KR20160029830A - 전력 공급 시스템을 갖는 광학 소자 - Google Patents

전력 공급 시스템을 갖는 광학 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역을 포함하는 광학 소자에 관한 것이며, 이때 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 접촉하여 능동 매트릭스가 배치되고, 상기 광학 소자는 전력 공급 시스템을 포함하되, 상기 전력 공급 시스템이, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 상부에서 이에 대략 평행하게 배열된 제 1 보조 평면, 및 상기 제 1 보조 평면으로부터 10 cm 미만의 거리(L') 및 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된 제 3 보조 평면 또는 제 4 보조 평면으로부터 21 cm 미만의 거리(L)에서, 상기 제 1 보조 평면에 대해 대략 평행하게 배열된 제 2 보조 평면 사이에 배치되고, 이때 L은 또한 상기 제 3 보조 평면과 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 하나의 측면 간의 거리 및 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 동일 측면과 상기 제 4 보조 평면 간의 거리이다. 상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 제어기 및 하나 이상의 에너지 저장 장치를 포함한다. 상기 광학 소자는 하나 이상의 광전지 요소를 포함하고, 이때 상기 하나 이상의 광전지 요소는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된다. 본 발명은 또한, 상기 광학 소자용 전력 공급 시스템에 관한 것이며, 이때 상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 제어기 및 하나 이상의 에너지 저장 시스템, 바람직하게는 전지를 포함하고, 상기 전력 공급 시스템은 상기 광학 소자로부터 가역적으로 제거가능하다.

Description

전력 공급 시스템을 갖는 광학 소자{OPTICAL DEVICE WITH POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은, 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역을 포함하는 광학 소자에 관한 것이며, 이때 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 접촉하여 능동 매트릭스가 배치되고, 상기 광학 소자는 또한 전력 공급 시스템을 포함한다.
이러한 광학 소자는 전환가능 윈도우의 형태로 공지되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제 2004/012818 호는, 태양 전지 및 전지를 갖는 액정 윈도우를 개시하고 있으며, 이는, 전지 및 제어기를 유리의 샌드위치 사이에 배치하는 것을 제안하고 있다. 이러한 해결책의 불리한 점은, 유리에 대한 커넥터가 일반적으로 유리 평면의 모서리에 존재한다는 것이다. 또한, 전지 및 제어기가 보일 수 있으며, 이는 바람직하지 않다. 전지 및 제어기가 태양열 복사선에 노출되면, 이에 따라 매우 고온으로 가열된다. 제어기 또는 전지가 고장나면, 이들은 쉽게 대체될 수 없다.
미국 특허 제 8,213,074 호는 전기변색성 윈도우를 개시하고 있으며, 이때 윈도우 제어기는 절연 유리 유닛 내에 통합된다. 이러한 통합된 제어기가 비국소화된(delocalized) 제어기에 비해 이점을 제공할 수 있고, 또한 별도의 제어기의 설치를 피할 수 있지만, 이는 여전히 그리드를 통해 시스템에 전력을 공급하는 것을 필요로 한다. 그리드를 사용하는 연결의 경우 정면(facade)을 통해 케이블류를 설치하는 것은 추가의 작업 및 비용을 유발할 수 있다.
미국 특허 제 6,055,089 호는, 유리 표면 상의 광전지 요소에 의해 전력이 공급되는 전기변색성 윈도우를 개시하고 있다. 이러한 구성은 외부 전지를 추가할 필요를 없앤다. 그러나, 이는, 절연 유리 유닛의 조립 동안 PV 요소가 제어기에 연결되어야 하기 때문에, 추가적 조립 문제를 제공한다. 이러한 조립 공정은 현행 절연 유리 제조 기계와 호환성이 없기 때문에, 이에 따라 추가적 비용을 유발한다. 또한, 유리 표면 상의 광전지 요소의 배치로 인해, 광전지 요소가 높은 응력 변형(stress strain)을 가진다.
미국 특허 제 7,259,730 호는, 윈도우 상에 고정된 디스플레이 요소를 개시하고 있다. 윈도우에 전력을 공급하기 위한 전지 팩을 포함하는 제어 시스템에 대해 몇가지 배치가 제안되었다. 전지를 재충전하기 위한 시스템이 포함되어 있지 않기 때문에, 전지는 방전되는 경우 교체되어야 한다. 이는, 몇몇 경우, 예컨대 윈도우로서 사용되는 경우 바람직하지 않을 수 있으며, 그 이유는, 모든 배치가 용이하게 접근가능한 것은 아니기 때문이다. 더욱이, 전지의 교환은 추가적인 작업을 유발하며, 이는 단지 소수의 윈도우가 설치되는 경우에는 수행될 수 있지만, 다수의 윈도우를 사용하는 설치의 경우에는 높은 유지보수 비용을 유발할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 선행 기술의 단점을 극복하는 것이다.
이러한 목적은, 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역을 포함하는 광학 소자에 의해 달성되며, 이때 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 접촉하여 능동 매트릭스가 배치되고, 상기 광학 소자는 전력 공급 시스템을 포함하되, 상기 전력 공급 시스템이, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 상부에서 이에 대략 평행하게 배열된 제 1 보조 평면, 및 상기 제 1 보조 평면으로부터 10 cm 미만의 거리(L') 및 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된 제 3 보조 평면 또는 제 4 보조 평면으로부터 21 cm 미만의 거리(L)에서, 상기 제 1 보조 평면에 대해 대략 평행하게 배열된 제 2 보조 평면 사이에 배치되고, 이때 L은 또한 상기 제 3 보조 평면과 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 하나의 측면 간의 거리 및 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 동일 측면과 상기 제 4 보조 평면 간의 거리이다. 상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 제어기 및 하나 이상의 에너지 저장 장치를 포함한다. 상기 광학 소자는 하나 이상의 광전지 요소를 포함하고, 이때 상기 하나 이상의 광전지 요소는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된다.
도 1은, 광전지 요소 및 광학 소자와 조합된 전력 공급 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는, 선행 기술의 전력 공급 시스템의 배열을 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 3은, 선행 기술의 전력 공급 시스템의 배열을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는, 제 1 및 제 2 평면에 대해 수직으로 배치된 광전지 요소를 갖는 광학 소자의 2개의 사진을 도시한 것이다.
도 5는, 전력 공급 시스템에 대한 배열 및 수직으로 배열된 광전지 요소를 갖는 도 4의 예를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 6은, 전력 공급 시스템에 대한 배열을 갖는 도 4의 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 7은, 전력 공급 시스템에 대한 배열의 다른 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은, 전력 공급 시스템 및 광전지 요소를 갖는 광학 소자로서의 전환가능 윈도우를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 보조 평면 및 거리들(L, L' 및 L")을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은, 상기 광학 소자의 상이한 측면 상에 배치된 상이한 광전지 요소들의 발생된 전력을 하루에 걸쳐 측정하여 도시한 것이다.
