本發(fā)明涉及一種用于采光和熱控制的微結(jié)構(gòu)化的玻璃窗。

背景技術(shù)：
各種設(shè)計(jì)使用不同的棱鏡結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生依賴角度的透射。最老的可能是1980年法國專利號8017364、公開號2463254中描述的設(shè)計(jì)。入射面是平的，并且出射面由棱鏡制成。使用這種設(shè)計(jì)，在設(shè)備上接近法線進(jìn)入的電磁輻射以高角度到達(dá)出射面。由于折射率不同，出現(xiàn)全內(nèi)反射。棱鏡的對稱性保證來自該角區(qū)間的電磁輻射然后反射退出系統(tǒng)。這種設(shè)備僅透射在該角區(qū)間之外的電磁輻射。對于開窗式應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)在于面板由于棱鏡結(jié)構(gòu)而是不透明的。它們使圖像失真并且不能被看透。此外，整體透射率不是很高，非對稱分布，并且直射陽光束被透射成明亮的平行光束并且未散射。EdmondsI.R.于1993年在“SolarEnergyMaterialsandSolarCells”29期的“Performancesoflasercutlightdeflectingpanelsindaylightingapplications”中描述了另一種設(shè)備。其使用全內(nèi)反射來反射超過一定角度的光。替代嵌入的鏡子，丙烯酸面板中薄的水平切口產(chǎn)生并且與空氣交界。到達(dá)界面的超過臨界角的光被反射。該設(shè)備避免炫光并且將光重新定向到房間深處。為了更好的重新定向，切口可以傾斜。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于其僅僅重新定向光，并且由于切口的厚度，透明度受到限制。LorenzW.在專利文件EP1072752A1和EP0823645B1中公開了一種具有清晰視界的用于遮陽、采光和能源節(jié)省的系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)使用兩個互補(bǔ)的不對稱90°棱鏡結(jié)構(gòu)來維持半透明性。其依賴于放置在棱鏡的小面上的鏡子來使光重新定向以進(jìn)行采光。全內(nèi)反射用來引入依賴角度的透射。超過一定角度，兩個棱鏡面板之間的氣袋產(chǎn)生全內(nèi)反射，該全內(nèi)反射阻礙選擇范圍的角度。該設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)在于其需要相對大的部件和復(fù)雜的組裝來維持兩個部件之間的平行氣袋。H.在德國專利申請DE102009056362A1中提出了一種新型百葉窗，其具有復(fù)雜的輪廓，組合了W形部分和拋物面形部分。W的第三和第五面阻擋直射陽光，而拋物面形部分使陽光重新定向。當(dāng)兩個面的投射表面增加時，對于較高的入射角(50°-90°)，W的阻擋效果增強(qiáng)。對于更水平的角度(30°-50°)，拋物面形表面占主導(dǎo)地位，并且光大部分被重新定向。最終，對于水平角度，百葉窗的相對平坦的輪廓的投射高度僅僅表現(xiàn)大約25％的周期。這提供了良好的半透明度。這樣的設(shè)計(jì)提供了重新定向和依賴角度的透射，但是復(fù)雜的輪廓增加了這種百葉窗的制造成本，并且為了免受風(fēng)和灰塵的影響，這種百葉窗理想上應(yīng)該是放置在雙層玻璃內(nèi)的。這產(chǎn)生了非常厚和昂貴的窗戶。最后，機(jī)械部分承受損害并且防礙系統(tǒng)工作。在弗朗霍夫(Fraunhofer)研究所，棱鏡結(jié)構(gòu)使用折射和全內(nèi)反射來改變依賴于入射角的透射。