CN102449773B - 太阳能动力的可变的光衰减装置以及安排 - Google Patents

Abstract

一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括一个液晶单元，与该液晶单元处于电连通的一个光伏电池，以及一个聚光器，该聚光器具有一个光吸收表面以及一个光耦合到该光伏电池上的光发射表面。照射到该聚光器的光吸收表面上的至少一部分光被会聚并经过这个光发射表面引导到光伏电池的一个光子吸收部分上以生成一个电压。所生成的电压被用于响应于被引导向该光伏电池的太阳光来将该液晶单元从一种未通电的状态改变为一种通电的状态。

Description

太阳能动力的可变的光衰减装置以及安排

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年4月24日提交的美国专利临时申请序列号61/172,455、名称为“太阳能动力的可变的光衰减装置以及安排”的优先权以及任何其他利益，该申请的整个披露通过引用完全结合在此。

发明背景

窗户，诸如在商业与住宅建筑中使用的那些窗户，长期以来一直是一个能量损失源，并且因此它们与显著增加的能源成本是有关联的。尽管在过去三十年中为减少与窗户有关的能源成本做出了努力，但在2006年美国有估计2.7千兆BTU用来加热和冷却建筑的能量(在所估计的总共消耗的10千兆BTU中)归因于窗户，这个量大致相当于该国的全部战略石油储备。与窗户有关的能源效率低下包括在寒冷天气中通过窗户的热损失，在炎热天气中通过窗户的热增益，或两者皆有。

减少来自窗户的能源损失的许多技术在过去几年中已有开发。例如，如今的窗户能采用多层玻璃，采用高科技材料如在玻璃之间的气凝胶、以及低发射率(低-E)涂层来将热损失减少到最低。还有一些对红外光比对可见光的反射性更强的涂层。然而，即使采用了所有这些改进的窗户也仍有明显的能量损失。这是因为它们被设计为用于单一的气候而不能适应变化的天气条件。

相应地，对于可变的光衰减装置(诸如窗户)仍有需要，这些可变的光衰减装置能通过采用可使用太阳能将外部能耗最小化或消除的技术来使与常规的窗户有关的能量损失量减少或者最小化。这样的技术可通过调节太阳光透射量以将夏冬季之间的热增益差考虑在内而增加能源效率。

发明概述

本申请考虑到了用于通过一个光学装置(例如，窗户、滤光屏、遮阳板、眼镜或其他诸如这样的装置)提供可变的光衰减的多种装置、多种安排以及多种方法。根据本申请的一个发明方面，一种可变的光衰减装置可被配置成太阳能动力的，这样可减少或消除一个外部电源的使用，而同时提供能源效率以及其他与该光学装置的、自动的和/或选择性的可变衰减或者着色(或成为一种透明的(或低雾度的)状况亦或成为一种半透明的(或高雾度的)状况)有关的益处。

相应地，在一个示例性的实施方案中，一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括一个基于非偏振器的可变的光衰减液晶单元，与该液晶单元处于电连通的至少一个光伏电池，以及一个聚光器，该聚光器具有一个光吸收表面以及光耦合到该光伏电池上的一个光发射表面。该聚光器被配置成使得照射到其光吸收表面上的至少一部分光被会聚并经过其光发射表面被引导到该光伏电池的一个光子吸收部分上以生成一个电压。该光伏电池生成的电压用于响应于引导向该光伏电池的太阳光来将该液晶单元从一种未通电的状态改变为一种通电的状态。

在另一个示例性的实施方案中，一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括一个可电操作的光衰减层；具有一个光吸收表面和一个光发射表面的一个光聚集层；以及光耦合到该光聚集层的光发射表面上的至少一个光伏电池，这样使得照射到该光聚集层的光吸收表面上的至少一部分光经过该光发射表面被引导向该光伏电池的一个光子吸收(活性的)部分上。当被激活时，该光伏电池提供一个为该可电操作的光衰减层供电的电势以使其从一种未通电的高透射状态改变为一种通电的低透射状态。

在还另一个示例性的实施方案中，一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括至少一个光伏电池以及一个薄膜，该薄膜具有经过驱动电路与该光伏电池处于电连通的一个第一和一个第二导电层以及被安置在一种主体溶液中的一种第一染料，该主体溶液被安置在该第一和第二导电层之间。该第一染料被配置成当该光伏电池未向该第一和第二导电层供电时置于一种高光透射的取向，并且进一步被配置成当该光伏电池向该第一和第二导电层供电时置于一种低光透射的取向。该薄膜进一步包括一种第二染料，该第二染料被配置成吸收照射到该薄膜上的光的至少一个第一部分并且向该光伏电池部分地发射一种生成的光。该染料可被安置于该主体溶液中，或者安置于隔离该薄膜的客体-主体溶液的一个或两个相对的基片中。

在仍另一个示例性的实施方案中，一种可变的光衰减装置包括一个第一和一个第二导电层、一种液晶主体溶液以及分散在其中的一种客体染料用于形成置于该第一和第二导电层之间的一种客体-主体溶液、以及一个控制电路，该控制电路被配置成将一个可变电压提供给这些导电层。该染料被配置成当该电源电路未将一个电压提供给这些导电层时置于一种高光透射的、透明(低雾度)的取向、并且当该电源电路将一种第一驱动形式(例如一个第一电压)提供给该第一和第二导电层时置于一种低光透射的、透明(低雾度)的取向。该染料进一步地被配置成当该电源电路将一种第二驱动形式或一个第二电压提供给该第一和第二导电层时置于一种光漫射的、半透明(高雾度)的取向。

在仍另一个示例性的实施方案中，一种可变的光衰减装置包括一个第一和一个第二导电层、一种液晶主体溶液与分散在其中的一种客体染料用于形成置于该第一和第二导电层之间的一种客体-主体溶液、以及一个控制电路，该控制电路被配置成将一个可变的电压提供给这些导电层。该染料被配置成当该电源电路未将一个电压提供给这些导电层时置于一种低光透射的、透明(低雾度)的取向并且当该电源电路将一种第一驱动形式或一个第一电压提供给该第一和第二导电层时置于一种高光透射的、透明(低雾度)的取向。该染料进一步地被配置成当该电源电路将一种第二驱动形式或一个第二电压提供给该第一和第二导电层时置于一种光漫射的、半透明(高雾度)的取向。