도 11a는, 광전지 요소에 대한 수직 방사 조도(irradiance)를 몇달에 걸쳐 측정하여 도시한 것이다.
도 11b는, 남향(south facing) 광학 소자에 대한 전지 충전 거동을 몇달에 걸쳐 도시한 것이다.
하나의 실시양태에서, 상기 제어기는 전지를 제어하기 위해 사용된다.
상기 하나 이상의 에너지 저장 시스템은 바람직하게는 하나 이상의 전지이다.
상기 광학 소자는 하나 이상, 바람직하게는 2개 초과, 가장 바람직하게는 4개 이상의 광전지 요소(들)를 포함한다. 상기 제어기는 바람직하게는 (적어도 하나 이상의 광전지 요소(들)의) 발생된 전력을 전지에 일시적으로 저장하고, 전지에 저장된 전력을 사용하여 광학 소자의 상태를 제어한다. 광학 소자가 전환가능 윈도우인 경우, 광전지 요소, 제어기 및 전지를 갖는 전환가능 윈도우의 이점은, 전환가능 윈도우를 전환하기 위한 외부 전기를 필요로 하지 않으며, (외부 전력 공급을 위한) 전면을 통한 케이블류가 감소될 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 상기 하나 이상의 광전지 요소는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 물리적으로 접촉한다. 이때, "물리적 접촉"이란, 상기 광전지 요소가 상기 유리 또는 중합체 영역에 기계적으로 고정됨을 의미한다.
상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역은 주 연장 방향을 가지며, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 2개의 표면은 상기 주 연장 방향에 평행하다. 제 1 보조 평면의 주 연장 방향은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 평행하다. 또한, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역은, 상기 영역의 2개의 표면에 대략 수직인 4개의 측면(또는 모서리)을 가지며, 이러한 측면으로 인해, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 2개의 표면은 서로 접촉한다. 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 측면의 두께는 상기 영역 자체의 두께로 제시된다.
상기 능동 매트릭스는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 접촉하며, 이때 용어 "접촉"이란, 바람직하게는 물리적 접촉을 의미한다. 이는, 능동 매트릭스가 바람직하게는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역에 또는 이의 상부에 부착되고/되거나, 적용되고/되거나, 삽입됨을 의미한다.
바람직하게는, 상기 광학 소자는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역 대신 2개 또는 3개의 유리 또는 중합체 영역들을 포함한다(예를 들어, 도 5의 영역들(15/1 및 15/2) 참조). 이러한 바람직한 경우, 상기 유리 또는 중합체 영역들은 서로 평행하다. 이는, 상기 영역들의 주 연장 방향이 서로 평행함을 의미한다. 이러한 실시양태에서, 상기 능동 매트릭스는 바람직하게는 2개 이상의 유리 또는 중합체 영역들 사이에 배열된다. 바람직하게는, 능동 매트릭스로 인해, 상기 영역들은 표면을 통해 서로 접촉한다.
바람직하게는, 상기 광학 소자는 하나 이상의 추가적 영역(추가적 영역으로도 지칭됨)을 포함한다. 상기 하나 이상의 추가적 영역은, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대략 평행한 주 연장 방향을 갖고, 상기 추가적 영역은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역으로부터 떨어져 배치된다. 오해를 막기 위해, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역이 2개 또는 3개의 유리 또는 중합체 영역들로 구성될 수 있는 경우, 이들 영역은 상기 하나 이상의 추가적 영역이 아니다(예를 들어, 도 5의 영역(2) 참조). 또한, 상기 추가적 영역은 2개 또는 3개의 유리 또는 중합체 영역을 포함할 수 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 하나 이상의 추가적 영역은 청구항 1에 따른 광학 소자와 같이 형성된다. 바람직하게는, 상기 추가적 영역은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역을 보호하며, 바람직하게는 절연 기능을 갖는다. 상기 광학 소자가 전환가능 윈도우인 경우, 상기 하나 이상의 추가적 영역은 이중, 삼중 또는 사중 판유리(glazing)의 일부일 수 있다.
용어 "대략 평행"은, 5° 내지 10° 이하의 차이가 존재하는 모든 경우를 의미한다. 용어 "대략 수직"은, 약 85° 내지 95° 범위의 각을 의미한다.
상기 전력 공급 시스템은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 상기 제 2 보조 평면 사이의 공간(또는 부피) 내에 배치된다. 상기 전력 공급 시스템을 위한 이러한 공간은, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 상부에서 이에 평행하고 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 평면에 평행한 제 1 보조 평면에 의해 형성된다. 용어 "~의 상부에서"란, 상기 제 1 보조 평면이 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 외측 표면 상에 배치됨을 의미한다. 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 외측 표면은, 상기 제 2 보조 평면의 주 연장 방향에 대한 최대 거리를 갖는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 표면이다. 상기 제 2 보조 평면은 바람직하게는 상기 추가적 영역을 관통하지만, 모든 경우, 제 1 보조 평면과 떨어져 있고, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 평행하다. 상기 제 1 및 제 2 보조 평면들은 서로 10 cm 미만의 거리, 바람직하게는 8 내지 1 cm의 거리, 더욱 바람직하게는 3 내지 0.5 cm의 거리를 갖는다. 상기 제 1 및 제 2 보조 평면들은 상기 전력 공급 시스템을 수평 방향으로 배열하기 위한 공간에 대한 연장을 한정한다. 상기 제 3 보조 평면 및 상기 제 4 보조 평면은 상기 제 1 및 제 2 보조 평면들에 대략 수직이고, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 측면들에 대략 평행하다. 상기 제 3 보조 평면 및 또한 상기 제 4 보조 평면은, 수직 방향으로 (상기 전력 공급 시스템을 배열하기 위한) 공간에 대한 연장을 한정한다. 상기 제 3 보조 평면 및 상기 제 4 보조 평면은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 하나의 측면으로부터 21 cm 미만으로 떨어져 배치된다(도 13 참조). 상기 제 3 보조 평면 및 상기 제 4 보조 평면은 서로 42 cm 미만, 바람직하게는 41 내지 20 cm, 더욱 바람직하게는 30 내지 10 cm의 거리를 가진다.
