備える。窓ガラスは、さらに、窓ガラスの蛍光収集器から放射された光を受け取るように構成された太陽エネルギー変換器を備える。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および有利点は、添付の図面を参照して次の詳細な説明を読むとき、より適切に理解されるであろう。図面において、図面全体を通して同様な数字は同様な部分を表す。

図１は、様々な方向（拡散および／または直接）から基板１０に接触する光１２の透視図である。

図２は、本発明の一実施形態に従った建築部材の透視図である。図３は、図２の実施形態または本発明の様々な他の実施形態に従った建築部材の上面図である。そして、図４は、図２の実施形態に従った建築部材中の粒子の断面側面図（変換器取付けの１つの可能な選択肢を含んだ）である。

本発明の一実施形態では、建築部材１４（図４）は、蛍光収集器１６を備える。蛍光収集器１６は、基板１０と、複数の方向からの光１２を吸収するように基板１０中に分散された粒子３０とを含む。吸収された光は、一般に、ストークスシフト（より長い波長の方へのずれ）して放射される。蛍光収集器１６は、対向面１８および２０と、対向面の間の接続面（少なくとも１つの接続する表面を意味し、一例が辺２４である）とを有する。本明細書で使用されるとき、「対向面」は、互いにおおむね向かい合う表面を意味し、そのような表面は平行であってもよいが、平行である必要はない。基板１０と粒子３０の組合せは、光が吸収用の粒子３０に達し、かつ吸収された光が粒子３０から少なくとも１つの表面に放射するように十分に透明である。一般に、随意の鏡面（被膜のような）２６が接続面の少なくとも一部にあり、太陽エネルギー変換器３２（例えば光起電力変換器または熱変換器のような少なくとも１つの変換器を意味する）が、建築部材の蛍光収集器の非鏡面部分（少なくとも１つを意味する）から放射される光を受け取るように取り付けられている。より具体的な態様では、蛍光収集器１６の少なくとも２つの異なる部分は、異なる吸収スペクトルを有している。他のより具体的な態様では、建築部材１４は、屋根葺き材、窓ガラス、または建物ファサード部材を含む。

基板１０は、選ばれた粒子３０を破壊することなく形成することができる任意の形（幾何学的な体積）および任意の材料を備えることができる。１つの実施例では、基板１０はプラスチックを備える。より具体的な実施例では、基板１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手することができるＬＥＸＡＮ（登録商標）ポリカーボネートのようなポリカーボネートを備える。他の可能性のある材料には、例えば低製造温度ガラスおよびセラミクスのような材料がある。他の制限しない例には、ポリメチルメタクリレートおよびポリスチロール並びに前述の例のどれかの組合せがある。以下でより詳細に説明するように、予め選ばれた光吸収特性、色の見え、影付け、またはこれらの組合せに寄与するように、基板材料、粒子材料、または基板材料と粒子材料の組合せを最適化することができる。また、蛍光収集器の異なる部分が異なる吸収スペクトルを有する実施形態例を以下で提供する。

一般に、基板１０は複数の接続面（辺２４、１２４、２２４、４２４のような）を含むが、本発明は、１つの連続した接続面を有する円形または湾曲周辺の基板にも応用することができる。接続面または対向面に鏡面が含まれるとき、そのような鏡面は、一般に、雨および他の環境要素に耐えることができるほど丈夫な銀被膜を付けることによって形成される。しかし、「鏡面」は、反射を可能にする特性を有する任意の表面を含むものとなる。底面の対向面２０が鏡面２８を備える実施形態（図４）では、効率が改善される。本明細書で使用されるとき、「底面」は特定の物理的な向きに限定されるものではなく、放射源から最も遠くに位置するように設計された対向面を意味するものである。そのような実施形態は、窓ガラス（より多くの光透過が望ましい）の場合よりも屋根葺き材および建物ファサード部材の場合により実際的である。

上で述べたように、太陽エネルギー変換器３２は、建築部材の蛍光収集器の非鏡面部分に取り付けられる。一般に、変換器は、非鏡面接続面４２４自体に取り付けられるが、必ずしも図８および以下の付随する説明で理解される通りではない。変換器を基板に取り付けるために、接着剤（図示しない）を使用することができる。そのような接着剤は、基板および変換器の光学特性を実質的に妨げないように選ばれる。材料の例には、エポキシ、ゲル、液体、両面テープ、および化学薬品／溶媒組合せのような材料がある。

