TW201131108A - Light collector for daylight and LED hybrid illumination system - Google Patents

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Description

201131108 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明提供一種晝光與le:d混合照明在集光箱照明系統 設計’此系統之所屬技術領域包含集光器之光學光路設計、太 陽能分光之光學鍍膜技術、太陽能電池技術、導光管及光纖技 術應用與佈局、集光箱内部反射材質塗佈技術、LED相關電 子電路散熱與佈局技術，以及室内照明模擬軟體設計操作與分 【先前技術】
傳統之太陽光照明系統，中華民國經濟部智慧財產局方 2^08年6月1日授權公告之專利號碼為脱33656之專利中号 二a開了種集光器結構改良之單元，如圖一所示，此習知老 ，之太陽光絲H，主要結構包括反射规之反射面3、集另 器支樓架4、岐螺絲5、螺絲孔6、集光器映座7，及集另 =1。其中，太陽1發光’其所發出之光線打至遙遠的制 =時^平行光2，而由反射面3將光線收集至集光位置心 集光器的狀，分別又加裝了集光器雄4順 局於20==箱照明系統’如中華民國經濟部智慧見 利中申τ ^日授權公告之專利柄為M37_〇 ^ 中申心開了-種廣告燈箱結構改良之翠元，如圖二阶 201131108 此習知技術之廣告燈箱，主要結構包括燈箱2i、燈關關Μ、 散熱孔42 ’以及擴散板52。勒之燈源發光之後，在燈箱 21中反射，最後經由擴散板52將光線均勻射出。 但上述習知集光器之集光效果與集光箱之擴散效果有 限，光線打至反射面3必須經過_反射面多次反射最後至集 光位置8處’在反射過程中，有些入射光線會因入射角度的關 係’經兩側反光面多次反射後射出集光器，造成光線損失；又 習知_之廣告燈箱設計僅單純提供—般日光燈管及傳統燈 泡使用，燈齡置#考慮，僅#概版鑛_自化，光線 經過燈箱多重内部反射後射出擴散板之光線強度已經大幅減 弱，發光鱗低。故’隨著太陽能光電、_設計無膜技術 曰新又新’有效利用綠色能源將成未來設計晝光照明時的重要 考量，如何有效擷取戶外晝光，並將晝光紅外線波段及白光波 ¥又刀光應用，將會成為太陽光源利用的一個重要關鍵；另一方 面，如何將所收集之可見光波段與LED混合照明於室内，也 是目前市場尚未見到之設計’所以此混合照明系統取代傳統集 光器模組以及傳統燈箱將會是指日可待的。 有鑑於此，提供一種晝光與LE：D混合照明在集光箱照明系 統設計是有必要的。 201131108 【發明内容】 本發明提供一種晝光與led混合照明在集光箱照明系統 設計’此系統可引進晝光可見光波段之光線至集光箱内，並且 搭配晝光及LED光混合於集光箱内，最後均勻混合光線經由 擴散板均勻射出。其系統中之分光稜鏡將戶外晝光紅外線波段 反射收集、可見光波段穿透以及LED光線反射，利用光學鍍臈 設計原理將晝光分為三大部分，紫外線波段吸收或全反射，可 見光波段穿透，紅外線波段光線反射收集至太陽能電池，並利 用透鏡聚焦的特性’將紅外線波段之光線聚焦於太陽能電池， 將光能轉換成電能儲存。 而可見光穿透部份之光線，經由光纖或導光管導引至室内 之集光箱中，再經由反射圓錐將射出光纖或導光管之光線均勻 反射並打散至集光箱中。集光箱表面為硫酸鋇或鏡面反射之材 質’主要目的為將光線能在其表面上產生均勻漫射 (Lambertian)或鏡面全反射’有效將導引進來之晝光打散在整 個集光箱中，並設計一套智慧型感光系統，在集光箱中設置光 感測器，隨時判斷所收集之畫光強弱，並在晝光強度減弱時， 開啟LED燈源輔助補強不足之光線。 LED燈源部份，白光朗柏型（Lambertian)LED，搭配拋物 面反射罩時’燈源沿著集光箱周圍排列並向下照射，光線部分 照射集光箱表面，另一部分則直接照射擴散板，藉此提供被照 面均勻之照度分佈。而led可由白光以及紅、藍、綠三色高亮 度LED組成，主要目的可經由三原色之LED混色製造出不同色