언급한 바와 같이, 상기 하나 이상의 에너지 저장 요소는 바람직하게는 전지, 더욱 바람직하게는 재충전가능한 전지이다. 상기 재충전가능한 전지는 상기 하나 이상의 광전지 요소에 의해 생성된 에너지를 저장하고, 이러한 에너지를 상기 광학 소자에 적용한다(필요한 경우). 상기 전지는 바람직하게는 상기 광학 소자의 에너지 요건에 기초하여 선택된다. 이러한 면에서, 광학 소자의 종류(예컨대, 윈도우 또는 스크린), 전지의 최소 수명, 전지의 작동 온도, 전지의 치수 및 비용이 선택 기준이다. 하나의 실시양태에서, 상기 전지는 슈퍼커패시터, 니켈 수소(NiMH) 전지 또는 박막 전지일 수 있다. 슈퍼커패시터의 예는 막셀(Maxell) BCAP 0350이고, NiMH 전지의 예는 바르타(Varta) V150HT이고, 박막 전지의 예는 사임베트(Cymbet) CBC3150이다.
상기 전력 공급 시스템은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 상기 하나 이상의 추가적 유리 또는 중합체 영역 사이에 및/또는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 하나의 측면에서 떨어져 배열된다. 모든 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은, 전술된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 보조 평면들에 의해 형성되는 공간(또는 부피) 내에 배열된다. 하나의 특정 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템의 하나 이상의 부분(제어기 또는 에너지 저장 장치)은 한정된 공간 내에 배열된다. 이러한 특정 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템의 부분들은 이러한 한정된 공간의 외측에 배열될 수 있다. 다른 (더욱 바람직한) 실시양태에서, 상기 에너지 공급 시스템의 모든 부분이 상기 한정된 공간 내에 배열된다.
전술된 공간 내에 배열된 전력 공급 시스템을 갖는 광학 소자는 많은 이점을 가진다. 이러한 이점 중 하나는, 상기 광학 소자가 공장 내에서 통합된 제품으로서 제조될 수 있으며, 제조 현장에서 연결 케이블(이는, 제품 불량의 원인이 될 수 있으며, 제조 공정을 복잡하게 함)을 필요로 하지 않는다는 것이다.
바람직하게는, 상기 전력 공급 시스템은 적어도 부분적으로 프레임으로 덮인다. 상기 프레임은 바람직하게는 또한 상기 광학 소자의 부분들, 바람직하게는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 부분들을 덮는다. 상기 광학 소자가 전환가능 윈도우인 경우, 상기 프레임은 바람직하게는 윈도우 프레임이다. 전술된 공간 내에 상기 전력 공급 시스템을 배열하는 다른 이점은, 상기 전력 공급 시스템이, 상기 광학 소자를 보는 사람에게 보이지 않는다는 것이다. 이에 더하여, 상기 전력 공급 시스템은 프레임으로 덮이며, 따라서 외부 힘, 먼지, 수분 및 직접적인 태양 복사선으로부터 보호된다.
용어 "적어도 부분적으로 덮인다"는, 상기 전력 공급 시스템의 70% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상, 가장 바람직하게는 95%가 상기 프레임으로 덮임을 의미한다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템의 모든 부분이 상기 프레임으로 완전히 덮인다.
바람직하게는, 상기 제어기는 (하나 이상의 광전지 요소의) 발생된 전력을 전지에 일시적으로 저장하고, 전지에 저장된 전력을 사용하여 상기 광학 소자의 상태를 제어한다. 상기 광학 소자가 전환가능 윈도우인 경우, 광전지 요소, 제어기 및 전지를 갖는 전환가능 윈도우의 이점은, 전환가능 윈도우를 전환하기 위한 외부 전기를 필요로 하지 않으며, (외부 전력 공급을 위한) 정면을 통한 케이블류가 감소될 수 있다는 것이다. 바람직하게는, 상기 하나 이상의 광전지 요소가 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 물리적으로 접촉한다. 이러한 물리적 접촉의 하나의 예에서, 상기 하나 이상의 광전지 요소는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역 상에, 예를 들어 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 측면 상에 부착되고/되거나 적용된다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 광전지 요소가 박막이다. "박막"이란, 이러한 막이 바람직하게는 90 μm 미만, 더욱 바람직하게는 50 μm 미만, 가장 바람직하게는 10 μm 미만, 특히 바람직하게는 60 nm 미만의 두께를 가짐을 의미한다. 광전지 요소의 유용한 예는 유기 광전지(OPV), 예컨대 염료-감응 태양 전지(DSSC)(이산화 티탄 및 유기 염료 혼합물) 또는 유기/중합체 태양 전지(중합체 및 유기 염료 및 풀러렌 유도체 혼합물)이다. 또한, 무기 박막 태양 전지(TFSC), 예컨대 비결정질 실리콘(a-Si), 박막 실리콘(TF-SI), 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIS 또는 CIGS)가 유용하다. 일반적으로, 상기 하나 이상의 광전지 요소는 바람직하게는 적외선 및 자외선 범위의 광을 흡수한다. 바람직하게는, 상기 광전지 요소는 30% 초과, 더욱 바람직하게는 50% 초과, 가장 바람직하게는 70% 초과의 투명도를 가진다.
상기 하나 이상의 광전지 요소를 위한 전자장치는 바람직하게는 상기 광학 소자의 프레임 내에 보이지 않게 배치된다. 전자장치에 대한 이러한 배치의 이점은, 태양으로부터의 직접적인 조사(radiation)의 가능성이 없고, 이에 따라 그곳에서의 기후가 좀더 온화하여, 전자장치에 대한 수명이 완화된다는 것이다. 이러한 실시양태에서, 기계적 연결부는 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 상기 추가적 영역 사이에 배치되야 한다.
상기 하나 이상의 광전지 요소는 바람직하게는 스페이서와 함께 또는 이의 상부에 고정된다. 이러한 스페이서는, 유리 또는 중합체 영역들(예컨대, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역 및 상기 추가적 영역)에 간격을 두어 절연 유리 또는 중합체 유닛을 형성하는 기능을 하는 관 또는 막대이다. 상기 하나 이상의 광전지 요소는, 상기 스페이서 상에서 상기 장치의 내측을 대면하면서, 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된다. 따라서, 상기 하나 이상의 광전지 요소는 상기 제 3 또는 제 4 보조 평면에 평행하게 배열된다. 상기 광학 소자가 윈도우인 경우, 상기 스페이서는 바람직하게는 윈도우 스페이서이다. 이러한 경우, 상기 스페이서는 임의적으로 윈도우 제어기를 위한 고정장치(fixation) 및 광전지(PV) 배선을 위한 관통수단(lead-through)을 포함할 수 있다. 하나보다 많은 광전지 요소들이 사용되는 경우, 하나보다 많은 광전지 요소들은, 상기 장치의 내측을 대면하면서, 바람직하게는 상기 스페이서의 상이한 측면들 상에 배열된다(도 8 참조).