在另一个示例性的实施方案中，一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括一个可电操作的光衰减层以及光耦合到该光衰减层上的至少一个光伏电池，这样使得照射到该光衰减层的一个外表面的光的至少一个第一部分被引导向对于该光衰减层的外表面而言向内的、该光伏电池的一个光子吸收部分。该光伏电池是与该可电操作的光衰减层处于电连通的并且是被配置成以供电来将该可电操作的光衰减层从一种未通电的高透射状态改变为一种通电的低透射状态。

所披露的还有通过使用上述装置来改变经过一个光学元件的光透射率的多种方法。在一个方面，该光学装置包括一个基于非偏振器的可变的光衰减液晶单元；电连接到所述液晶单元上的至少一个光伏电池；以及一个聚光器，该聚光器具有一个光吸收表面以及光耦合到该光伏电池上的一个光发射表面。该方法包括以下步骤：将照射到该聚光器的光吸收表面上的太阳光的至少一部分经过该光发射表面引导到该光伏电池的一个光子吸收部分上以生成一个电压；并且使用所生成的电压响应于被引导向该光伏电池的太阳光来将该液晶单元从一种未通电的高透射状态改变为一种通电的低透射状态。

附图简要说明

在以下参照附图所做的详细描述中，本发明的特征和优点将变得清楚，在附图中：

图1是在光电装置中使用的一个示例性液晶单元的一个截面正视示意图；

图2A是一个示例性的基于非偏振器的液晶装置的一个截面示意图，所示的装置处于一种未通电的、高光透射的、透明的(“明亮的”)状况；

图2B是图2A的装置的一个截面示意图，所示的装置处于一种通电的、低光透射的、透明的(“黑暗的”)状况；

图2C是一个示例性的基于非偏振器的液晶装置的一个截面示意图，所示的装置处于一种通电的、光漫射的、半透明的状况；

图3是一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意图；

图4是用于标识与发光的聚集器一起使用的发光染料的一些实例的表；

图5是与一个或多个光伏电池一起使用的一个示例性的发光的聚集器的一个截面示意图；

图6是带有一个聚光器的一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意图；

图7A是带有一个聚光器的另一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意图；

图7B是不带有聚光器的一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意图；

图8A是一种示例性的单层光聚集的太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意图；

图8B是在光电装置中使用的一个示例性的液晶单元的一个截面正视示意图；

图9是耦合到一个光伏电池上的一个示例性的聚光器的一个截面示意图；

图10是一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减系统的一个示意框图；

图11A是带有一种太阳能动力的可变的光衰减着色安排的窗户的一个示意图，所示的窗户处于一种低照明的状况；

图11B是图11A的窗户的一个示意图，所示的窗户处于一种强照明的状况；

图12A和图12B是一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减安排的示意性透视图；

图13A是组装到窗户的外表面上的一种太阳能动力的可变的光衰减装置的一个截面示意图；

图13B是组装到窗户的内表面上的一种太阳能动力的可变的光衰减装置的一个截面示意图；

图13C是组装到双窗玻璃窗户的内窗玻璃的外表面上的一种太阳能动力的可变的光衰减装置的一个截面示意图；

图13D是组装到双窗玻璃窗户的外窗玻璃的内表面上的一种太阳能动力的可变的光衰减装置的一个示意的截面图；并且

图14是用于与窗户组装在一起的一种太阳能动力的可变的光衰减装置套件的一个截面示意图。

披露的详细说明

在附图中示意性地示出的这些结构具有多个零件，这些零件是在装置权利要求中列举的这些元件的实例。所示出的这些结构因此包括本领域普通技术人员可以如何制作并使用所要求的发明的实例。在此所述的符合专利法规的赋能与最佳模式的要求，而无需施加在权利要求中未列举的限制。进一步，本详细说明仅对本发明的多个示例性实施方案进行描述而不旨在以任何方式限制权利要求的范围。事实上，所要求的发明宽于优选的实施方案并不受其限制，并且在权利要求中所使用的术语具有它们全部的普通的含义。

本申请考虑到了用于通过一个光学装置(例如，窗户，遮阳板或其他这样的光透射部件)来有效地控制光透射(或者光吸收/反射)量的多种装置、多种方法以及多种安排，例如，以提供一个令人希望的照明量或者允许或减少日照加热(如在建筑中)。

相应地，一种太阳能动力的可变的光衰减装置包括一个基于非偏振器的可变的光衰减液晶单元、以及经过一个控制电路与该液晶单元处于电连通的至少一个光伏(太阳能)电池。当光照射到该光伏电池上时，它生成一个电势来驱动该液晶单元从一种未通电的状态改变为一种通电的状态。该装置在通电和断电时可提供快速的响应时间，范围例如从少于1秒到少于100毫秒。

在一些实施方案中，该装置还包括光耦合到该光伏电池上的一个光聚集层，这样使得照射到该聚光器的光吸收表面上的光的一部分被会聚并且经过该聚光器的一个光发射表面被引导向该光伏电池的一个光子(光)吸收(活性的)部分上以生成驱动该液晶单元所需的电势。一种这样的安排允许这些光伏电池围绕该设备外围以一个阵列布局，使得这些光伏电池的光子吸收(活性的)部分面向该设备的这些边缘表面。由于该聚光器层的光集中特性(将在下文详细描述)，这还可增强该安排的效率。

