TWI392791B - 建築物之窗體、展示裝置之窗體及其多功能窗體結構 - Google Patents

Description

建築物之窗體、展示裝置之窗體及其多功能窗體結構

本發明係有關於一種窗體結構，特別是一種節能環保並且可提供照明功能之窗體結構。

建材一體成型太陽電池模板(Building-integrated photovoltaic，簡稱BIPV)是以建築設計手法將具有太陽光電模板導入建築物中，使太陽光電模板系統元件不單只有發電之功能，也是建築外殼的一部份，降低建築物初置時的成本，同時是具有綠能環保的建築。

目前稱為綠建築(Green Building)的BIPV大樓，其帷幕玻璃主要使用無框式雙層玻璃矽晶片太陽能電池板，此種太陽能電池板多為晶矽(poly-silicon)或是非晶矽(amorphous-silicon)的大面積面板，其主要是將深色不透光的面板貼附於建築物表面，且只能透過改變太陽能電池板的間隔來進行採光調整，然而如此不僅嚴重影響建築物的美觀，且太陽能電池板與主建築結構的牆面中間往往需要設置C型鋼樑來架設空氣層以提高散熱與光吸收效率，這會使太陽能電池板的建置成本偏高，導致民眾採用裝設的普及率與意願欠佳。

本發明一實施例提供一種多功能窗體結構，包含一第一透明基板、複數個太陽能電池接收單元、一波長轉換層、一第二透明基板以及一間隔層。前述第一透明基板具有一第一側壁、一入射面以及一第一表面，其中第一側壁與入射面鄰接，第一表面則與入射面形成一第一傾斜角。前述太陽能電池接收單元設置於第一側壁上，前述波長轉換層設置於第一表面上，其中太陽光由入射面進入第一透明基板，並透過波長轉換層將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元之可吸收波段，其中可吸收波段的光線經過第一透明基板內部多次反射後到達太陽能電池接收單元並被轉換成電能。前述第二透明基板具有一第二表面以及一第二側壁，其中第二表面與第一表面相對。前述光源設置於第二側壁上，前述間隔層位於第一、第二表面之間，使得第一、第二表面相隔一距離。

本發明另一實施例更提供一種多功能窗體結構，包括一第一透明基板、複數個太陽能電池接收單元、一波長轉換層、一第二透明基板、複數個光源以及一間隔層。前述第一透明基板大致呈四邊形結構，具有一入射面及一第一表面，其中第一表面與入射面形成於第一透明基板的相反側。前述太陽能電池接收單元分別設置於第一透明基板的四個側邊中之至少一側邊，前述波長轉換層設置於第一表面上，其中太陽光由入射面進入第一透明基板，並透過波長轉換層將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元之一可吸收波段，前述可吸收波段的光線經過第一透明基板內部多次反射後到達太陽能電池接收單元並被轉換成電能。前述第二透明基板大致呈四邊形結構並且具有一第二表面，其中第二表面與第一表面相對。前述光源分別設置於第二透明基板的四個側邊中之至少一側邊，前述間隔層位於該第一表面和該第二表面之間，使得第一、第二表面相隔一距離。

為使本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

首先請參閱第1圖，本發明一實施例之多功能窗體結構主要係由一第一透明基板G1、一第二透明基板G2、一波長轉換層P以及一間隔層D所組成。如第1圖所示，前述第一透明基板G1具有一第一表面G11、一第一側壁G12以及一入射面G13，其中波長轉換層P例如為一螢光粉層，可塗佈於第一表面G11或入射面G13上，另外在第一側壁G12上則設有複數個太陽能電池接收單元C；特別地是，前述第一表面G11與入射面G13之間形成有第一傾斜角α1，而第一側壁G12則是與入射面G13鄰接並且相互垂直。

第1圖中之第二透明基板G2具有一第二表面G21、一第二側壁G22以及一出光面G23，其中間隔層D位於第一、第二表面G11、G21之間，第二表面G21與出光面G23之間則形成有第二傾斜角α2。如第1圖所示，在第二透明基板G2左側的第二側壁G22上設有光源E(例如GaN、GaAs或AlGaN發光二極體)，前述光源E可發射光線進入第二透明基板G2內，並透過第二表面G21反射後經由出光面G23穿出第二透明基板G2，其中出光面G23大致平行於第一透明基板G1之入射面G13。以現行主要建築玻璃的標準厚度1.5cm為例，前述第一、第二傾斜角α1、α2之較佳實施角度約為8.53度，然而仍可視不同設計需求而調整其角度於0.1~20度的範圍內。