상기 광학 소자 내의 언급된 배치에서 상기 하나 이상의 광전지 요소와 특히 상기 스페이서의 통합의 이점은, 전력 공급 PV 요소(들)을 비롯한 윈도우 제어 시스템이 상기 전환가능 판유리 요소와 별도의 공정으로 제조될 수 있다는 것이다. 상기 유리 및 상기 스페이서는 상기 절연 유닛 제조 공정에서 연결된다. 상기 스페이서 상에 이러한 제어기 구성을 사용하면, 마치 일반적인 윈도우가 존재하는 것처럼, 상기 공정이 일반적인 절연 유리 제조 라인에서 수행될 수 있다. 또한, 윈도우 제어기 또는 PV의 조립에서의 임의의 수율 문제가 전환가능 윈도우 제조의 수율에 영향을 미치지 않아서(또는 그 반대도 마찬가지임), 비용 절감을 제공할 것이다.
이러한 구성에서, 상기 하나 이상의 PV 요소가 광에 직접 대면하지 않음에 주목해야 한다. 더욱이, 상기 광학 소자, 바람직하게는 전환가능 윈도우가 전형적으로 상기 절연 유리 유닛의 태양-대면 측면 상에 배치되기 때문에, 상기 하나 이상의 PV 요소는 상기 광학 소자(예컨대, 전환가능 윈도우)의 뒤에 존재한다. 따라서, 상기 요소는 태양 내에 직접 배치되는 경우에 수용하는 광에 비해 상당히 적은 광을 수용한다. 따라서, 이러한 구성이 일 년 내내 상기 광학 소자를 구동하기에 충분한 전력을 여전히 제공한다는 발견은 놀라운 것이었다. 상기 PV 요소의 이러한 배치를 사용하는 경우 많은 이점이 존재한다. 상기 스페이서 상에서, 상기 PV 요소는 상기 광학 소자(예컨대, 전환가능 윈도우)를 통한 시야를 제한하거나 차단하지 않는다. 또한, 이러한 배치는, 상기 PV 요소(들)가 유리 상에 평행하게(편평하게) 배치되는 경우보다 훨씬 덜 방해가 되어, 미관상 이점을 제공한다. 이러한 해결책의 강건성 면에서, 상기 배치는 기계적 충격, 고온 및 직접적인 조사로부터 잘 보호된다. 이는 또한, PV를 갖는 스페이서 유닛이 상기 유리 또는 중합체 평면과 별도로 제조될 수 있기 때문에, 상기 절연 유리 유닛의 조립을 단순화한다. 상기 유리 또는 중합체 평면은 흔히 무거우며 몇몇 기계적 가공을 필요로 하기 때문에, 값비싼 PV 요소(들)가 상기 유리 또는 중합체 평면에 고정되는 경우, 값비싼 PV 요소(들)에 대한 기계적 충격으로 인해 생산 손실 가능성이 존재한다.
바람직하게는 하나보다 많은, 가장 바람직하게는 2개 내지 4개의 광전지 요소가 상기 광학 소자에 사용된다. 바람직하게는, 상기 하나 이상의 광전지 요소가 상기 스페이서의 내측 영역 상에 배치된다. 상기 스페이서의 내측 영역은, 상기 광학 소자의 내측과 대면하는 영역이다(도 8 참조). 하나보다 많은 광전지 요소가 사용되는 경우, 이러한 광전지 요소의 전부 또는 일부는 상기 스페이서의 내측 영역 상에 배열된다. 별도의 최대 전력점 추적 장치(MPPT)를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 하나보다 많은 광전지 요소가 사용되는 경우, 최대 전력점 추적 장치는 상기 광학 소자의 각각의 측면에 대해 광전지 요소에 연결된다. 최대 전력점 추적 장치는, 최대 전력 출력을 위해 광전지 요소에 의해 공급되는 전압 및 전류를 최적화하는 전자 장치이다. 상기 광학 소자의 모든 측면(및 이에 따라 상기 광전지 요소(들)를 갖는 스페이서의 모든 측면)이 하늘의 태양의 움직임으로 인해 낮 동안 상이한 광 강도를 경험하기 때문에, 별도의 MPPT는, 상기 광전지 요소(태양 전지)의 각각의 스트립으로부터 최적의 전력이 추출되는 것을 보장한다.
바람직한 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은 상기 광학 소자로부터 가역적으로 제거가능하다. 이러한 특정 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은 상기 광학 소자 상에서 클릭되어, 상기 광학 소자의 파괴 없이 제거될 수 있다. 이로 인해, 상기 전력 공급 시스템의 대체가 용이하게 가능하며, 결함있는 전력 공급 시스템이 완전히 새로운 광학 소자의 구입을 필요로 하지 않는다. 이러한 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역과 상기 하나 이상의 추가적 영역 사이에 배열되지 않으며, 오히려 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역 및 상기 하나 이상의 추가적 유리 또는 중합체 영역의 측면 상에, 상기 제 3 보조 평면으로부터 15 cm 미만의 거리로(또한, 이에 따라, 거리(L) 이내에) 배열된다.
바람직하게는, 상기 광학 소자의 능동 매트릭스는 액정을 함유한다.
바람직한 실시양태에서, 상기 액정은 중합체-분산된 액정, 게스트-호스트 액정 및/또는 중합체-안정화된 콜레스테릭 액정이다.
하나의 다른 실시양태에서, 상기 광학 소자는 전기변색성 소자 또는 부유 입자 소자이다.
바람직하게는, 상기 광학 소자는 전환가능 층이다. 전환가능 층은, 전류 또는 전압의 영향 하에 이의 투과성이 변하는 층이다. 이러한 전환가능 층은 당분야에 전환가능 윈도우로서 공지되어 있으며, 전기변색성 층, PDLC(중합체-분산된 액정) 층, 게스트-호스트 액정 층, 부유 입자 소자 또는 콜레스테릭 액정 층일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 단락에서 광학 소자에 대한 예로서 기술된 전환가능 윈도우용 전력 공급 시스템에 관한 것이다. 상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 제어기 및 하나 이상의 에너지 저장 시스템(바람직하게는 하나 이상의 전지)을 포함하며, 하나의 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은 상기 전환가능 윈도우를 사용하여 가역적으로 제거가능하다. "가역적으로 제거가능한"이란, 상기 전력 공급 시스템이 상기 전환가능 윈도우에 기계적으로 및 전자적으로 연결되고, 상기 전력 공급 시스템의 대체가 상기 전환가능 윈도우를 파괴시키지 않음을 의미한다. 전력 공급 시스템과 전환가능 윈도우 간의 단순한 전자적 연결은, 본 발명의 의미상, 상기 광학 소자에 대해서는 가역적으로 제거가능하지 않다.