在一些实施方案中，在此描述的这些装置可包括一个控制电路，该控制电路能被配置成用于各种功能。一种功能是将该光伏电池生成的直流电(DC)转换为交流电(AC)用于操作该液晶单元。它可任选地包括一个电池类的存储单元以存储由该光伏电池生成的能量以便后续使用(给该液晶单元亦或一些其他装置供电)。如有需要，例如当由该光伏电池提供的电能不充足时，该控制电路还可包括一个外部电源。该控制电路可被配置成响应于由该光伏电池生成的电压或电流来对经过该液晶单元的光的透射率进行自动控制，它本身是由该光伏电池检测到的外部光的量的一个函数。替代性地或者附加地，该控制电路可包括一个用户界面，以让用户完全地或部分地控制该光衰减层的光透射率的量(例如着色)，或者提供上述自动的与用户控制的配置的一种组合。该控制电路能被配置成：控制该液晶单元对该光伏电池的输出变化的响应，和/或设置对于该液晶单元的通电和/或未通电状态的阈值水平，自动地亦或如由最终用户所设置地。该控制电路可包括各种其他部件，如一个电压升压电路(例如电压倍增器)，以及用于建筑内环境光的一个传感器(例如不管外面太阳光有多亮都使得该设备不会变暗超过某一点，或者提供其他取决于内部光的量的类似调整)。

在一些实施方案中，这些光伏电池可被利用来给一个可变的光衰减装置进行完全供电，这样使得不需要额外的外部电源(例如来自一个电力网)即可操作该装置。在一些实例中，这样的装置的液晶单元在一种不通电的状态下是明亮的并且在一种通电的状态下是着色的或黑暗的，从而允许响应于太阳光的较大强度而使用多个光伏电池自动地使该装置变暗(例如，使眩光或太阳能过度加热作用最小化)并且提供一种“无法明亮”的状态(例如，在缺乏足够的太阳能时)。因为这些优点，该示例性的、二色性的、客体-主体式的、可变的光衰减液晶单元能够提供有效的、可电子控制的、可变的透射率，而无需任何外部电源。

在此描述的这些装置还可用于能源效率增益(例如，在较温暖的天气中减少进入建筑中的太阳辐射的透射，而在较冷的天气中增加太阳辐射的透射)同时避免增加与运作该装置有关的能源成本。这样的一个装置可有助于一种“零能源建筑”的设计，其中在建筑内利用的所有能源都是源自在该建筑场所产生的可再生能源或由其进行补充。

虽然本申请主要描述了与建筑窗户(例如，在住宅、商业、工业或温室的应用中)一起使用的、太阳能动力的可变的光衰减装置的用途，但在此所述的发明特征也可应用于其他类型的光透射的应用，例如，包括交通工具(包括飞机与汽车)窗户以及顶棚、眼镜、护目镜与帽盔遮阳板。相应地，这些装置可作为窗户、顶棚等的一个整体部分来制造，亦或可应用于已存在的窗户/顶棚(如下文所述)中。并且，虽然本申请主要描述了使用光伏或太阳能电池对可变的光衰减光电装置供电，例如像一个基于非偏振器的液晶单元的安排，但在此所述的发明特征也可用于在太阳能电池中生成并存储电能从而用于其他电应用，例如，包括存储能量以便转换为光能或热能、或者为其他电子装置供电。

该可变的光衰减液晶单元可包括被配置成具有变化的透射程度的多种混合物。通电与未通电状态之间的差异被称为透射调整值(或者“透射摆幅(transmission swing)”)。在一些实施方案中，该混合物具有85％-5％或在其之间的任何数目的透射摆幅，例如75％-10％、70％-30％、60％-15％等，或者一些其他适合的透射摆幅。在一些实例中，这种透射以最少的能量即可在一种明亮的透明状态(例如85％，80％，75％，70％，65％，60％，55％，50％或者任何在其之间的数目的高的光透射率)与一种黑暗的或着色的状态(例如5％，10％，15％，20％，25％，30％，35％或40％或者任何在其之间的数目的低的光透射率)之间改变。可以选择这些二色性的染料来提供与供给这些导电层的电压成比例的一个透射水平，这样产生较高电压的较大光强度将导致一个较低的光透射水平。可以选择这些二色性染料来提供任何所希望的颜色，例如，包括中性色、棕色、蓝色与金色、或者这些颜色的组合以提供任可所希望的色调。可以选择该液晶的主体来提供大的介电各向异性(正电的或负电的)、双折射调谐、宽的工作温度、与各种添加物的兼容性以及对产品规格的稳定性。用在二色性的、客体-主体式的、可变的光衰减液晶单元中的液晶材料种类的实例包括来自Merck的MLC-6609和ZLI-4788液晶材料。

可利用许多不同的生产方法来制造薄膜，包括与窗户或其他光透射装置一起使用的、二色性的、客体-主体材料液晶单元技术。在一个实例中，可利用一种基于薄板的滚对滚系统来涂敷并固化(如有必要)每层或涂层，以产生待施用在窗户或其他装置上的、层叠式的或塑料的薄膜。

图1中呈现了采用多种二色性的染料的(如在此所考虑的)一种二色性的、客体-主体式的可变的光衰减液晶单元的一个实例。可变的光衰减液晶单元50包括间隔开的、相对的透明基片50A和50B，其中每个基片提供相应的透明导电层52A和52B，这些导电层典型地是由铟锡氧化物、导电聚合物或其他适当的导电材料形成的。导电层允许跨过这些基片之间的间隙施加一个电压。这些基片可以是例如平的、弯曲的、或双摺弯曲的，以供各种不同形状的光透射部件使用。用于这些基片的材料可以是玻璃、或一种柔性的或刚性的塑料材料。如果有必要，可以将一个对准层54安置在每个导电层上或者仅在这些导电层之一上。这些对准层能对齐临近这些对准层的液晶分子，其中这些分子是在这些基片之间容纳的液晶材料的一部分。如在本领域中众所周知的，一个间隙典型地被提供在这些基片之间并可由多个间隔件(未示出)来维持。相应地，这些相对的基片50A、50B形成了一个间隙56，该间隙容纳液晶或其他电光材料(诸如一种电致变色材料)与多种二色性的染料58的一种混合物。

可围绕或环绕液晶单元50的外围提供一个边缘密封件60，以在这些基片之间保持该液晶-染料的混合物材料。在一些实施方案中，一个或两个基片包括玻璃或塑料(例如，聚碳酸酯、PET、TAC或其他光学级聚合物材料)。在其他的实施方案中，可临近于基片50A和50B中的一个或两个来固定或放置一种足够刚性的载体64。在一个这样的实施方案中，在聚碳酸酯或一些其他的光学材料中提供例如厚度在1到7毫米之间的刚性载体64。