他們提出了一種新的幾何結(jié)構(gòu)，其減小了尺寸并且將幾何結(jié)構(gòu)與涂層組合。缺點(diǎn)與上述所有的棱鏡結(jié)構(gòu)相同。S.Klammt和A.Neyer提出了一種僅用于采光的不對稱微結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在第一面上使用一連串的四分之一圓以采集最大量的光，即使對于大的入射角。在四分之一圓的底部處的水平部分基于全內(nèi)反射反射光。該透鏡還在一定角度范圍內(nèi)重新分配平行光束。在內(nèi)側(cè)上，棱鏡結(jié)構(gòu)的傾斜表面使光在更加水平的方向上彎曲，并且水平的平面進(jìn)一步增加了全內(nèi)反射向上重新定向的光的比例。該設(shè)計(jì)在使來自所有角度的大部分的入射光沿著水平方向重新定向方面是非常有效的。該結(jié)構(gòu)既不能獲得季節(jié)性或依賴角度的效果，也不能獲得透明性。存在各種類型的薄膜涂層以選擇透射光譜。它們可以用來產(chǎn)生在光譜的可見光范圍內(nèi)具有高透射率而在紫外和紅外范圍內(nèi)具有低透射率的玻璃窗。這些涂層具有微小的角度依賴性，但是對于小角度，變化不明顯，并且不存在重新定向。使用SmithG.B.和Al.在“SolarEnergy”第62期的“Thinfilmangularselectiveglazing”中描述的金屬涂層的成角度噴鍍，可以獲得較強(qiáng)的角度依賴性。這種噴鍍在特定條件下可以產(chǎn)生柱狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了角度選擇性，但是其非常光滑，并且透射率的變化非常平緩。在例如在60°具有70％的最大透射率的情況下，以一種非常漸進(jìn)的方式僅在-60°時獲得10％的透射率。Koolshade和Koolglass是使用固定角度的微小百葉窗產(chǎn)生角度依賴性的產(chǎn)品。可以將這些百葉窗放置在窗戶中，或者層壓在兩個窗戶之間。這些百葉窗是黑色的，并且阻擋所有超過40°的輻射。它們?nèi)攴乐轨殴獠⑶液軓?qiáng)地降低了太陽光獲取。缺點(diǎn)是也減少了冬季的太陽光獲取。這種系統(tǒng)的透明度是可以接受的，但是不會重新定向透射光。B.Lamontagne等人在加拿大渥太華的全國研究理事會提出了一種微型百葉窗。這些微型百葉窗是100微米的靜電激勵的卷繞電極。該百葉窗通過施加電流而打開或者關(guān)閉。它們的結(jié)果已經(jīng)在美國專利申請2006/0196613A1公開。這是一種能夠用于控制透射光的動態(tài)系統(tǒng)。其類似于電致變色窗。最近(A.Kostro、A.Schüler、J.L.Scartezzini；“Towardsmicrostructuredglazingfordaylightingandthermalcontrol”；CISBAT2011年會議錄；455-460頁)，提及了一種用于采光的扁平的一體化鏡子。在用作建筑物中的窗戶時，現(xiàn)有的玻璃窗結(jié)構(gòu)已經(jīng)提供了一些優(yōu)點(diǎn)。但是，沒有任何一種同時提供以下優(yōu)點(diǎn)：—夏季降低過熱；—冬季降低加熱成本；—對于居住者，距窗戶幾米的良好的亮度級并且沒有炫光；—朝向戶外的良好的半透明度和視野。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在前段落中提及的問題由本發(fā)明解決，其涉及一種玻璃窗，即，用于采光和季節(jié)性熱控制的玻璃窗，所述玻璃窗基本上由限定在朝向外側(cè)的界面和朝向內(nèi)側(cè)的界面之間的窗玻璃制成，所述窗玻璃包括第一部件和第二部件，其中所述第一部件具有拋物面形反射表面，所述拋物面形反射表面具有定位在所述第二部件上的焦點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的玻璃窗可以有利地由卷對卷或者網(wǎng)狀工藝制備。