바람직하게는, 상기 전력 공급 시스템은 상기 전환가능 윈도우의 윈도우 프레임 내에 배치가능하며, 상기 프레임이 상기 광학 소자를 적어도 부분적으로 덮는다(이는, 상기 프레임이 상기 전력 공급 시스템을 적어도 부분적으로 둘러쌈을 의미함). 용어 "윈도우 프레임 내에 배치가능한"이란, 전력 공급 시스템이 윈도우의 평면으로부터 5 mm 초과, 바람직하게는 2 mm 미만으로 연장되지 않음을 의미한다. 또한, 윈도우 프레임의 공동이 수분을 함유할 수 있기 때문에, 상기 전력 공급 시스템은, 예를 들어 적합한 포팅(potting) 물질을 사용하여, 수분 유입으로부터 밀봉된다.
바람직하게는 하나 이상의 광전지 요소는 상기 전력 공급 시스템의 부분이다.
상기 광학 소자에 대해 기술된 광전지 요소, 상기 하나 이상의 에너지 저장 요소(전지) 또는 제어기의 모든 실시양태가 또한 가능하며, 상기 전력 공급 시스템용으로 바람직하다.
도 1에서는, 광학 소자에 대한 전력 공급 시스템이 개략적으로 도시된다. 조명 하에, 광전지 요소(7)(PV(7)로도 언급됨)는 전력을 생산한다. 광학 소자(1)는 전환을 위한 전력을 필요로 하지만, 이는 전형적으로, PV(7)에 의해 발생된 전력과 동일한 순간에 또는 이와 동일한 이용가능한 양으로 필요한 것은 아니다. 따라서, 광학 소자는, PV로부터 전력을 취하는 제어기(5)와 연결되고, 에너지 저장 시스템(예컨대, 전지(6)) 내에 이를 일시적으로 저장하고, 이를, 상기 광학 소자(1)로 전달될 목적하는 신호로 전환시킨다. 태양광이 없는 경우에도 상기 광학 소자(1)가 항상 작동하는 것을 보장하기 위해, 에너지 저장 시스템(전지(6))이 상기 광학 소자(1)에 연결된다. 제어기(5) 및 전지(6)에 대한 정확한 위치를 찾는 것이 문제이다. 이러한 PV(7)-구동식 광학 소자(1)의 조립을 설계하는 경우, 상기 언급된 이점을 유지하면서 해결할 필요가 있는 다수의 문제가 존재한다: PV(7)는 작동하기에 충분한 광을 수용하도록 배치되는 것이 필요하다. 상기 에너지 저장 시스템(전지(6))은 부피가 큰 시스템이며, 적절한 조작을 위해 충분한 능력을 달성하기 위해서는 어느 정도 상당한 부피를 필요로 한다. 특히, 상기 광학 소자(1)가 전환가능 윈도우인 경우, 상기 광학 소자(1)를 통한 시야는 이러한 구성요소에 의해 방해받지 않아야 한다. 또한, 언급된 구성요소(제어기(5), 전지(6))는 외부 영향으로부터 보호되어야 하며, 따라서 아무데나 배치될 수 없다. 예를 들어, 전환가능 윈도우(광학 소자(1)로서)의 표면 온도는 충분한 태양광 내에서 60℃를 초과할 수 있으며, 이는 일반적으로 많은 재충전가능한 전지(6)에 상당한 피해를 유발할 것이다. 상기 전환가능 윈도우의 외측 표면 상에 배치되는 임의의 전기적 구성요소 또는 케이블은 UV 복사선, 기계적 충격 및 수분에 노출될 수 있다. 이러한 배치에 대한 추가의 요구사항은, 고장의 경우, 전환가능 윈도우를 완전히 대체할 필요 없이, 이를 대체할 수 있도록, 상기 전기적 구성요소에 접근하고 싶어한다는 것이다.
도 2는, 선행 기술에 따라 배열된 전력 공급 시스템을 갖는 광학 소자(1)로서의 전환가능 윈도우를 도시한 것이다. 도 2에 따르면, 상기 광학 소자(1)는 2개의 유리 또는 중합체 영역(15) 및 추가적 영역(2)을 포함한다. 영역(15)들 사이에 능동 매트릭스(16)가 배치된다. 전력 공급 시스템은 영역(15)과 추가적 영역(2) 사이에, 도 9에서 한정된 공간의 외측에 배치되며, 따라서 보는 사람에게 가시적이다. 상기 전력 공급 시스템은 전지(6) 및 제어기(5)를 포함한다. 또한, 상기 전환가능 윈도우는 스페이서(4) 및 광전지 요소(7)를 포함한다.
도 3은, 도 2의 선행기술의 전환가능 윈도우를 개략적으로 도시한 평면도이다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 전력 공급 시스템은 보는 사람에게 가시적이며, 시야를 어지럽힌다.
도 4는, 광학 소자(1)로서의 전환가능 윈도우의 사진들을 도시한다. 위쪽 사진은, 16 mm 폭의 윈도우 스페이서(4)의 내측에 설치된 단결정질 태양 전지를 도시한 측면도이다. 아래쪽 사진은, 윈도우 내의 스페이서(4)를 도시한 상면도이다. 이러한 구성이 전기를 생산할 수 있음을 입증하기 위해, 상기 윈도우의 평면에 대해 수직으로 배향된, 태양의 입사를 갖는 태양 시뮬레이터(solar simulator)에 대해 출력을 측정하였다. 16.8 cm2의 태양 전지 영역의 경우, 35.6 mW의 전력이 생산되었다. 염료-감응 태양 전지(DSSC)뿐만 아니라 박막 광전지는 타원형 입사광 하에 단결정질 또는 다결정질 태양 전지에 비해 비교적 더 우수한 성능을 가졌으며, 따라서 바람직하다. 특히, DSSC가 유리하다. 이들은 각도 하에 탁월한 성능을 가지며, 이들의 광자-전자 효율은 광 강도가 낮아질 수록 증가한다. 따라서, DSSC 전지는 추가적 이점을 제공한다.