需特別說明的是，前述波長轉換層P例如可使用羅丹明(rhodamine)、駢苯(perylene)等有機螢光材料，此外也可以採用無機螢光材料，例如含有CdTe或者ZnTe之量子點材料(quantum dot)，其主要功能係將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元C之可吸收波段(如第2圖所示可將太陽光之一入射波段λ1轉換躍升至λ2)，藉此可有利於太陽能電池接收單元C進行光能的吸收與轉換。

舉例而言，當使用螢光材料塗佈於第一表面G11上以作為波長轉換層P時，由於其厚度僅需要約100um，因此仍可達到70%以上之高透光率而不會影響視野與採光，故可廣泛地適用於建築物或大樓之景觀玻璃帷幕，此外也可以將波長轉換層P直接塗佈於入射面G13上，藉此同樣可將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元C之可吸收波段。再者，於第二透明基板G2表面另可視需要塗佈各種光學薄膜，例如半反射半穿透薄膜、抗反射膜(anti-reflection film)、抗眩光膜(anti-glare film)或彩色濾光膜(color filter film)，如此不僅能提升光穿透率以及視覺上的舒適度，同時可提供更豐富且多變之色彩效果。

第3圖表示本發明一實施例之多功能窗體結構與一電池單元B結合之示意圖。當太陽光由入射面G13進入第一透明基板G1後，少部分光線會被反射回外界，其餘部分光線則可透過波長轉換層P將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元C之可吸收波段，且經轉換後之可吸收波段光線會在第一透明基板G1內部經過多次反射後到達太陽能電池接收單元C。由第3圖中可以看出，第一、第二表面G11、G21之間設有間隔物S，利用間隔物S可使第一、第二透明基板G1、G2相隔一距離d以形成間隔層D，其中該距離d約介於0.1mm~10mm之間。舉例而言，前述間隔層D可為一氣體層，該氣體層內可含有空氣、氮氣或是惰性氣體(例如He、Ne、Ar)，藉此不僅能透過氣體對流以達到散熱之目的，同時能大幅提升太陽能電池接收單元C的使用效率，另外藉由氣體層的阻隔更可以有效抑制熱能傳導到第二透明基板G2上，故可具有阻熱防曬的效果。

請繼續參閱第3圖，本實施例之太陽能電池接收單元C係電性連接至一電池模組B，其中藉由太陽能電池接收單元C可將接收到的光線轉換成電能，進而儲存於電池模組B內。舉例而言，前述太陽能電池接收單元C可採用矽基半導體材料(例如單晶矽、多晶矽及非晶矽薄膜…等等)、化合物半導體材料(如砷化鎵、磷化鎵、氮化鎵之二元以上材料組合…等等)、碲化鎘、銅銦鎵二硒等材料之任意組合。應了解的是，前述電池模組B更可同時透過導線電性連接至第二透明基板G2左側的光源E，其中電池模組B可在夜間或光線不足的情況下驅動光源E發光，以提供室內照明或產生絢爛多變之光影效果。

如前所述，本發明藉由太陽能電池接收單元C在白天將所擷取到的太陽光能轉換儲存為電能，再將此電能於夜間提供給光源E作為照明使用，藉此可大幅節省電力消耗以達到節能環保之目的；在實際應用方面，本發明之多功能窗體結構除了可作為建築物之景觀玻璃帷幕外，同時也能提供室內照明、情境照明等多種用途。

請參閱第4圖，在本發明另一實施例之多功能窗體結構中，前述第一、第二透明基板G1、G2分別為一具有梯形截面之楔形體，其中第一、第二表面G11、G21分別為前述楔形體之斜面。如第4圖所示，在第一表面G11與入射面G13之間形成有第一傾斜角α1，在第二表面G21與出光面G23之間則形成有第二傾斜角α2，其中入射面G13與出光面G23大致平行，且第一、第二傾斜角α1、α2的範圍係介於0.1~20度之間。

請一併參閱第5、6圖，其中第5圖表示太陽光的入射方向與入射面G13之間夾角θ由10度變化至170度之示意圖，藉此來模擬不同時間入射之太陽光對太陽能電池接收單元C集光效率的影響，其中第5圖所示之多功能窗體結構的預設面積為10cm×10cm，並且在第一表面G11處塗佈之螢光粉預設厚度為100um，此外間隔層D之空氣界質預設距離介於1~3mm，接著針對多功能窗體結構整體厚度分別在0.5cm、1.0cm以及1.5cm等三種情況下進行模擬。需特別說明的是，當多功能窗體結構整體厚度分別為0.5cm、1.0cm以及1.5cm時，其對應之第一傾斜角α1分別為2.86度、5.71度以及8.53度。