每个导电层52被连接到一个控制电路59上，该控制电路典型地包括一个驱动电路、一个电源和一个激励器。该控制电路以一种适当的方式施加一个电压和/或电压波形以改变该液晶材料的取向。通过改变该液晶材料的取向，可得到各种光学特性，例如吸收、不吸收、高透射、低透射、光散射(半透明的)以及在其之间的多种状态。图2A和图2B中示意性地示出了这样一个实例，其中二色性的染料75与液晶主体材料76在未通电的状况下基本垂直于基片77(图2A)，由此导致最大的光透射，而在完全通电的状况下基本平行于基片77(图2B)，由此导致最小的光透射。在第三种状态中，如图2C所示，当处于通电状况下时二色性的染料75是随机安排的，由此导致光散射或带有更高雾度的一种半透明状态。可替代地，可通过对对准层与液晶介电各向异性的适当选择来配置该装置，这样使得图2B表示未通电的状态而图2A演示通电的状态。为了便于描述的目的，该光学元件的不同状态可被称为在允许最大量的光通过的情况下的“明亮的”状态、或在允许最小量的光通过的情况下的“黑暗的”状态，或者处于完全明亮或完全黑暗的状态之间的任何状态。该吸收可以是宽谱带的(即跨过整个可见光谱来吸收)或者跨过可见光谱的一个选定的谱带或区域。附加地或替代性地，该光学元件可提供针对紫外光的保护。

另外地，如图2C所示，一种客体-主体溶液可被配置成：例如通过将一种不同的电驱动方案提供给这些导电层以导致染料75和液晶主体材料76的液滴大小的一种取向，响应于提供给导电层77的一个分离的电信号来提供附加于上述透明状态范围的、或代替黑暗状态的一种半透明状态(例如，“有霜式的”或“稳私玻璃”)。在一个这样的实施方案中，一个控制电路可被配置成自动地亦或通过对该控制电路的用户操作而供给这种不同的电荷(例如，一个第二电压)，从而允许用户有选择地将该光衰减装置改变到该半透明的状态。

在一个实施方案中，用在该光学元件中的、可变的光衰减液晶单元被配置成当没有跨过这些液晶施加电压时使得它恢复到明亮的状态，因此防止了该单元在着色的或变暗的(低透射)状况下出故障。该可变的光衰减液晶单元的另一个显著特征在于该单元并未利用偏振器，这些偏振器在明亮的状态下会减少该装置的光透射。

在美国专利号6,239,778、6,690,495和7,102,602以及共同未决的美国申请公开号2008/0013000中更为详细地描述了二色性的、客体-主体式的、可变的光衰减液晶单元的实例以及采用这些单元的应用，其整个披露通过引用结合在此。另外地，在此以及以上所结合的引用中所说明的二色性的、客体-主体式的、可变的光衰减液晶单元中可采用许多不同类型的二色性染料。

图3示意性地示出了一种太阳能动力的、可变的光衰减装置80。如所示，装置80包括一个可电操作的、可变的光衰减层82，该光衰减层经过一个控制电路86与一个或多个光伏电池84处于电连通。在一个实施方案中，光伏电池84可被放置为使得这些光伏电池84的光或光子吸收部分85面向外(即，面向太阳光)。在这样的一个实施方案中，光伏电池84可被提供在可变的光衰减层82和控制电路86之上、上方、附近或与其远离(但仍与其是电连接的)。在光伏电池84邻近光衰减层82的情况下，照射到光伏电池84上的光强度L总体上与照射到光衰减层82上的光强度S是一致的。其结果是，在更大强度太阳光的条件下(即，更大的电势用于过度的眩光和/或太阳能过度加热)，可由光伏电池84将一个更大的电压供给光衰减层82，这样使得该光衰减层通电而达到一种低透射的或变暗的状态。在低(或无)太阳光的条件下，由光伏电池84将低(或无)电压提供给光衰减层82，导致一种明亮的(未通电的)或近似明亮的(最低程度通电的)状态。

虽然装配有太阳能动力的可变的光透射装置的多个光伏电池可被放置为使得这些光伏电池的光子吸收部分面向外(即，面向太阳光)，但在其他的实施方案中，根据本申请的一个发明方面，一种太阳能动力的可变的光衰减系统可采用被配置成间接地收集所聚集的太阳辐射的多个光伏电池，例如以便使太阳辐射的收集最大化以转换为电荷，同时减少了这些光伏电池的光吸收部分的面积(以及这些表面的真空涂层)，从而减少了系统的制造及维护成本。作为太阳能电池尺寸减小并间接定位的额外优点，太阳能电池例如可免于被看到或者可覆盖采用这些太阳能电池的物体或结构的更小的外部表面积，以便改进美学效果或使太阳能电池受到损坏的风险降至最低。在一个实施方案中，可利用一个聚光器来将太阳光集中和/或重定向到一个光伏电池上，该光伏电池具有并非直接面向太阳光的一个光子吸收部分。在一个示例性的实施方案中，窗户或窗户附件可包括一个光聚集层，该光聚集层具有一个或多个反射器(例如，一个光导管)，这个或这些反射器被放置为使照射的太阳光的至少一部分被引导向安置于窗户或窗户附件之上或附近的一个或多个光伏电池上。