도 5는 전환가능 윈도우(광학 소자(1)로서)의 측면도이며, 이때 상기 전환가능 윈도우는 본 발명의 하나의 실시양태이다. 이러한 새로운 해결책은 광학 소자(1)를 제조하는 방법을 제공하며, 이때 전지(6) 및 제어기(5)는 환경으로부터 잘 보호되어 있으며, 외측에서 보이지 않는다. 이들은 상기 전환가능 윈도우의 평면으로부터 튀어나오지 않는다. 따라서, 이중 또는 삼중 판유리의 경우, 상기 전환가능 윈도우를 설치하기 위해 임의의 일반적인 윈도우 프레임을 사용할 수 있다. 전지(6) 및 제어기(5)는, 윈도우를 통한 시야가 방해받지 않도록, 상기 이중 판유리 유닛의 1차 밀봉(3)의 외측에 배치된다. 이러한 실시양태에서, 상기 광학 소자(1)는 바람직하게는 능동 매트릭스(16)를 갖는 전환가능 윈도우이다. 이러한 LC(액정) 전환가능 윈도우(1)는 PDLC 윈도우(중합체-분산된 액정), 게스트-호스트 LC 윈도우, 콜레스테릭 LC 또는 편광기-기재 액정 윈도우일 수 있다. 상기 전환가능 윈도우는 전형적으로 상기 이중 판유리 유닛의 외측 위치 상에 배치된다. 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)은 제 2 (유리 또는 중합체) 영역(15/2)과 조합되고, 능동 매트릭스(16)가 이들 두 영역(15/1, 15/2) 사이에 배치된다. 하기에서, 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1) 및 상기 제 2 영역(15/2)은 영역(15)으로 제시된다. 추가적 유리 (또는 중합체) 영역(2)을 사용하여, 이중 판유리 유닛이 제조된다. 2개의 유리 또는 중합체 영역(15)(또는 판유리) 및 추가적 영역(2)(또는 판유리)은, 전형적으로 6 내지 30 mm 크기의 윈도우 스페이서(4)에 의해 분리되며, 상기 전력 공급 시스템(제어기(5) 및 전지(6))은 영역(15)과 추가적 영역(2) 사이에 배치된다. 전환가능 윈도우 스페이서(4) 상에 및 주위에, 기체-충전된 구획(8)의 기계적 강도 및 기밀 밀봉을 제공하는 밀봉 물질(3)이 적용된다. 전지(6) 및 제어기(5)는 이러한 구획 외측에, 상기 절연 유리 유닛의 부피 내에 배치된다. 바람직하게는, 이러한 거리(L)가 20 cm 미만, 바람직하게는 심지어 15 cm 미만이 되고, 상기 윈도우가 시야를 방해하는 임의의 물품 없이 일반적인 윈도우 프레임 내에 설치되도록 설계된다. 광전지 요소(7)로서의 태양 전지에 대한 하나의 가능한 위치는 기체-충전된 구획(8)의 내측이다. 도 5는, 본 발명의 하나의 예에 따른 전환가능 윈도우를 도시하는 측면도이다. 이러한 실시양태에서, 상기 전환가능 윈도우의 보이는 영역 내에 광전지 요소(7)를 갖는 것은 회피된다. 따라서, 광전지 요소(7)는 윈도우 스페이서(4)의 내측에 배치된다.
도 6은, 도 5에 따른 실시양태의 상면도이다. 제어기(5) 및 전지(6)는 광학 소자(1)의 측면 상에 배열된다. 광전지 요소(7)는 광학 소자(1)의 측면 상에 보이지 않게 배열된다. 광은, 영역들(15, 2)에 대한 반사에 의해 또는 직접적인 조사에 의해 광전지 요소(7)를 통과할 수 있다.
도 7은, 본 발명에 따른 다른 예의 전환가능 윈도우를 개략적으로 도시한 측면도이다. 이러한 두번째 예에서, 전지(6) 및 제어기(5)는 영역들(15 및 2)의 길이 외측에, 그러나 여전히 영역(15)과 절연 유리 유닛의 2개의 외측 표면의 추가적 영역(2) 사이에 배치된다. 이러한 해결책의 이점은, 전자장치에 일부 추가적 공간을 제공하고, 절연 유리 유닛이 표준 기술을 사용하여 제조될 수 있다는 것이다. 이러한 설계에서는, 외장(9)을 갖는 전자장치를 보호하여, 이러한 전자장치를 외부 영향으로부터 보호하는 것이 바람직하다. 이러한 전자장치는 윈도우 프레임(10) 내에 보이지 않게 배치된다. 이러한 배치의 이점은, 태양으로부터의 직접적인 조사의 가능성이 없으며, 이에 따라 기후가 좀더 온화하여, 전자장치에 대한 수명이 완화된다는 것이다. 이러한 실시양태에서, 기계적 연결부는 영역(15) 및 추가적 영역(2) 및 외장(9) 사이에 배치되어야 한다. 지지선(support)은 상기 전환가능 윈도우로부터 외장(9)으로의 임의의 힘을 차단하여, 전자장치가 손상되는 것을 막는다. 도 7의 실시양태에서, 외장(9)은 제어기(5) 및 전지(6)를 수용한다. 광전지 요소(7)는 광을 대면하는 것이 필요하기 때문에, 이제 외장(9)은 윈도우 프레임(10)으로부터 튀어나와야 한다. 이는, 상기 유닛(영역(15) 및 추가적 영역(2))의 일부를 형성하도록, 상기 전환가능 윈도우와 동일한 두께를 가진다. 그러나, 이는, 밀봉재(3)가 적용된 후 상기 유닛 상에 조립될 수 있다. 이는 제조 이점을 제공한다. 또한, 광전지 요소(7)와 조합된 상기 전력 공급 시스템이 상기 전환가능 윈도우 상에 단순히 "클릭"됨으로써, 자가-전력화 시스템이 될 수 있기 때문에, 모듈식 접근법이 사용될 수 있다. 그러나, 컴퓨터에 연결된(wired) 시스템의 경우에는, 동일한 제조 방법이 사용될 수 있지만, 광전지 요소(7)와 조합된 상기 전력 공급 시스템 상에 "클릭"될 수는 없다. 또한, 이러한 실시양태에서, 상기 전력 공급 시스템은 제 1 및 제 2 보조 평면(11, 12)(도 7에 도시되지 않음) 사이에 및 제 3 및 제 4 보조 평면(13, 14)(도 7에 도시되지 않음) 사이에 배열된다.