I iJ 6 201131108 溫之白光，提供不同感覺之白光照明。 為了實現本發明之目的’本發明提供一種晝光與LE：D混合 照明在集光箱照明系統設計，此系統可引進晝光可見光波段之 光線至集光制，並且搭配晝光及led光齡於#光箱内， 最後均勻此合光線經由擴散板均勻射出。此系統能有效利用屋 外的晝光，藉由光學鍍膜技術將晝光中紫外線隔絕、紅外線波 &反射至太陽能電池㈣，可有雜絕有害之紫外線、以及紅 外線以熱的形式打至室内。此發赌供了—種能有效運用晝光 與LED於室内照明的方法，藉此設計提供晝光與共用之節 省電源的照明。 以本發明為例’藉由模擬可知，在晴朗無雲的情況下，戶 外水倾度計侧7萬6千丨ux以上之照度時，透過本發明之 ^光器、，賴或導絲、雜由反射圓錐將光線㈣反射並打 散至集光箱中，經由硫酸鋇壁面反射，最後經由擴散板二次均 勻，散光線’即可均勻照亮2. 94米寬、8. 8米長、4米高之室 内^間，並於74公分高度桌平面得_濟部智慧財產局(原中 央t準局）π定辦公室桌面照度標準勝讀ux ;晴朗偶有雲 遮時，只需局部開啟led燈補強不足之照度。
平面平均照度提升至516.46 lux， 此時上述至内如之74公分高桌平面上所模 為Π.869 1UX，配合14〇顆白光⑽可將桌 汁至516.46 lux ’桌平面上最高與最低照度 m 7 201131108 值為424 lux與579 lux ;早上7點時量測到細〇 1υχ，桌 平面上所模擬出之平触度為161.424 lux，配合⑽顆白光 =可將桌平面平均照度提升至517.876 lux，桌平面上最高 與最低照度值為43UUX與616 lux;早上8點時量測到綱〇〇 1UX，桌平面上所模擬出之平均照度為379. 818 lux，配合40 顆白光LED可將桌平面平均照度提升至522·923 μ，桌平面
^最高與最低照度值為427 lux與微-;早上9點時量測 到1〇_ iux，桌平面上所模擬出之平均照度為似 -，=合〗6顆白光LED可將桌平面平均照度提升至咖 ^^桌平面上最高與最低照度值為427 lux與635 lux ;早 ^點時量_ H_ lux，桌平面上雌擬出 権期ux，桌平面上最高與最低照度值為4i9hjx與612 早上11點時量測到12_ lux，桌平面上所模擬出之 1敗盘=I569.727 1UX ’桌平面上最高與最低照度值為457 ” 6 8 ux，中午12點時量測到116000 lux，卓平面上 為55G.732 iux，桌平面上最高 ^，卓平面Γ所Γ46 lux;下午1至2點時量測到ιι〇_ 桌千面上所顯出之平触度為522屬 上最高與最健度值為4l9 lUX_ 1U ^ ’桌平面上所模擬出之平均照 可將桌平面平均照度提升至5i3.411二 lux’配合_白一_面=:= 201131108 lux，桌平面上最高與最低照度值為476 lux與646 ;下 午5點時量測到丨400 lux，桌平面上所模擬出之平均照度為 6. 647 lux，配合140顆白光LED可將桌平面平均照度提升至 511.51 lux，桌平面上最高與最低照度值為4仙丨狀與5犯 lux ;下午6點時太陽下山進入黑夜，配合14〇顆白光LE：D可 將桌平面平均照度照亮至5()9·69 lux，好面上最高與最低 照度值為451 lux與555 lux。 