在一个这样的实施方案中，一个光学装置的光聚集层或聚光器可包括一个发冷光的太阳能集中器，该发冷光的太阳能集中器将入射的太阳光转变为处于与光伏电池更相兼容的(或能让其更有效吸收的)多个波长的冷光辐射。“聚集”或“聚集器”意味着照射到一个面积上的一个或多个波长的光被反射、重新发射、或以其他方式被重定向到一个相对较小的面积上。这样可允许使用较小的光伏电池，从而可提供成本上的节省并容许不那么突兀地使用光伏电池(例如，将这些光伏电池沿窗户或窗户附件的边缘布置)。虽然可采用许多不同的发冷光的太阳能集中器，但在一个实施方案中，一个光透射层包括选定的多种发光染料以便主要吸收蓝色到紫外光(波长小于500纳米)或高能量光子并且主要发射红色到红外光(波长大于600纳米)或低能量光子以便通过这些光伏电池进行更为有效地收集。通过吸收并发射主要是可见光谱(400纳米-700纳米)之外的辐射，更多的可见光穿过这些层(很少或没有被重定向到这些光伏电池)并且可保持对窗户或窗户附件的一种中性色调(即，将任何冷光的“辉光”减到最少)。在该替代方案中，也可将在红色区域中的一些光引导到这些光伏电池上以给予窗户一种令人希望的蓝色调。为了协助将所发射的光引导向这些光伏电池，这些发光染料可被配置成按如下方式定向，即使得所发射的冷光的一个重要部分横向向外地被引导(或“波导”)向该光透射层的一个边缘以便由这些光伏电池进行收集。适合的发光染料在本领域中是皆知的并可用在该聚光器层中。在图4中标识了发光染料的一些实例。在授予Mapel等人的美国专利申请12/353,459(公开号：2009/0235974)中描述了聚光器的实例。

图5示例性地示出了一个发冷光的聚集器150，该集中器用于吸收经过一个光吸收表面的太阳光并且经过一个光发射表面发射冷光L并将其引导向一个或多个光伏电池154，这个或这些光伏电池光耦合到聚集器150的一个或多个边缘151上。在所阐述的实施方案中，该光发射表面基本垂直于该光吸收表面。在其他的实施方案中，该光发射表面可相对于该光吸收表面以不同的角度安置，例如，包括处于一种共面的关系。该示例性的发冷光的聚集器包括多种光转换的材料、诸如发光染料155(例如，磷光或荧光染料)，这些材料被定向为既吸收穿过其光吸收表面156的太阳辐射且还向其光发射表面158和光伏电池154发射冷光。可选择发光染料155使其包括主要在光谱的蓝色与红色区域(在此区域人眼明视较不敏感)的一个吸收光谱，以对窗户(或其他光透射装置)提供一种中性色调。附加地或替代性地，可选择发光染料使其主要吸收紫外光以及一小部分的可见光谱(例如，可达到约10％)并且发射红色/红外光，由此对用于功率转换的太阳能电池的峰值效率进行匹配以便通过太阳能电池进行更有效地收集。在该替代方案中，也可将在红色区域中的一些光引导到这些光伏电池上以给予窗户一种令人希望的蓝色调(例如，吸收了波长大于580的光)。还可针对稳定性来选择该发光染料，这样使得它能够持续若干年而不会降解或影响性能。一个实例是苝染料，它们的UV稳定性是皆知的，它们的制造商BASF保证某些类别的苝染料可持续10年。同样地，该安排可采用多个染料敏化的光伏电池，以更有效地转换发光辐射。

这些发光染料可分布在任何适合的载体(例如，溶剂和聚合物)中将这些用于吸收太阳辐射并发射转换后的冷光的染料定位。在一个实施方案中，可使用一个液晶薄膜作为载体来对这些发光染料的吸收与发射偶极进行定向以获得最大效率。在常规的单元配置中，该液晶可包括多种低分子量的材料。在另一个实施方案中，一种聚合物的液晶单元可向所发射的光提供波导。在一些实施方案中，如图6所示，一种太阳能动力的可变的光衰减装置160配备有一个薄膜、嵌板、或其他具有一个光衰减层164的这种安排165(该光衰减层与光聚集层162光耦合)，这样使照射到光聚集层162上的至少一部分的光也照射到光衰减层164上。这些层162和164可以(但不是必须的)堆叠的或相互邻近放置的，或者可由一个间隙或由一个透明的中间部件来隔离开。

在图6所示的实施方案中，光聚集层162对于光衰减层164是向外放置的，这样使得与光聚集层162光耦合的一个或多个光伏电池163收集了未穿过光衰减层164的光的一部分。这样可保证由这些光伏电池收集更大量的太阳能，这是因为由光伏电池163所收集的太阳辐射的量(包括由发光染料转换为冷光的太阳辐射)并没被光衰减层164减少。这样可允许以超过运作光衰减层164所需的一个量来收集太阳能，例如，这些太阳能可存储在一个或多个蓄电池166中供后续使用，或用于运作光衰减层164，亦或用于为一个或多个其他可电操作的装置(诸如一个用户界面，例如，一个显示器以及多个选择器)供电。

在另一个发明的实施方案中，如图7A所示，一个可变的光衰减装置170可包括一个光聚集层172以及多个光伏电池173，这些光伏电池对于一个光衰减层174是向内放置的，这样使得由光伏电池173所收集的任何光首先穿过光衰减层174。这种安排可保证衰减的一种“平衡状态”，它可自动地保持一个固定的透射率(即，是可自调整的)。随着在光衰减层174上的太阳光的强度S增加，穿过光衰减层174到达光伏电池173(经由光聚集层172)的太阳辐射也增加，并且光伏电池173可被配置成自动地对光衰减层174提供一个电压以使色调变暗(即，减少光的透射)。随着光衰减层174变暗，一个减少了的太阳辐射的量到达光伏电池173，由此减少了对光衰减层174提供的电压。其结果是，光衰减层174将达到一个平衡状态，在该平衡状态中以最小的浮动保持了一个令人希望的色调水平，并且可避免从这些光伏电池到光衰减层的电压的供给过剩。虽然装置170可包括用于将所聚集的光引导到光伏电池173上的一个光聚集层172，但在另一个实施方案中，如图7B所示，一个可变的光衰减装置170a可能未配有聚光器、配有对于光衰减层174a是向内放置的光伏电池173a用于直接收集太阳辐射S。

在还另一个实施方案中，可将一个光衰减层与一个光聚集层替换为能同时执行这两个功能的一个单一层。在一个这样的实施方案中，如图8A所示，一个太阳能动力的可变的光衰减装置180可包括具有一种主体溶液181的至少一个液晶单元185，该主体溶液带有第一组染料182(例如，多种发光染料)用于转换和/或引导太阳光以便通过一个光伏电池183来进行吸收、以及第二组染料184(例如，多种二色性的染料)用于响应于提供给第一和第二导电层186的电压来改变装置180的色调。发光染料182可以，但不是必须，被配置成响应于提供给这些导电层186(它们是由主体溶液181隔离开的)的电压来改变取向。