도 8은, 전환가능 윈도우 형태의 광학 소자(1)를 개략적으로 도시한 것이다. 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1) 및 제 2 유리 또는 중합체 영역(15/2)(도시되지 않음)을 포함하는 유리 또는 중합체 영역(15)은 스페이서(4)를 통해 추가적 영역(2)(도시되지 않음)으로부터 분리된다. 스페이서(4)의 내측 면("내측 면"은, 상기 광학 소자(예컨대, 상기 전환가능 윈도우)의 중간을 대면함을 의미함) 상에, 광전지 요소(7)가 배치된다. 도 8의 예에서는, 4개의 광전지 요소(7)가 스페이서(4)의 4개의 영역 상에 배치되고, 모든 광전지 요소(7)는 상기 광학 소자(1)의 내측을 대면하는 방식으로 배열된다. 이러한 배열 및 광전지 요소(7)의 양으로 인해, 광전지 요소(7)는, 상기 광학 소자(1)(예컨대, 전환가능 윈도우)를 제어하고 전환하기에 충분한 방식으로 입사 태양광을 수용할 수 있다. 도 8의 전환가능 윈도우는 또한 제어기(5), 전지(6)(에너지 저장 장치로서) 및 커넥터(18)를 포함한다.
커넥터(18)는 윈도우와 제어 시스템 간의 1회성 또는 가역적 전기 연결을 가능하게 하며, 이는 방수성이고, 윈도우 프레임의 공동 내에 설치되기에 충분한 정도로 작다. 예를 들어, JST JWPF 시리즈로부터의 커넥터가 이러한 목적에 적합하다.
도 9에서는, 청구항 1에 청구된 전력 공급 시스템을 배열하기 위한 공간이, 제 1 보조 평면(11), 제 2 보조 평면(12), 제 3 보조 평면(13) 및 제 4 보조 평면(14)을 사용하여 보다 자세히 설명된다. 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)(영역(15/1)으로도 언급됨)은 추가적 영역(2)과 떨어져 배열된다. 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)이 하나보다 많은 영역을 포함하는 경우, 영역(15/1)은 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 외부 영역 및 이에 따라 광학 소자(1)의 외부 영역이다. 다른 영역(하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 일부로서)은 추가적 영역(2) 방향으로 배열된다. 제 1 보조 평면(11)은 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 상부에 배열되고, 제 1 영역(15/1)의 주 연장 방향에 평행하다. 제 2 보조 평면(12)은 또한 제 1 영역(15/1)의 주 연장 방향에 평행하지만, 제 1 보조 평면(11) 및 영역(15/1)과 떨어져 있다. 제 1 보조 평면(11)과 제 2 보조 평면(12) 간의 거리(L')는 바람직하게는 10 cm 미만, 가장 바람직하게는 1 내지 6 cm이다. 상기 광학 소자(1)가 추가적 영역(2)을 포함하는 경우, 제 2 보조 평면(12)은 바람직하게는 추가적 영역(2)을 관통하고, 추가적 영역(2)의 주 연장 방향에 평행하다. 제 3 보조 평면(13)은 제 1 보조 평면(11) 및 제 2 보조 평면(12)에 대략 수직이며, 제 3 보조 평면(13)은 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 측면(17)으로부터 21 cm 미만의 거리(L)에 떨어져 배치된다. 제 4 보조 평면(14)은 또한 영역(15/1) 및 제 1 보조 평면(11)에 대략 수직으로, 및 영역(15/1)의 동일한 측면에 대해서는 21 cm 미만의 거리(L)에(제 3 보조 평면(13)의 경우에서처럼) 및 제 3 보조 평면(13)에 대해서는 42 cm 미만의 거리(L"(L+L))에 배치된다. 상기 전력 공급 시스템은 제 1 보조 평면(11)과 제 2 보조 평면(12) 사이에 및 제 3 보조 평면(13)과 제 4 보조 평면(14) 사이에 배치되며, 이때 보조 평면들(11, 12, 13, 및 14)은 한정된 공간(또는 부피)을 구성한다. 제 1 보조 평면(11) 및 제 2 보조 평면(12)은 (상기 전력 공급 시스템을 배열하기 위한) 공간 또는 부피를 수평 방식으로 제한한다. 따라서, 상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)과 제 2 보조 평면(12)(및 추가적 영역(2)) 사이에 배열되어야 한다. 제 3 및 제 4 보조 평면(13, 14)은 (상기 전력 공급 시스템을 배열하기 위한) 공간 또는 부피를 수직 방식으로 제한하며, 이때 제 3 보조 평면(13) 및 또한 제 4 보조 평면(14)은 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)(및 또한 상기 추가적 영역(2))의 말단에 대해 거리(L)에 있고, L은 21 cm 미만이다. 용어 "대략 수직"은, 85° 내지 95°, 더욱 바람직하게는 89° 내지 91 °, 가장 바람직하게는 90°의 각도를 의미한다.
도 10은, 도 8에 따른 구성을 갖는 광학 소자(1)로서의 전환가능 윈도우의 생산된 전류를 하루에 걸쳐 도시한 것이다. EF 곡선은, 동향(east facing) 광전지 요소의 생산된 전류이다. UF 곡선은, 상향(upwarding facing) 광전지 요소의 생산된 전류이다. WF 곡선은, 서향(west facing) 광전지 요소의 생산된 전류이고, DF 곡선은, 하향(down facing) 광전지 요소의 생산된 전류 곡선이다. 전류는, 상기 PV 요소에 의해 발생된 전력에 대한 척도이다. 도 10은, 상기 하향 요소(곡선 DF)가 다른 요소만큼의 전류를 생산하지 못하지만, 여전히 상당한 기여를 하고 있음을 보여준다. 이는 또한, 발생된 전력이, 상이한 광전지 요소들 사이에서 상당히 다름을 보여준다. 따라서, 각각의 요소에 대해 별도의 최대 전력점 추적 장치를 사용하면, 모든 측면으로부터의 전력 출력을 최적화할 수 있다.
본 발명은 작업 실시예에 의해 자세히 기술되며, 이러한 작업 실시예는 단지 본 발명의 하나의 실시양태이며, 본 발명을 제한하지 않는다.
작업 실시예
광학 소자로서의 염료-도핑된 게스트-호스트 LC 윈도우를 구성하고, 자율(autonomous) 조작에 대해 시험하였다. 절연 유리 윈도우는 110 × 105 cm의 치수 및 28 mm의 두께를 가졌다. 상기 윈도우는, 외측으로부터 내측으로, 제 1 판유리(15/1), LC 게스트-호스트 전환가능 매트릭스(16) 및 제 2 판유리(15/2)(함께 8 mm) - 아르곤 갭(16 mm) - 저-E 코팅된 유리(4 mm)(유리 및 중합체 영역(15))로 구성된다. 윈도우 스페이서 상에, 단결정질 Si PV 셀을 장착하고, 6개의 PV 셀을 측면마다 직렬로 연결하였다. 윈도우의 모든 4개의 측면에 PV 셀을 장착하였으며(도 8에 도시된 바와 같이), 모든 측면은 그 자체의 최대 전력점 추적 장치(MPPT)를 가졌다. 각각의 측면에서 수용되는 강의 강도가 상당히 다를 수 있기 때문에, 가장 낮은 광 강도를 수용하여 출력 전류를 제한하는 측면을 갖는 것은 바람직하지 않다. 이를 극복하는 하나의 방법은, 각각의 측면으로부터의 전력이 최적화되도록, 각각의 측면에 대해 별도의 최대 전력점 추적 장치를 사용하는 것이다.