創(chuàng)造性在于描述的兩個部件結(jié)構(gòu)，即，第一組和第二組的反射部件。對于百葉窗，該概念可以應(yīng)用在肉眼可見的尺度，對于清晰視野和電磁輻射重新定向的玻璃窗，可以應(yīng)用在顯微鏡的尺度?？蛇x的選擇性涂層還可以使該系統(tǒng)功能化，并且增加光譜性能。該類型的設(shè)計(jì)還可以用于突出遮光部件。根據(jù)本發(fā)明的玻璃窗可以適于特定位置，例如，相對于太陽路徑的緯度和/或窗戶定向。玻璃窗可以產(chǎn)生很強(qiáng)的透射率變化(分別反射)。這種變化涉及電磁輻射入射角。在本文件中，應(yīng)該將術(shù)語“入射角”理解為限定在入射的電磁輻射方向和由朝向外側(cè)的界面限定的平面的法線之間的角度?！俺蛲鈧?cè)”和“朝向內(nèi)側(cè)”的界面優(yōu)選地是空氣-玻璃界面。但是可以考慮任何其他合適的界面，例如，玻璃-玻璃或者氣體-玻璃。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，對于處于大約45°的緯度的應(yīng)用，以以下方式布置部件：限定三個不同的電磁輻射路徑，每個路徑取決于入射角：—路徑1—小入射角，一般在0°和20°之間—路徑2—中間入射角，一般在20°和50°之間—路徑3—大入射角，一般在50°和70°之間—路徑4—非常大的入射角，一般超過70°實(shí)踐中，具有中間入射角的直射陽光出現(xiàn)在冬季，而大入射角僅出現(xiàn)在夏季。非常大的角度僅僅因?yàn)槁涔舛霈F(xiàn)。當(dāng)入射角在0°和20°之間時，大部分的電磁輻射直接透射通過玻璃窗。當(dāng)入射角在20°和50°之間時，電磁輻射的漸增部分以擴(kuò)散方式重新定向和透射。當(dāng)入射角在50°和70°之間時，大部分的電磁輻射重新定向并被反射回外部或被吸收。當(dāng)入射角度超過70°時，幾乎所有透射的電磁輻射重新定向，并且在第一界面反射的比率增加。本發(fā)明提供了以下幾個優(yōu)點(diǎn)，具體在于：—通過重新定向電磁輻射，直射光束可以在相反方向上在選擇的角度范圍擴(kuò)散和散布。這特別適合于在建筑物中更好的利用日光。重新定向的、擴(kuò)散的電磁輻射很好地適合于大部分辦公作業(yè)，并且有益于更舒適和健康的環(huán)境。—由于太陽高度角全年變化，依賴角度的透射可以導(dǎo)致季節(jié)性表現(xiàn)。用在具有合適的角透射率的窗戶中時，本發(fā)明在夏季避免過熱并且在冬季保持高的日光增益。在夏季，來自太陽的直接輻射通過兩個鏡子的組合作用反射回去?！Y(jié)構(gòu)是周期性的，并且與周期相比，它們的投射高度非常小。由于它們是嵌入的，對于接近法線的角度，電磁輻射的路徑僅受到該結(jié)構(gòu)部分影響，并且僅穿越透明介質(zhì)。該介質(zhì)的表面是平且平行的，因此，在法線入射時，系統(tǒng)成像并且透射主要是直接的。透明度很高?！到y(tǒng)可以制備成總厚度低于微米的薄膜形式的嵌入式微結(jié)構(gòu)。該尺寸的薄膜可以與窗戶的玻璃層疊。這種薄膜可以用卷對卷或網(wǎng)狀工藝廉價產(chǎn)生。單個結(jié)構(gòu)的高度可以小于50μm，并且人眼難以看見?！诙砻婵梢酝扛灿羞x擇性的涂層，以獲得僅用于選擇的角度的光譜透射。例如，透射最佳比率的可見光電磁輻射和能量。—由于第二表面上的聚集度高，該表面也可以用于吸收能量并對其熱或電轉(zhuǎn)換?！话愕兀霰砻婵梢允沁m于操縱電磁輻射的任何類型。它們可以是熱致變色的、氣致變色的、偏光的、電致變色的、選擇性的、吸收性的、反射性的等?！谝徊考谋砻婵梢跃哂胁煌再|(zhì)。