図２および４の実施形態は、傾斜接続面４２４に位置付けされたものとして太陽エネルギー変換器３２を示している。そのような角度は不可欠ではないが、望ましい場合には、より大きな表面積を太陽エネルギー変換セルの取付けに与えることができる。その上、望ましい場合には、単一接続面または複数の接続面（光がただ１つの領域に向けられていない実施形態で）に複数の変換器１２３および２３２（図３）を位置付けすることができる。

蛍光収集器１４において、粒子３０は複数の方向からの太陽光（放射エネルギー）を吸収し、吸収された光を確定された空間特性（例えば球状または円錐状のような）で放射する。様々な方向またはあらゆる方向の放射と収集器表面での全反射効果とによって、光は基板の接続面の方に集められる。この効果は、ライトガイド／エッジグロー効果として知られている。例えば、表面のうちの３つが鏡面を備えている４接続面の実施形態では、全放射パワーの約１５〜６０％が、１つまたは複数の変換器で覆われた第４の接続面に達する。変換器として太陽電池（ＰＶ）セルの場合、提案のモジュールは照射パワーの約４分の１を変換し、そしてそのようなセルは、照射表面積のほんの小部分（約１／３０）を必要とするだけである。正味の効果は、自然照射の倍数への光の集中である。したがって、生成パワー１ワット当たりに必要なＰＶセル面積は、「太陽の数」に従って減少して材料コストの実質的な減少をもたらし、したがって結果として、全システムコストの対応した減少となり、その結果、推定で約２０〜４０％のエネルギーコストの節約となる。

図５は、本発明の他の実施形態に従った建築部材基板構成の断面側面図である。図５は、２つの対向面のうちの１つ１１８を覆うスペクトル選択被膜３６を示す。スペクトル選択被膜は、任意の望ましくない光の濾過、より適切な照射適合（例えば、ホットミラー）、またはこれらの組合せに有用である。例えば、基板１１０がポリカーボネートを備える実施形態では、紫外光線を濾過することが有用である。また、被膜は雨および他の環境効果から下の基板を保護するために有効である。

上で述べたように、一実施形態では、基板は、建築部材の予め選ばれた光吸収特性、建築部材の予め選ばれた色の見え、またはこれらの組合せに寄与する。この実施形態の追加または代わりの態様では、基板１１０は複数の層１１０、２１０、３１０を備え、これらの層の少なくとも１つがこれらの層の少なくとも他の１つと異なった吸収スペクトルを有している。この態様の利点は、太陽スペクトルの異なる波長間隔の吸収および放射を対象とするようにこれらの層を個々に最適化することができることである。

図６は、本発明の他の実施形態に従った建築部材粒子構成の断面側面図である。一般に、粒子は、染料、量子ドット、またはこれらの組合せを含む。大部分の染料は、それが吸収する波長を除いた全ての波長に対して透明である。通常、放射は吸収と波長が違っている（ストークスシフト）。一般に、有機分子は約５００℃までの温度に耐えることができる。量子ドットは、一般に、励起されて光を放射する無機材料である。有利なことに量子ドットは吸収および放射の帯域幅がより狭いが、一般に染料に比べてコストが高い。

より具体的な実施形態では、異なる吸収スペクトルを実現するために（単独でかまたは複数層の実施形態と組み合わせてかのどちらかで）、基板２１０の粒子は少なくとも２つの型の異なる粒子１３０および２３０を備え、少なくとも１つの型の粒子は少なくとも１つの他の型の粒子と違った吸収スペクトルを有している。他のより具体的な態様では、蛍光収集器１６は、広い吸収スペクトル（例えば１００ナノメートルを超えるような）を有する１つの型の蛍光粒子を有している。

追加または代わりの態様では、粒子は、建築部材の予め選ばれた色の見え、建築部材の予め選ばれた光吸収特性、予め選ばれた影付け特性、またはこれらの組合せに寄与する。粒子が染料を含むとき、一般に蛍光染料自体が効果を生じさせるが、望ましい場合には、追加の染料または他の材料を加えることができる。

図５および６の実施形態で、より多くの層および染料は光変換の向上につながり、場合によっては、結果として製造コストおよび設計の複雑さが関連して増すことになる。

図７は、本発明の他の実施形態に従った建築部材基板の形の透視図である。建築部材は、平らである必要は無い。例えば、図７の実施形態では、基板は、ヨーロッパで屋根葺き材に一般的に使用されているもののような外形に作られた基板４１０を備える。