在另一个实施方案中，一个光聚集层可被集成到或嵌入到一个或多个液晶单元基片中。在这种安排的一个实例中，如图8B所示，一个太阳能动力的可变的光衰减装置280可包括具有两个基片282A和282B的至少一个液晶单元281，其中一个或两个基片包括或结合了第一组染料284(例如，多种发光染料)。单个的液晶单元281还包括安置于每个基片上的导电层285A和285B、以及安置于两个导电层285A和285B之间的一种主体溶液286和第二组染料287(例如，多种二色性的染料)。在这种安排中，第一组染料284被用于转换和/或引导太阳光以便通过一个光伏电池288进行吸收。在该主体溶液中的第二组染料287可以被配置成响应于提供给这些导电层285的电压来改变取向。

配有一个聚光器的多种发光染料可被定向以便既优化太阳光的吸收还优化向这些光伏电池的冷光发射。例如，这可以通过在一个液晶薄膜或电池中分散该染料来完成。如图5所示，这些发光染料中的至少一些可以以相对于该光透射层的表面的一个角度α来取向(例如，45°)，这样使得所发射的冷光L的一个重要部分横向向外地被引导(或“波导”)向这个或这些光伏电池154。在一些应用中，更有助于向光伏电池154发射冷光的、染料155的一种取向(即，相对于光伏电池154接近平行地，或者处于接近90°的角度α)可能不太有助于通过染料155来吸收入射的太阳光S。相反地，可能有助于通过染料155吸收太阳光S的、染料155的取向(即，相对于光伏电池154接近垂直地，或者处于接近0°的角度α)可能不太有助于向光伏电池154发射冷光L。在本申请的一个示例性的实施方案中，这些发光染料可被提供在一个液晶单元中，该液晶单元被配置成对于一个基态吸收偶极矩提供一个低的定向引导子(director)，以及对于其激发态的发射偶极矩提供一个高的定向引导子。为此，可选择在吸收与发射矩之间的序参量(orderparameter)中显示出这样一种不对称的一种发光染料。

如上所述，由这些光伏电池对光的间接的、集中的收集允许了多种太阳能动力的可变的光衰减系统，在这些系统中这些光伏电池的光子吸收部分面向多个方向而不是向外对着太阳光(或其他光源)。如图5所示，所聚集的太阳辐射(包括来自染料155的、所转换的冷光)可被反射或“波导”向该装置的一个或多个边缘，以便通过具有多个光吸收部分(面向该装置的这些边缘)的一个或多个光伏电池进行收集。在另一个实施方案中，如图9所示，所聚集的太阳辐射S(包括所转换的冷光)可被一个反射器197(例如，一个光导管的内反射表面)向外反射回到聚光器192的一个外表面198，这样放置这些光伏电池193以使光吸收部分199面向聚光器192的外表面198。这样可允许光伏电池193被例如窗框或外墙面覆盖物在外部掩盖或遮蔽起来，以提高该安排的美学外观(例如，以便与建筑物窗户一起使用)。可采用在本领域中皆知的各种类型的反射器，包括例如多个内反射的光导管(该光导管可以，但并非必须，提供全内反射)，这些光导管可提供一个或多个反射部分用于将光波导或引导向这些光伏电池。

图10示出了一种示例性的太阳能动力的可变的光衰减的系统100的一个示意框图，该系统包括一个光学重定向的和/或集中的部分101，该光学重定向的和/或集中的部分被配置成对太阳光S的一个部分L进行重定向和/或集中以便通过多个光伏或太阳能电池102进行收集，太阳光S的一个第二部分被引导到一个可变的光衰减器(例如，液晶单元)103上。太阳能电池102从所收集的光子或辐射中生成一个电流以输送给一个控制器104，该控制器可被配置成选择性地或自动地将该电流的至少一部分提供给液晶单元103用于将该液晶单元通电来产生一种较暗的色调，这样使液晶单元103的着色可与照射到光学重定向的和/或集中的部分101上的太阳光强度或量S成比例。在一些实施方案中，控制器104通过调节提供给该单元的电压量(例如施加在单元的电极上，将在下文更为详细地讨论)来调整到液晶单元103的光的透射。另外地，系统100可包括与充电电路(未示出，它与控制器104相关联)处于电连通的一个存储电池105(例如，一个电池组或一个所谓的超级电容器)，以存储由光伏电池102生成的电荷的至少一部分(例如，供后续用在为液晶单元103或其他可电操作的装置供电中)。并且，系统100可进一步包括与控制器104处于电连通的一个用户界面106，用于选择性地调整可变的光衰减的液晶单元103例如以便响应于由光伏电池102供给的电荷来取代(override)自动的着色。系统100可被配置成附接到一个光透射部件107上或包括该部件，例如像窗户玻璃，透镜，或遮阳板。

现在参见图11A和图11B，一种示例性的太阳能动力的光衰减装置110包括至少两个薄膜120和130或其他这样的层：一个集中光的外薄膜120(“外”是在太阳光穿过薄膜130之前先穿过薄膜120的这个意义上)以及一个内薄膜130，该内薄膜包括对于外薄膜120的一个内表面是向内的一个可变的光衰减液晶单元。该装置进一步包括一个或多个光伏电池140，这个或这些光伏电池对于外薄膜120是横向向外的并且与液晶单元130处于电连通(例如，使用布线，迹线，引线或其他这样的控制电路144)。在低光的条件下，如图11A所示，示例性的外薄膜120允许太阳光S到达液晶单元30的一种更大的透射，这进而许可太阳光穿过未通电的(或最低程度通电的)、并因此是明亮的或最低程度着色的液晶单元130的一种更大的透射。在强太阳光的条件下，如图11B所示，外薄膜120使太阳辐射的一部分重定向到这个或这些光伏电池140(例如，经过多个发光的转换器和/或经过多个反射部分，如图5和图9所示)。这个或这些光伏电池140收获或收集太阳辐射来生成电荷。电荷的至少一部分被传送(直接地或间接地)到可变的光衰减的液晶单元130以使该液晶单元通电并变暗、并且减少通过窗户的光透射。在一些实施方案中，变暗的液晶单元130可减少通过嵌板的太阳光的透射。