頂側(cè)可以對于電磁輻射的重新定向是高反射性的，而背側(cè)可以是擴(kuò)散性或吸收性的，以減少重影?！∧た梢耘c低發(fā)射率的涂層組合，以給玻璃制造者提供與他們的窗戶層疊的完整方案。附圖說明圖1a示出了本發(fā)明的第一例子；圖1b示出了選擇的電磁輻射，其被阻止和防止透射；圖2a-2c示出了不同情況的電磁輻射的路徑；圖3a-3c示出了組合了季節(jié)性熱控制、采光和清晰的視野的復(fù)雜開窗式系統(tǒng)的原理；圖4a示出了圖1和2中示出的結(jié)構(gòu)的半球的上半部分的透射率和總透射率，其與簡單的玻璃的總透射率進(jìn)行比較；圖4b以每周值示出了入射輻射A和透射輻射T；圖5a-5h示出了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的制造過程；及圖6示出了用于驗(yàn)證概念的光學(xué)測量。具體實(shí)施方式在具體地包括一些例子的該部分中，將更好地理解本發(fā)明。本發(fā)明的第一個例子在圖1a中示出。限定在朝向外側(cè)的界面26和朝向內(nèi)側(cè)的界面27之間的窗玻璃25包括第一和第二部件2和3。第一組的每個部件2具有拋物面形表面，其具有定位在第二部件3上的焦點(diǎn)F。第一部件2嵌入在透明介質(zhì)1中，并且第二部件布置在朝向內(nèi)側(cè)的界面27處。對于入射角的選擇范圍，通常在50°和70°之間，每個第一部件2將電磁輻射聚集在第二部件3上。對于其他角度，即，較小角度，第二部件3未對焦。部件可以根據(jù)目標(biāo)而具有不同的光學(xué)功能：反射器、吸收器、擴(kuò)散器、偏光器、選擇性涂層或者熱致變色。在圖2a、2b和2c中呈現(xiàn)了對應(yīng)于0°、30°和60°入射角的三種情況。將透射通過系統(tǒng)但是未到達(dá)兩個部件中任何一個部件的電磁輻射稱為直接透射的電磁輻射。將經(jīng)拋物面反射但從旁邊經(jīng)過第二部件的電磁輻射稱為重新定向的電磁輻射。將最終聚焦在第二部件上的電磁輻射稱為選擇的電磁輻射。為了聚焦入射的電磁輻射，第一部件2設(shè)置有拋物面形表面。電磁輻射最有效地聚焦在第二部件3上的入射角必須根據(jù)系統(tǒng)期望的應(yīng)用選擇。必須考慮第一界面處的折射以計(jì)算拋物面的傾斜角：其中nr是嵌入有拋物面的材料1的折射率。焦點(diǎn)放置在系統(tǒng)的背側(cè)，并且拋物面相應(yīng)繪制。以選擇的高度角入射的電磁輻射將通過嵌入的反射器朝向焦點(diǎn)反射。第一部件的寬度Pw和高度Ph之間的比率及其周期P將決定拋物面重新定向電磁輻射的角度的范圍。根據(jù)該比率，可以限定遮光角為：sin(θs)＝nrcos(atan(Pw/(P+Ph))超過該角度，第一界面透射的100％的電磁輻射將到達(dá)拋物面。低于該角度，到達(dá)拋物面的電磁輻射的部分將逐漸減少。在拋物面形狀上反射之后，平行光束將分布在角度8的范圍。拋物面形反射器的曲率導(dǎo)致了該分布的幅度。曲率與拋物面和焦點(diǎn)F之間的距離有關(guān)。點(diǎn)越靠近，曲率越大。該距離由垂直距離S和偏移O限定。該拋物面在凸面上的上表面通常是反射性的，以獲得聚焦。反射涂層的類型可以改變并且可具有特定的光譜反射率。在凹面上的另一表面可以根據(jù)目標(biāo)而是反射性的、擴(kuò)散的或吸收性的。第二部件3可以根據(jù)應(yīng)用而具有不同的功能，優(yōu)選地，其定位在系統(tǒng)的背表面上，并且由拋物面形表面聚焦在此處的電磁輻射可以被反射、吸收或選擇性地透射。在任何情況下，第二部件3都應(yīng)該接近第一部件2的焦點(diǎn)F定位在設(shè)備的后表面上。其寬度Rw直接影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用的角度范圍。