図８は、本発明の他の実施形態に従った屋根葺き材の配置の断面側面図である。上で説明したように、本発明は、太陽エネルギー変換器が接続面に取り付けられる実施形態に限定されない。図８の実施形態では、変換器２３２は、蛍光収集器の対向面のうちの１つ２１８に取り付けられている。この実施形態では、放射された光を太陽エネルギー変換器に向けるために傾斜ミラー３８が使用されている。傾斜ミラーは、例えば基板の中かまたは基板の傾斜接続面２２に位置付けすることができる。

図８は、収集器が位置している追加の基板４０を建築部材がさらに含んでいる実施形態をさらに示す。随意の追加の基板は、例えば、構造支持を実現するように、または望ましい着色または影付けを生成するように使用することができる。

図８は、さらに、「隠れた」太陽エネルギー変換器の例示として有用である。「隠れた」は、建築部材がその意図された環境に位置付けされたとき、覆われ易いように選ばれた場所を含むことになっている。例えば、図８で、太陽エネルギー変換器２３２は、隣接する建築部材で覆われている。

その上、図８は、各々一体化された変換器（物理的に蛍光収集器上に取り付けられた）を有している２つの建築部材を示すが、そのような取付けは必須ではない。さらに、より少ないパワー（光収集能力を含む各部材が可能にするよりも）が要求されるが、美しさのために一様な外観が望まれる実施形態では、いくつかの建築部材は太陽エネルギー変換器を含むが、他のものは含まなくてもよい。

図８の実施形態またはもっと初めの図１〜７のどれかに限定されない具体的な屋根葺き材の実施形態では、屋根葺き材１４は、基板１０と、複数の方向からの光１２を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子３０とを備える蛍光収集器１６を備え、蛍光収集器は２つの対向面１８、２０および対向面の間の接続面２４を有し、粒子は染料、量子ドット、またはそれらの組合せを含む。一般に、鏡面２６は接続面の少なくとも一部にあり、太陽エネルギー変換器３２（少なくとも１つを意味する）は屋根葺き材の蛍光収集器の非鏡面部分（少なくとも１つを意味する）の近くに取り付けられている。そのような屋根葺き材は、釘で取り付けることができ、または、ヨーロッパで一般的なように、小屋に掛けその重さで屋根葺き材を所定の位置に保持するようにして取り付けることができる。建築部材に関して上で説明した実施例および実施形態の各々は、一般に、屋根葺き材の実施形態にも応用可能である。

したがって、本発明の実施形態は、屋根葺き材部材を実現することができ、この屋根葺き材部材は、形および外観が屋根葺き材の様であり、したがって、通常の屋根葺き材の外観を呈するように使用することができる。さらにより具体的な実施形態では、ある特定の数のこの屋根部材が屋根の部分に取って代わり、そして、屋根葺き材組立て屋根の視的外観を犠牲にすることなく、電気エネルギーを生成する。

具体的な窓ガラスの実施形態では、窓ガラスは、基板１０と、複数の方向からの光１２を吸収しかつ吸収された光を放射するように基板中に分散された粒子３０とを備える蛍光収集器１６を備え、蛍光収集器は２つの対向面１８および２０、および対向面の間の接続面を有する。一般に、鏡面２６は接続面の少なくとも一部にあり、太陽エネルギー変換器３２（少なくとも１つを意味する）は窓ガラスの蛍光収集器の非鏡面部分（少なくとも１つを意味する）に取り付けられている。建築部材に関して上で説明した実施例および実施形態の各々は、一般に、窓ガラスの実施形態に同様に応用可能であり、選択的な影付けが特に有利である。

建物ファサードの実施形態に関して、そのような実施形態は、アルミニウム、ビニール、または木材羽目の型の実施形態に似ている場合もある。１つの実施例は、図８の建築部材に似ているかもしれない張り出し羽目部材である。そのような羽目部材の長さは、物理的に実際的であるものおよび、有効な量の光を太陽エネルギー変換器に向ける光学性能に設計最適化されたものに依存する。例えば、建物ファサードとして取り付けるべき共通基板に複数の蛍光収集器を置くことで、光収集を高めることができる。

本発明の前に説明した実施形態は、光起電力（ＰＶ）または熱収集器を既存の建築部材の上に取り付けることがもはや必要でなくなるように電気または熱生成用の太陽エネルギー変換器に放射エネルギーを導くために、一体化された蛍光ベースの光収集を建築部材に装備するという有利点を含んだ多くの有利点を有する。