图12A和图12B示出了一种太阳能动力的光衰减装置200的一个示意性的实例，该装置包括一个在外的集中光的或导送光的嵌板或薄膜220，一个可变的光衰减的液晶单元230，光耦合到光聚集层220的边缘上的一系列太阳能电池240，以及将太阳能电池240电连接到液晶层230上的一个控制电路250。虽然控制电路250可以在任何适合的位置被放置在窗户安排200之上或附近，但在所阐述的实例中，控制电路250被固定于光导送层220与液晶单元230的相邻边缘上。控制电路250可将由光伏电池240供给的直流电(DC)转换为有待供给到液晶单元230的一个交流电(AC)信号(例如，以避免电荷迁移)。在一个实例中，控制电路250可包括一个低频方波发生器，它可以以少至三个表面安装扁平部件(surface mount low profilecomponents)一起工作，例如，带有一个电阻器与一个电容器以用于频率设置的非稳态多谐振荡器。另外地，一个用户可操作的控制器(未示出)可被电连接到控制电路250上用于选择性地控制液晶单元230以例如取代该液晶单元的自动着色(或去着色)。

可将许多不同类型的光伏(太阳能)电池用于窗户或窗户附件中以间接地收集太阳的和/或冷光的辐射。作为实例，垂直多结(VMJ)的太阳能电池可用一个相对小的电池尺寸来提供一个相对高的电压输出。还可采用在本领域中皆知的、另外的示例性的太阳能电池技术。

上述发明特征可被结合在采用各种配置与安排的建筑物窗户中。作为实例，一种太阳能动力的可变的光衰减装置可例如通过将装置300a(例如，通过层叠作用)固定到窗户301a的一个外表面(见图13A)，或通过将装置300b固定到窗户301b的一个内表面(见图13B)，或通过将装置300c和300d固定到双窗玻璃窗户301c和301d的窗玻璃308c-d和309c-d之间(见图13C和图13D)而建造到窗户中。装置300a-d可被配置成具有对于可变的光衰减器是向外放置的一个聚光器(例如，用于通过一个光伏电池来收集增加的太阳能)，如图6、图11A、图11B和图12所示并如上文所述。可替代地，装置300a-d可被配置成具有对于聚光器和太阳能电池是向外放置的一个光衰减器，如图7A所示，或者仅对于一个太阳能电池是向外放置的，如图7B所示(例如，用于对该光衰减器与减少的电压产生进行自调节)。

在另一个实例中，一种太阳能动力的、收集和可变光衰减的液晶单元的安排可作为一个嵌板或套件而提供，用于以图13A至图13D的任何配置在一个现有的窗户上进行售后安装(例如，翻新)。在一个这样的实例中，结合有在此描述的这些装置的一个层叠式嵌板可在该薄膜或嵌板的一些或所有内表面上配有一种粘合剂，用于将该嵌板粘附在窗户上。可替代地，如图14示意性地所示，一个嵌板或套件340可包括一个外凸缘341，该凸缘至少部分地包围一个光集中薄膜342和一个可变的光衰减的液晶单元344，凸缘341被配置成例如通过一种粘合剂或多个机械紧固件而被紧固(直接地或间接地)到窗户350或窗框上。在这样的一种安排中，该外凸缘可提供额外的厚度用于支撑相关的电子件，诸如光伏电池343和/或控制电路345。该凸缘可用任何适合的材料来提供，包括例如一种弹性体或泡沫材料。并且，如上述所讨论的，该套件可配有对于该光集中薄膜是向外放置的光衰减液晶单元(如图3所示)、未配有一个光集中薄膜(如图3和图7B所示)、或者配有既执行光集中又执行光衰减功能的一个单一的层或单元(如图8所示)。

进一步地，应当理解的是，多种光学元件可与使用了在本申请中描述的一个或多个发明特征的多种装置与结构的多个光透射部分组装到一起。例如，这样的发明特征可用于窗户以及车辆或飞机中的顶棚，还能用于诸如保护性的或增强视觉的护目镜或眼镜或其他保护眼睛的防护装置(诸如帽盔遮阳板)的多种装置中。

虽然这些发明的不同的发明方面、概念以及特征在此可能是作为在示例性实施方案中实现的组合而描述和解说的，但这些不同的方面、概念以及特征可单独地亦或以其不同组合及子组合的方式用于许多替代实施方案中。除非在此明确排除在外，否则所有这样的组合与子组合均旨在处于本发明的保护范围之内。仍进一步地，虽然可能在此对这些发明的不同方面、概念以及特征(诸如替代的材料、结构、配置、方法、电路、装置以及部件，如对形状、配合以及功能的替代方案等等)的各种替代实施方案进行了描述，但这样的描述并不旨在成为可用的替代实施方案(无论是目前已知的或以后开发的)的一个完整的或穷尽的清单。本领域中的普通技术人员可以很容易地将这些发明方面、概念或特征应用到另外的实施方案和用途中，并且即使这样的实施方案并未在此明确地披露但仍在本发明的保护范围之内。此外，虽然不同的方面、特征以及概念可在此明确地识别为是有属于本发明的或形成一个发明的一部分，但这样的识别并不旨在是排他性的，而是在此完全描述的发明方面、概念以及特征有可能不会被明确地识别为如此或一个特定发明的一部分。

Claims (20)

1.一种太阳能动力的可变的光衰减装置，包括：

一个基于非偏振器的可变的光衰减液晶单元，其包括含有液晶主体和二色性染料客体的客体-主体溶液；

一个与该液晶单元处于电连通的光伏电池；以及

一个聚光器，该聚光器具有一个光吸收表面以及一个光耦合到该光伏电池上的光发射表面，其中该光发射表面相对于该光吸收表面以不同的角度设置；

一个控制电路，其被电连接到该液晶单元并且被配置成向该液晶单元供应可变电压；

其中照射到该聚光器的光吸收表面上的至少一部分光朝向该光发射表面横向地被波导并经过该光发射表面引导到该光伏电池的一个光子吸收部分上，以响应于被引导朝向该光伏电池的太阳光而生成一个电压；