以低于的角度入射的電磁輻射將到達(dá)焦點(diǎn)下方的界面。對于接近的角度，當(dāng)電磁輻射到達(dá)該界面時，其將保持一定程度的聚焦。該部件可以是反射器，并且將電磁輻射重新定向回來通過系統(tǒng)。這種情況在圖1a、1b和2a-2c中示出。在這種情況中，通過將所選擇的電磁輻射朝向系統(tǒng)5的出口重新定向而阻止和防止電磁輻射透射。在該區(qū)域中可以應(yīng)用薄膜涂層以僅透射光譜的選擇部分。例如，在380-780nm范圍內(nèi)的可見光電磁輻射大部分可以被透射，但是紫外光到紅外光范圍的電磁輻射大部分被反射，以降低能量傳輸。最后，其可以是一些類型的吸收器以將輻射轉(zhuǎn)換成熱能或電能。優(yōu)選地，應(yīng)該以避免多次反射的方式選擇參數(shù)。大部分被阻擋的光線的路徑應(yīng)該至多具有三次反射。這降低了系統(tǒng)中的吸收，并因此降低了過熱風(fēng)險。圖2a-2c示出了不同情況的電磁輻射的路徑；在該例子中，第二部件3是反射涂層。對于單次阻擋的所有可能的位置，示出了電磁輻射的路徑。如圖2a中所示，該設(shè)備對于以法線入射的進(jìn)入的電磁輻射具有很小影響。其大部分是直接透射6，僅與該設(shè)計(jì)的前界面和后界面相互作用。這些界面的平行布置和光滑表面保留了通過系統(tǒng)的視野。小部分由嵌入的表面的下表面重新定向7。該表面的物理屬性確定電磁輻射分布的方式。其可以如圖示情況那樣永久反射、擴(kuò)散或吸收。小部分電磁輻射與第二部件相互作用。圖2b示出了以30°射入的光束的重新分布。其大部分被重新定向，并且以大部分?jǐn)U散的方式透射8。重新定向在相對于水平線相反的方向上并且可以通過使整個拋物面傾斜而修改。小部分的電磁輻射被直接透射9，可以通過改變拋物面的寬度和周期的比率而增加該直接透射的部分。也有一小部分到達(dá)第二部件。在圖示的情況中，該部件是反射器，并且防止該部分被透射10。最后，對于所選擇范圍內(nèi)的角度，通過嵌入的拋物面將所有的電磁輻射聚焦在后部件上。在圖2c所示的情況中，在兩個或三個反射之后，電磁輻射被阻擋11。在后部件如圖示那樣在焦點(diǎn)處開始的情況下，阻擋范圍終止于并且可以根據(jù)第二部件的寬度Rw而更寬或更窄。季節(jié)性熱控制、采光和清晰的視野在下面的例子中，本發(fā)明用于產(chǎn)生復(fù)雜的開窗式系統(tǒng)，其組合了季節(jié)性熱控制、采光和清晰的視野。目的在于在不產(chǎn)生炫光的情況下引入最多的光，并且在冬季具有最大的熱增益，在夏季具有最小的熱增益。在圖3a、3b和3c中介紹了組合了季節(jié)性熱控制、采光和清晰的視野的復(fù)雜開窗式系統(tǒng)的原理。通過穿透輻射，窗戶導(dǎo)入光并且將熱量引入到建筑物內(nèi)。需要光來進(jìn)行日?；顒?，但是當(dāng)光產(chǎn)生炫光時，也是令人煩惱的。炫光通常是由接近窗戶A的直射陽光產(chǎn)生的。遠(yuǎn)離窗戶B，光強(qiáng)度通常進(jìn)一步下降。由于其使光重新定向，本發(fā)明可以用于以一種適于采光的方式通過在不產(chǎn)生炫光13的情況下使光進(jìn)一步重新定向進(jìn)入房間12內(nèi)透射光。透射的輻射也可以傳輸熱量，額外的熱量在冬季是受歡迎的，但是在夏季應(yīng)該保持在室外。利用根據(jù)季節(jié)的太陽的改變的高度角以及透射率的角度依賴性，提出的設(shè)計(jì)使冬季增益14最大化，而使夏季增益15最小化。在這種情況下，第一部件在頂表面上高度反射，并且可以在底表面上擴(kuò)散以避免炫光。第二部件是反光表面或者最終是選擇性的涂層，其透射大部分的可見光電磁輻射，同時反射紅外輻射以降低日光增益。針對對應(yīng)于指定位置處的太陽的夏季高度角的角度(例如，在洛桑，在55°和67°之間)，獲得聚焦。