根據以上模擬，在辦公室桌面照度標準5〇〇〜75〇lux的情 形下’從早上人點至杆六點上班時間，因為導人日照關係， LEDs燈的耗電^；’、$要〇. 932%度’相當於只有傳統日光燈 兩支的用電量’即使從早上人點至下午六點整天開啟· 燈，也只需2. 7度用電，依然比傳統日光燈具來的省電。 相較s知技術之集光器模組，本發明之晝光與led混合照 明在集光财、統設計能有效錄運狀射之晝光，並隨著 太陽強度之強弱由智慧型感光系統判讀而增強或減弱之 強度’達成晝光與LED混合照明祕。而本㈣並將光學鑛膜 與光學透鏡聚焦原理運用至本發明中，使入射光線除了可隔絕 t外線外’分別分光集巾至紅外光太陽能電池及光纖或導光管 中’同時隔離了有害的紫外線外，並可將太陽輻射熱經由紅外 光太陽能電池收集’可大幅提升室簡明解低室内溫度。 201131108 【實施方式】 請參閱第三圖及第四圖，本晝光與LED混合照明在集光箱 照明系統，此系統之設計乃將戶外可見光波段之晝光34由集 光器12收集導引至集光箱19内，在晝光進入於集光箱〗9後， 光線均勻打散於整個箱面，並配合智慧型光感應器151所擷取 之光線的強弱開啟LED燈源，使晝光光線與LED光線共同於 集光相内均勻擴散，藉以達到充足且均勻之光強。 • 晝光紅外線波段部分運用了光學鍍膜設計原理將晝光光 線分光處理，請參閱第四圖。利用鍍膜技術於分光鏡斜面鍍 膜，將晝光紅外線波段光線反射至太陽能電池收集、可見光波 段光線穿透至導光管或光纖傳遞至室内，藉以設計出紅外線波 段儲存電能、可見光波段用以照明之用途。在日照天時，晝光 光線11由晝光集光器12收集，並由鍍膜分光鏡32將晝光中 紅外光波段光線33及可見光波段光線34進行分光。紅外光波 &光線33反射至太陽能電池35收集轉換成電能儲存，而可見 光波段光線34穿透之後由導光管及光纖13傳遞至集光箱19 中。 晝光集光器12由兩反射面或一透鏡型式組成。兩反射面 包含拋物面-拋物面、拋物面-橢圓面，以及橢圓面_拋物面三種 型式設計；一透鏡則包含一般聚焦透鏡或Fresnd透鏡。 可見光波段光線34由導光管及光纖13傳遞至集光箱19 後’光線經由圓錐反射裝置15將出導光管及光纖13之光線反 射至鬲反射牆面16。高反射牆面16可塗上高反射材質之漆 201131108 料，如硫g文鋇等材質，或直接附上背面塗銀或塗銘之鏡面於牆 面，藉此達到高反射效率之朗柏①膽以出如)漫射或鏡面全反 射，將光線打散在整個集光箱19中。集光箱19中置有智慧型 光感應器151，能隨時監控由導光管或光纖導入集光箱19之 光線強弱，並在感應光線微弱時開啟LED陣列燈源μ補強， 最後導引至集絲19之親與LED之光線將均姑散至整個 集光箱19 + ’最後再經由擴散板17射出 達到對人_轉度之錢、發光，降伽光。 綜上所述，本發明符合發明專利之要件，故依法提出專利 申π。以上所述者僅為本發明之較佳實施例，本發明所包括之 圍並不以上述實簡為限，舉凡熟f本案贿之人士援依本 發月專利之精神所作之等效修改或類似變化，冑應涵蓋於以下 申請專利範圍内。 201131108 【圖式簡單說明】 第一圖係習知技術之太陽光集光器結構示意圖。 第二圖係習知技術之廣告燈箱照明系統結構示意圖 第三圖係本發明之晝光與LE1D混合照明在集光箱照明系統示 意圖。 第四圖係本發明之集光分光系統示意圖。 • 【主要元件符號說明】 太陽 1 平行光 2 反射面 3 集光器支撐架 4 固定螺絲 5 螺絲孔 6 集光器固定座 7 集光位置 8 燈箱 21 燈源開關 41 散熱孔 42 擴散板 52 晝光光線 11 晝光集光器 12 導光管及光纖 13 LED陣列燈源 14 圓錐反射裝置 15 智慧型光感應器 151 高反射牆面 16 12 201131108 擴散板 17 室内空間 18 集光箱 19 鍍膜分光鏡 32 紅外光波段光線 33 可見光波段光線 34 太陽能電池 35 導光管或光纖 36 13