其中该二色性染料被配置成当第一电压被供应给该液晶单元时处于无吸收的高光透射取向，并且当第二电压被供应给该液晶单元时处于高吸收的低光透射取向。

2.如权利要求1所述的装置，其中该聚光器被安置成对于该液晶单元是向外的，这样使得至少一部分的光在照射到该液晶单元上之前就照射到该聚光器的光吸收表面上。

3.如权利要求1所述的装置，其中该液晶单元被安置成对于该聚光器是向外的，这样使得至少一部分的光在照射到该聚光器的光吸收表面上之前就照射到该液晶单元上。

4.如权利要求1所述的装置，其中该聚光器包括一种发光染料，该发光染料被配置成吸收处于一个第一波长的光并发射处于不同于该第一波长的一个第二波长的光。

5.如权利要求1所述的装置，其中该聚光器的光发射表面是在该聚光器的一个边缘表面上，该聚光器的光发射表面垂直于该光吸收表面，并且该光伏电池的光子吸收部分面向所述边缘表面。

6.如权利要求4所述的装置，其中该发光染料被分散在所述液晶主体溶液之中。

7.如权利要求4所述的装置，其中该液晶主体溶液被安置在两个透明的基片之间，并且其中该发光染料被安置在所述透明的基片之一或二者之中。

8.如权利要求1所述的装置，其中当该第二电压为零时该二色性染料处于高吸收的低光透射取向，并且该控制电路响应于该光伏电池生成的电压将该第一电压供应给该液晶单元以将二色性染料配置为处于无吸收的高光透射取向。

9.如权利要求1所述的装置，其中当该第一电压为零时该二色性染料处于无吸收的高光透射取向，并且该控制电路响应于所述第二电压将该第二电压供应给该液晶单元以将二色性染料配置为处于高吸收的低光透射取向。

10.如权利要求1所述的装置，其中该二色性染料被配置成提供与供应给该液晶单元的该可变电压成比例的光透射水平。

11.如权利要求1所述的装置，其中该控制电路被配置成执行以下各项中的至少一种：

(a)响应于该光伏电池生成的电压来自动地调整通过该装置的光透射；

(b)响应于该控制电路的一种用户操纵来控制通过该装置的光透射；并且

(c)自动地或如由用户所设置地设定针对该液晶单元的通电状态或未通电状态的阈值水平。

12.如权利要求1所述的装置，其中该控制电路被配置成执行以下功能中的一种或多种：

(a)响应于该光伏电池生成的电压来自动地控制通过该液晶单元的光的透射率；

(b)提供一个用户界面，从而让用户完全或部分地控制通过该液晶单元的光透射率的量值；

(c)控制该液晶单元对该光伏电池生成的电压的改变的响应；

(d)自动地或如由用户所设置地设定该液晶单元的通电状态的一个阈值水平；并且

(e)自动地或如由用户所设置地设定该液晶单元的未通电状态的一个阈值水平。

13.如权利要求1所述的装置，该装置被配置成可附接在一个窗户上以改变通过所述窗户的光透射量。

14.如权利要求1所述的装置，其中该聚光器包括至少一个反射器。

15.如权利要求1所述的装置，其中该聚光器包括一个光导管，该光导管通过全内反射来引导并发射光。

16.一种基于非偏振器的可变的光衰减装置，包括：

液晶单元，其包括第一和第二导电层以及

一种主体溶液和分散在其中的一种客体二色性染料，用于形成被安置在该第一和第二导电层之间的一种客体-主体溶液；以及

一个控制电路，该控制电路被配置成将一个可变电压提供给该第一和第二导电层；

其中该染料被配置成当该控制电路将第一电压提供给该第一和第二导电层时处于一种高光透射的、透明的取向；

进一步地，其中该染料被配置成当该控制电路将第二电压提供给该第一和第二导电层时处于一种低光透射的、透明的取向；并且

进一步地，其中该染料被配置成当该控制电路将第三电压提供给该第一和第二导电层时处于一种光漫射的、半透明的取向。

17.如权利要求16所述的装置，进一步包括与该控制电路处于电连通的至少一个光伏电池，该控制电路被配置成响应于由该至少一个光伏电池收集的太阳能来将该第一电压或该第二电压提供给该第一和第二导电层。

18.如权利要求16所述的装置，进一步包括一个用户界面，该控制电路被配置成响应于该控制电路的用户操纵来将该第一电压、该第二电压或该第三电压提供给该第一和第二导电层。

19.如权利要求18所述的装置，其中该控制电路被配置成执行以下功能中的一种或多种：

(a)响应于光伏电池生成的电压来自动地控制通过该液晶单元的光的透射率；

(b)提供一个用户界面，从而让用户完全或部分地控制通过该液晶单元的光透射率的量值；

(c)控制该液晶单元对光伏电池生成的电压的改变的响应；

(d)自动地或如由用户所设置地设定该液晶单元的通电状态的一个阈值水平；并且

(e)自动地或如由用户所设置地设定该液晶单元的未通电状态的一个阈值水平。

20.一种用于控制通过光学装置的光透射量的方法，所述光学装置包括：

一个基于非偏振器的可变的光衰减液晶单元，其包括被安置在两个透明基片之间的客体-主体溶液，该客体-主体溶液含有液晶主体和客体二色性染料的混合物；

电连接到所述液晶单元上的至少一个光伏电池；以及

一个聚光器，该聚光器具有一个光吸收表面以及一个光发射表面，该光发射表面垂直于该光吸收表面并且光耦合到该光伏电池上；

所述方法包括以下步骤：

将照射到该聚光器的光吸收表面上的至少一部分太阳光经过该光发射表面横向波导到该光伏电池的一个光子吸收部分上以生成一个电压；并且

使用所述生成的电压以便响应于朝着该光伏电池导向的太阳光来将该液晶单元从一种未通电的高透射状态改变为一种通电的低透射状态。