對于該范圍，電磁輻射集中在第二表面上并且反射回來通過系統(tǒng)。為了獲得該角度范圍，設(shè)計(jì)拋物面具有由于應(yīng)該針對對應(yīng)于夏季太陽高度角而不是對應(yīng)于較低的冬季高度角的角度，獲得了聚焦效果，用于聚焦的表面區(qū)域并不包括拋物面的朝向玻璃窗內(nèi)部的部分。該表面可以保持平坦或者傾斜，并且僅用于采光。對于選擇的阻擋區(qū)間之外的角度，系統(tǒng)的第一部件在向上方向上但以小角度反射電磁輻射，從而獲得房間深處的最大穿透。平行光束被拋物面的彎曲有效擴(kuò)散。該擴(kuò)散在角度差增加的后界面處被折射增強(qiáng)。這種擴(kuò)散的電磁輻射適合采光。為了獲得清晰的視野，使沒有相互作用的接近法線角度的直接透射最大化。兩個部件具有最小的高度和最大的重疊。此外，第一界面和最后的界面平行，以避免圖像失真。與傳統(tǒng)的窗戶、百葉窗或復(fù)雜的開窗式系統(tǒng)相比，這種設(shè)計(jì)具有若干優(yōu)點(diǎn)：—其同時獲得了電磁輻射的依賴角度的透射和重新定向。—由于小尺寸(亞毫米)，結(jié)構(gòu)幾乎是不可見的，并且產(chǎn)生的系統(tǒng)接近于透明?！匦露ㄏ虻碾姶泡椛湟詳U(kuò)散方式水平分布，從而適于采光?！到y(tǒng)很薄，并且能夠以卷對卷工藝或者網(wǎng)狀工藝制備，并且可以生產(chǎn)成為箔。該箔可以容易地放置在標(biāo)準(zhǔn)的雙層玻璃窗內(nèi)?！c外部的百葉窗或遮光物不同，本系統(tǒng)是靜態(tài)的并且受到保護(hù)，因此對強(qiáng)風(fēng)不敏感?！淇梢苑胖迷陔p層玻璃窗的第一玻璃上。這降低了冷卻周期中不想要的熱增益。—由于其是玻璃窗的一部分，易于一體化?！诰韺砩a(chǎn)中的成本很低?！獩]有可移動部分，因此更加穩(wěn)固。最佳的結(jié)構(gòu)尺寸通過蒙特卡洛光線追跡模擬獲得。該軟件在室內(nèi)研發(fā)，并且尤其設(shè)計(jì)用于快速建模層狀結(jié)構(gòu)，并且給用戶視覺反饋。計(jì)算不同設(shè)計(jì)的性能，并且優(yōu)化參數(shù)。光線追跡是一種來源于幾何光學(xué)的技術(shù)，其通過追隨電磁輻射的光線對環(huán)境中電磁輻射行進(jìn)的路徑建模。其可以用于光學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)，例如，顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等中的透鏡和透鏡組。存在很多現(xiàn)有的模擬復(fù)雜環(huán)境中的電磁輻射行為的光線追跡軟件，它們在物理上大致精確。開發(fā)的軟件目的在于以二維輪廓和專用窗戶性能分析設(shè)計(jì)復(fù)雜的開窗式系統(tǒng)。蒙特卡洛算法是隨機(jī)的，并且它們用于解決復(fù)雜的物理或數(shù)學(xué)問題。當(dāng)系統(tǒng)中變量的數(shù)量很大并且不能夠分析性地找出解決方案時，使用很多隨機(jī)事件計(jì)算結(jié)果給出了解決方案的精確估計(jì)。在典型的蒙特卡洛算法中，隨機(jī)抽簽限定一系列表征全局事件并導(dǎo)致最終狀態(tài)的局部事件。每次抽簽跟隨表示對應(yīng)事件的給定分布。通過在隨機(jī)事件上多次重復(fù)該迭代，獲得最終狀態(tài)的概率分布。該解決方案的精度取決于該問題建模有多好以及進(jìn)行了多少次抽簽。在光學(xué)系統(tǒng)的情況下，每個事件(反射、折射、散射、吸收)根據(jù)對應(yīng)物理定律要求的概率分布隨機(jī)發(fā)生。這些定律被精確地實(shí)施用于復(fù)雜的開窗式系統(tǒng)的光線追跡。