本発明の特定の特徴だけを本明細書で示し、かつ説明したが、多くの修正および変更が当業者には思いつかれるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に含まれるような全ての修正および変更を含む意図であることは理解すべきである。

様々な方向から基板に接触する光を示す透視図である。 本発明の一実施形態に従った建築部材を示す透視図である。 本発明の様々な実施形態に従った建築部材を示す上面図である。 図２の実施形態に従った建築部材中の粒子を示す断面側面図である。 本発明の他の実施形態に従った建築部材基板の構成を示す断面側面図である。 本発明の他の実施形態に従った建築部材粒子の構成を示す断面側面図である。 本発明の他の実施形態に従った建築部材の形を示す透視図である。 本発明の他の実施形態に従った部分的に重なる建築部材の配置を示す断面側面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 光
１４ 建築部材
１６ 蛍光収集器
１８、２０ 対向面
２４、１２４、２２４、４２４ 接続面
２６ 鏡面
３０ 粒子
３２ 太陽エネルギー変換器
１１２、２１０、３１０ 層
１３０、２３０ 粒子
４２４ 非鏡面接続面（傾斜接続面）

Claims (10)

1. 基板（１０）および、複数の方向からの光（１２）を吸収しかつ吸収された光を放射するように前記基板中に分散された粒子（３０）を備え、前記粒子が染料、量子ドット、またはこれらの組合せを有する蛍光収集器であって、対向面（１８、２０）および前記対向面の間の接続面（２４）を有してなる蛍光収集器（１６）を備える建築部材（１４）であって、
   前記基板と前記粒子の組合せは、光が前記粒子に達して吸収され、かつその粒子が光を放射できるように十分に透明であり、且つ、
   前記蛍光収集器の少なくとも２つの異なる部分は異なる吸収スペクトルを有するものであり、さらに、
   前記建築部材の前記蛍光収集器から放射された光を受けるように構成された太陽エネルギー変換器（３２）を具備することを特徴とする建築部材（１４）。
2. 前記粒子は、少なくとも２つの型の異なる粒子（１３０、２３０）を備え、少なくとも１つの型の粒子が少なくとも１つの他の型の粒子と異なる吸収スペクトルを有していることを特徴とする請求項１記載の建築部材。
3. 前記粒子または前記基板、またはこれらの組合せは、前記建築部材の予め選ばれた色の見え方に、前記建築部材の予め選ばれた光吸収特性に、前記建築部材の予め選ばれた影付け特性に、またはこれらの組合せに寄与することを特徴とする請求項１記載の建築部材。
4. 前記基板が、ポリカーボネート、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリスチロール、セラミクス、およびこれらの組合せから成るグループから選ばれることを特徴とする請求項１記載の建築部材。
5. 前記基板が、複数の層（１１２、２１０、３１０）を備え、前記層の少なくとも１つが前記層の少なくとも１つの他のものと異なる吸収スペクトルを有することを特徴とする請求項１記載の建築部材。
6. 前記対向面および接続面の少なくとも１つの少なくとも一部が、鏡面（２６）を備え、さらに、前記接続面が複数の接続面（１２４、２２４、３２４、４２４）を備えることを特徴とする請求項１記載の建築部材。
7. 前記蛍光収集器の非鏡面部分が１つの接続面（４２４）にあり、さらに、前記鏡面がその他の接続面の少なくとも１つに存在していることを特徴とする請求項６記載の建築部材。
8. 前記建築部材が屋根葺き材または窓ガラスを備え、さらに、前記太陽エネルギー変換器が隠れた変換器を備えることを特徴とする請求項１記載の建築部材。
9. 基板（１０）および、複数の方向からの光（１２）を吸収しかつ吸収された光を放射するように前記基板中に分散された粒子（３０）を備え、前記粒子が染料、量子ドット、またはこれらの組合せを有する蛍光収集器であって、対向面（１８、２０）および前記対向面の間の接続面（２４）を有してなる蛍光収集器（１６）と、
   前記屋根葺き材の前記蛍光収集器から放射された光を受け取るように構成された太陽エネルギー変換器（３２）とを有する屋根葺き材（１４）であって、
   前記対向面および接続面の少なくとも１つの少なくとも一部は鏡面（２６）を備えており、
   前記対向面の１つが対向する底面を備え、さらに前記底面の対向面が鏡面を備えている屋根葺き材（１４）。
10. 前記太陽エネルギー変換器は隠れた変換器を備えることを特徴とする請求項９記載の屋根葺き材（１４）。