Claims (1)

  1. 2〇11311〇8 七、申請專利範圍： I 一種晝光與LED混合照明在集光箱照明系統設計，此系統可 分光引進晝光可見光波段之光線至集光箱内，並且搭配晝光 及LED光混合於集光箱内，最後均勻混合光線經由擴散板均 勻射出。其系統中之鍍膜分光鏡將戶外畫光紅外線波段反射 收集至太陽能電池，並利用透鏡聚焦的特性，將紅外線波段 之光線聚焦於太陽能電池，將光能轉換成電能儲存。 • 2.如申凊專利範圍第1項所述之晝光與led混合照明在集光箱 照明系統設計，其中包括晝光集光器、紅外光與可見光鍵膜 分光系統、紅外線波段太陽能電池、集光箱、圓錐反射裝置、 智慧型光感應器、燈源反射罩、白光或紅綠藍三色Led陣列、 導光管與光纖，以及擴散板。 3·如申請專利範圍第2項所述之晝光集光器，其中包括兩反射 面之飢薩格林(Cassegrain)結構或一透鏡型式組成。兩反射面 | 型式之凱薩格林(Cassegrain)結構包含拋物面-拋物面、拋物面 _橢圓面，以及橢圓面_拋物面三種型式設計，三種設計皆為 共焦點设§]*，一透鏡型式則包含一般聚焦透鏡或Fresnei透 鏡。以上兩種型式之設計，最終聚焦點或平行射出之光線皆 設計為太陽能電池端及導光管及光線。 4·如申請專利範圍第2項所述之紅外光與可見光鍍膜分光系 統’其分光鏡材質為奈米玻璃、BK7玻璃或PMMA、PC塑膠， 可為平板透鏡結構或分光三角稜鏡結構，亦可為兩三角稜鏡 黏合之方塊分光鏡結構。其分光面是鍍紅外光波段反射、可 201131108 見光波段穿透’亦包含紫外光波段吸收或反射之薄膜。可見 光波段之光線經分光稜鏡之分光面穿透後，將可見光波段之 光線聚焦至導光管及光纖口。而導光管及光纖其材質為PMMA 或pc之塑膠’或二氧化矽及熔融石英玻璃光纖。 5. 如申請專利範圍第2項所述之LED，沿著集光箱周圍排列並 向下照射，其發光二極體晶片之位置，於拋物面反射罩或橢 圓反射罩之焦點上，而其反射罩表面鍍有高反射率鋁或硫酸 φ 鋇之紹製材質’ ABS、PVC、PMMA、pc塑勝材質，或pps、PEEK、 PEKK、PPA、TPI、HTN等半結晶性耐高溫熱塑性塑膠，以利 光線反射。紅綠藍二色LED陣列，可經由三色混光，混合成 CIE色溫為2800K至6500K之白光，亦包含直接使用白光LED。 6. 如申請專利範圍第2項所述之紅外線波段太陽能電池，紅外 光波段之光線經分光鏡之分光面反射後，聚焦至紅外線波段 太陽能電池上。 # 7.如申請專利範圍第2項所述之集光箱，其表面為硫酸鋇塗 料，亦或是背面塗銀或塗!S之鏡面。其箱内收集太陽晝光光 線及LED燈之光線，或收集日光燈、榮光燈、白織燈泡及省 電燈泡之光源光線，其集光箱大小可為整個㈣空間天 ㈣大小，亦可為-般祕大小，尤其包含—般輕鋼架型天 花板60公分乘60公分之方塊整數倍大小。 8.如申請專利範圍第2項所述之_反_置，其為表面鑛有 高反射率如提供鏡面反射，顿有_編提供朗柏 (Lambertian)漫射之特性。 201131108 9·如申％專利範圍第2項所述之智慧型光感應n，其中電源與 電路系統將判讀集光箱中光線之訊號，若訊號越來越弱，即 代表晝光光線越來越弱，此時電源與電路系統則增加LED之 電壓與電流，反之，若訊號越來越強，即代表晝光光線越來 越強，此時電源與電路系統則減少LED之電壓與電流。 10.如申請專利範圍第2項所述之晝光集光器，其中晝光紅外線 波段於紅外光與可見光鍍膜分光系統分光由太陽能電池收集 外，可見光波段由導光管及光纖皆收，其光束NA值必須與光 纖相同。
    I 16
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