第6圖中的曲線T1、T2、T3分別表示當多功能窗體結構的整體厚度為0.5cm、1.0cm以及1.5cm時，太陽能電池接收單元C的集光效率隨著太陽光的入射角度改變而產生之對應變化情形。由第6圖中可以看出，太陽能電池接收單元C的集光效率最高甚至可達到18%以上，反觀傳統平板1cm厚度的帷幕玻璃之集光效率則幾乎小於2%以下，因此本發明之多功能窗體結構相較於傳統平板玻璃而言顯然具有較佳的集光效率。應了解的是，本發明之多功能窗體結構除了可提升集光效率外，入射光線仍有70~80%可穿透而到達室內，因此不會影響室內的採光。

接著請參閱第7圖，本發明另一實施例之多功能窗體結構主要包含一第一透明基板G1以及複數個太陽能電池接收單元C，其中第一透明基板G1大致呈四邊形結構(於第7圖中為矩形或正方形結構)，太陽能電池接收單元C則分別設置於第一透明基板G1的四個側邊，此外波長轉換層P可塗佈於第一透明基板G1的下方的第一表面G11以提升多功能窗體結構的集光效率。需特別說明的是，前述太陽能電池接收單元C也可以選擇性地僅設置在第一透明基板G1的任何一個或一個以上的側邊，如此同樣可具有集光之效果，此外可在透明基板G1四個側邊中的任何一個或是一個以上的側邊貼覆光源E，藉以提供光線作為室內照明或情境照明之用。

再請參閱第8圖，本發明另一實施例之多功能窗體結構係根據第7圖之結構再額外增設第二透明基板G2以及複數個光源E，其中第二透明基板G2大致呈四邊形結構(於第8圖中為矩形或正方形結構)，前述光源E則分別設置於第二透明基板G2的四個側邊，藉此可提升多功能窗體結構的整體亮度以作為室內照明或情境照明之用。需特別說明的是，前述光源E也可以選擇性地僅設置在第二透明基板G2的任何一個或一個以上的側邊，如此同樣可提供光線以作為室內照明或情境照明之用。如第8圖所示，第一透明基板G1下方的第一表面G11和第二透明基板G2上方的第二表面G21之間形成有間隔層D，藉由設置間隔層D可使第一、第二透明基板G1、G2之間相隔一距離，進而可達到阻熱、防曬以及隔音之效果。

綜上所述，本發明提供一種多功能窗體結構，可作為建築物或展示裝置之窗體，白天時可透過太陽能電池接收單元將電能儲存於電池模組內，在夜間或光線不足時則可透過電池模組驅動光源發光，以提供室內照明或情境照明等多種用途。具體而言，本發明之多功能窗體結構不僅能配合大樓帷幕玻璃結構而做成雙楔形體設計，同時可將空氣層建置於雙楔形玻璃內部以達到阻熱、防曬、隔音之效果，對現今提倡節能環保的綠色建築而言，本發明不僅充分發揮了節能減碳之功效，此外也能藉由改變螢光粉染料顏色以增加玻璃帷幕的藝術感與美觀，進而提升其實用性。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