윈도우 제어기는 상기 절연 유리 유닛의 일부이다. 이는 전지(NiMH 유형, 4개 직렬, 4.8 V 2200 mAh)로부터 전력을 공급받고, 이는 다시 최대 전력점 추적 장치를 통해 PV 셀로부터 충전되었다. 상기 윈도우는, 건물 제어 시스템으로부터 명령을 수용하여 상기 윈도우의 투과성 상태를 변화시킬 수 있는 윈도우 제어기를 장착하였다. 상기 건물 제어 시스템(도시되지 않음)은 내측 및 외측 광 수준을 등록하는 복수의 센서를 포함하였으며, 이러한 정보를 사용하여 윈도우가 암 또는 명으로 전환되어야 하는지를 결정할 것이다. 외부 윈도우 표면 상에 100 W/m2 초과의 태양광이 수용되면, 상기 윈도우는 상기 건물 제어 시스템에 의해 암 상태로 전환되었다. 입사광이 100 W/m2 미만으로 떨어지면, 상기 윈도우는 투명 상태로 다시 전환되었다.
상기 윈도우를 네델란드에서 남향으로 배치하였다. 전력 출력 전압 및 전지 전력 수준뿐만 아니라 건물의 모든 측면에 대한 입사광 수준을 모니터링하고 저장하였다. 결과를 도 10 및 도 11에 도시하며, 전지가 떨어지지 않고 항상 90% 초과의 충전된 상태를 유지하는 것으로 판명되었다.
1: 예시적인 전환가능 윈도우,
2: 추가적 영역,
3: 밀봉재(밀봉 재료),
4: 스페이서,
5: 제어기,
6: 전지,
7: 광전지 요소(PV),
8: 구획,
9: 전자장치를 위한 외장,
10: 프레임,
11: 제 1 보조 평면,
12: 제 2 보조 평면,
13: 제 3 보조 평면,
14: 제 4 보조 평면,
15/1: 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역,
15/2: 제 2 유리 또는 중합체 영역,
15: 유리 또는 중합체 영역,
16: 능동 매트릭스,
17: 상기 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 측면,
18: 커넥터,
L: 제 3 보조 평면(13)/제 4 보조 평면과 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역의 측면(17) 간의 거리,
L': 제 1 보조 평면(11)과 제 2 보조 평면(12) 간의 거리,
L": 제 3 보조 평면(13)과 제 4 보조 평면 간의 거리,
EF: 곡선,
UF: 곡선,
WF: 곡선,
DF: 곡선.

Claims (14)

  1. 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)을 포함하는 광학 소자(1)로서, 이때
    하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)과 접촉하여 능동 매트릭스(16)가 배치되고,
    광학 소자(1)는 전력 공급 시스템을 포함하되, 상기 전력 공급 시스템이,
    하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 상부에서 이에 대략 평행하게 배열된 제 1 보조 평면(11), 및
    제 1 보조 평면(11)으로부터 10 cm 미만의 거리(L') 및 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된 제 3 보조 평면(13) 또는 제 4 보조 평면(14)으로부터 21 cm 미만의 거리(L)에서, 제 1 보조 평면(11)에 대해 대략 평행하게 배열된 제 2 보조 평면(12)
    사이에 배치되는 것을 특징으로 하고, 이때 L은 또한 제 3 보조 평면(13)과 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 하나의 측면(side)(17) 간의 거리 및 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 동일 측면(17)과 제 4 보조 평면(14) 간의 거리이고,
    상기 전력 공급 시스템은 하나 이상의 제어기(5) 및 하나 이상의 에너지 저장 장치, 바람직하게는 전지(6)를 포함하고,
    상기 광학 소자는 하나 이상의 광전지 요소(7)를 포함하되, 하나 이상의 광전지 요소(7)는 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)의 주 연장 방향에 대해 대략 수직으로 배열된, 광학 소자(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급 시스템이 프레임(10)으로 적어도 부분적으로 덮여 있고,
    프레임(10)이 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)을 덮는, 광학 소자(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 이상의 광전지 요소(7)가 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역(15/1)과 적어도 부분적으로 접촉하는, 광학 소자(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 광전지 요소(7)가 박막 태양 전지(thin film solar cell)인, 광학 소자(1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광전지 요소가 스페이서(4) 상에 배치되거나 이와 물리적으로 직접 접촉하는, 광학 소자(1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    1개 초과의 최대 전력점(powerpoint) 추적 장치(tracking device)가 하나 이상의 광전지 요소(7)에 사용되는, 광학 소자(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 소자가 하나 이상의 추가적 영역(2)을 포함하고,
    하나 이상의 추가적 영역(2)이 하나 이상의 유리 또는 중합체 영역이고, 바람직하게는 하나 이상의 추가적 영역(2)이 하나 이상의 추가적 광전지 요소와 접촉하는, 광학 소자(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 공급 시스템이 광학 소자(1)로부터 가역적으로 제거가능한, 광학 소자(1)
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    능동 매트릭스(16)가 액정을 함유하는, 광학 소자(1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액정이 중합체-분산된 액정, 게스트-호스트 액정 및/또는 중합체-안정화된 콜레스테릭 액정인, 광학 소자(1).
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 소자가 전기변색성 소자 또는 부유(suspended) 입자 소자인, 광학 소자(1).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 소자(1)가 전환가능(switchable) 윈도우인, 광학 소자(1).
  13. 전환가능 윈도우용 전력 공급 시스템으로서,
    상기 전력 공급 시스템이 하나 이상의 제어기(5) 및 하나 이상의 에너지 저장 시스템, 바람직하게는 전지(6)를 포함하고,
    상기 전력 공급 시스템이 전환가능 윈도우(1)에 가역적으로 연결가능한, 전환가능 윈도우용 전력 공급 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 공급 시스템이 전환가능 윈도우(1)의 윈도우 프레임(10) 내에 배치가능한, 광학 소자(1)용 전력 공급 시스템.
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