B．．．電池模組

C．．．太陽能電池接收單元

D．．．間隔層

d．．．距離

E．．．光源

G1．．．第一透明基板

G11．．．第一表面

G12．．．第一側壁

G13．．．入射面

G2．．．第二透明基板

G21．．．第二表面

G22．．．第二側壁

G23．．．出光面

P．．．波長轉換層

S．．．間隔物

α1．．．第一傾斜角

α2．．．第二傾斜角

第1圖表示本發明一實施例之多功能窗體結構示意圖；

第2圖表示波長轉換層將太陽光之一部分入射波段轉換為太陽能電池接收單元之可吸收波段之示意圖；

第3圖本發明一實施例之多功能窗體結構與一電池模組結合之示意圖；

第4圖表示本發明另一實施例之多功能窗體結構示意圖；

第5圖表示太陽光的入射方向由10度變化至170度之示意圖；

第6圖表示太陽能電池接收單元的集光效率隨著太陽光的入射角度改變而產生對應變化之示意圖；

第7圖表示本發明另一實施例之多功能窗體結構示意圖；以及

第8圖表示本發明另一實施例之多功能窗體結構示意圖。

B．．．電池模組

C．．．太陽能電池接收單元

D．．．間隔層

d．．．距離

E．．．光源

G1．．．第一透明基板

G11．．．第一表面

G12．．．第一側壁

G13．．．入射面

G2．．．第二透明基板

G21．．．第二表面

G22．．．第二側壁

G23．．．出光面

P．．．波長轉換層

S．．．間隔物

α1．．．第一傾斜角

α2．．．第二傾斜角

Claims (21)

1. 一種多功能窗體結構，包括：一第一透明基板，具有一第一側壁、一入射面以及一第一表面，其中該第一側壁與該入射面鄰接，該第一表面則與該入射面形成一第一傾斜角；複數個太陽能電池接收單元，設置於該第一側壁上；一波長轉換層，設置於該第一表面上，其中太陽光由該入射面進入該第一透明基板，並透過該波長轉換層將太陽光之一部分入射波段轉換為該些太陽能電池接收單元之一可吸收波段，該可吸收波段的光線經過該第一透明基板內部多次反射後到達該些太陽能電池接收單元並被轉換成電能；一第二透明基板，具有一第二表面以及一第二側壁，其中該第二表面與該第一表面相對；複數個光源，設置於該第二側壁上；以及一間隔層，位於該第一表面和該第二表面之間，使得該第一、第二表面相隔一距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該波長轉換層由有機螢光材料所組成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多功能窗體結構，其中該有機螢光材料包括羅丹明(rhodamine)或駢苯(perylene)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該波長轉換層由無機螢光材料所組成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之多功能窗體結構，其中該無機螢光材料包括量子點材料CdTe或ZnTe。
6. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該間隔層含有空氣、氮氣或惰性氣體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之多功能窗體結構，其中該間隔層的厚度介於0.1mm~10mm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該第一透明基板形成一楔形體，且該第一表面為該楔形體之一斜面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之多功能窗體結構，其中該第一表面與該入射面之間所形成之該第一傾斜角介於0.1~20度之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該第二透明基板形成一楔形體，且該第二表面為該楔形體之一斜面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之多功能窗體結構，其中該第二表面與該入射面之間形成一第二傾斜角，且該第二傾斜角介於0.1~20度之間。
12. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該第二透明基板更具有一出光面，該些光源發射光線至該第二透明基板內，並透過該第二表面反射後經由該出光面射出該第二透明基板，且該出光面與該入射面大致平行。
13. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該些太陽能電池接收單元係選自矽基半導體材料、化合物半導體材料、碲化鎘以及銅銦鎵二硒所組成之族群。
14. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該些光源包括GaN、GaAs或AlGaN發光二極體。
15. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該多功能窗體結構更包括一電池模組，連接該些太陽能電池接收單元以及該些光源。
16. 如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構，其中該第二透明基板表面塗佈有抗反射膜、半反射半穿透薄膜、抗眩光膜或彩色濾光膜。
17. 一種建築物之窗體，包括如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構。
18. 一種展示裝置之窗體，包括如申請專利範圍第1項所述之多功能窗體結構。
19. 一種多功能窗體結構，包括：一第一透明基板，大致呈四邊形結構並且具有一入射面以及一第一表面，其中該第一表面與該入射面位於該第一透明基板的相反側；複數個太陽能電池接收單元，分別設置於該第一透明基板的四個側邊中之至少一側邊；一波長轉換層，設置於該第一表面上，其中太陽光由該入射面進入該第一透明基板，並透過該波長轉換層將太陽光之一部分入射波段轉換為該些太陽能電池接收單元之一可吸收波段，該可吸收波段的光線經過該第一透明基板內部多次反射後到達該些太陽能電池接收單元並被轉換成電能；一第二透明基板，大致呈四邊形結構並且具有一第二表面，其中該第二表面與該第一表面相對；複數個光源，設置於該第二透明基板的四個側邊中之至少一側邊；以及一間隔層，位於該第一表面和該第二表面之間，使得該第一、第二表面相隔一距離。
20. 如申請專利範圍第19項所述之多功能窗體結構，其中該第一透明基板呈矩形或正方形結構。
21. 如申請專利範圍第19項所述之多功能窗體結構，其中該第二透明基板呈矩形或正方形結構。