該設(shè)計(jì)的二維(2D)描述足以用于大部分現(xiàn)有的CFS產(chǎn)品，原因在于可以將它們描述成2D擠壓輪廓。引入使用混合維度方法的原始算法研究這種輪廓。在提出的算法中，所有的交叉點(diǎn)在2D中計(jì)算。如果以x和y坐標(biāo)限定輪廓，那么唯一損失的信息是交叉點(diǎn)的z坐標(biāo)。該信息幾乎無用，原因在于我們主要對透射的角度分布感興趣。找出兩維中的線條之間的交叉點(diǎn)是非?？焖俚?，并且可以使用二進(jìn)制空間劃分樹有效地進(jìn)行。然而，對于交叉點(diǎn)，使用全部三個維度。如以下部分中那樣使用三維向量計(jì)算并遵循物理規(guī)律精確建立反射、折射和吸收模型。此外，對于薄膜的建模，可以結(jié)合矩陣方法使用3D向量來計(jì)算反射、折射和吸收。為了研發(fā)具有依賴于太陽高度角的變化而改變季節(jié)透射率的結(jié)構(gòu)，直接希望找到依賴于入射角的透射。此外，為了獲得采光性能的估計(jì)，可以根據(jù)出射的高度角，細(xì)分該透射率。從半球的上半部分到達(dá)窗戶的電磁輻射正常應(yīng)該在半球的面對窗戶內(nèi)側(cè)的下半部分(下文，T下)中透射。在復(fù)雜的開窗式系統(tǒng)中，重新定向可以使電磁輻射在該半球的上半部分(下文，T上)中退出。T上比T下對采光的貢獻(xiàn)更顯著，并且應(yīng)該最大化。為了分析具有季節(jié)性熱控制和采光的CFS，軟件根據(jù)入射角計(jì)算T下和T上以及總透射率。針對在圖1a、1b和2a-2c中示出的結(jié)構(gòu)，圖4a示出了T上和T總，并且與簡單的玻璃的總透射率(G)進(jìn)行比較。為了評估季節(jié)性熱控制，研究了熱增益的動態(tài)情況。在冬季它們應(yīng)該最大化，在夏季應(yīng)該最小化。對于每平方米的窗戶，一部分入射輻射被透射，并且該能量加熱窗戶后面的空間。為了計(jì)算該值的估計(jì)，利用與氣象資料輻射測量數(shù)據(jù)結(jié)合使用的光線追跡模擬工具計(jì)算擴(kuò)散和直接透射系數(shù)。對于直接輻射，使用太陽位置，并且對于擴(kuò)散輻射，依據(jù)特里金莎(Tregneza)的天空細(xì)分將半球劃分為多個小塊。氣候資料數(shù)據(jù)給出了溫度的每小時值以及全球和直接照射值。佩雷斯(Perez)模型使用兩個照射值提供半球的各個和每個點(diǎn)的照射值。使用該模型，可以根據(jù)位置、窗戶的定向和窗戶傾斜度計(jì)算145特里金莎區(qū)的每小時值。然后可以使用該方法計(jì)算由于直接和擴(kuò)散輻射產(chǎn)生的年度熱增益。這種設(shè)計(jì)的玻璃窗在夏季表現(xiàn)出低于20％的直射陽光的透射，以及在冬季表現(xiàn)出高于70％。在圖4b的每周值中示出了入射輻射A和透射輻射T。使用模擬來限定系統(tǒng)的幾何形狀，并且接著使用7步驟程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)原型：●具有期望的最終形狀的模具制備●凹模制備●利用反射材料的條帶涂覆基板●將基板和模具對準(zhǔn)●將UV可固化聚合物的形狀復(fù)制到基板上●將選擇的小平面涂覆在復(fù)制的結(jié)構(gòu)上●嵌入具有相同的UC可固化聚合物的結(jié)構(gòu)為了制備這種結(jié)構(gòu)，通過電子放電加工切割金屬模具。該技術(shù)在制表工業(yè)中廣泛使用，并且允許以低于1微米的精度切割任何導(dǎo)電材料。制備的金屬模具具有嵌入鏡子形狀的一個表面。以給定形狀雕刻軟質(zhì)材料，然后用導(dǎo)電層化學(xué)涂覆，并且通過電鍍復(fù)制到鎳中。藉此，獲得金屬模具。之前獲得的金屬模具在硅酮(PDMS)中復(fù)制，以獲得該形狀的“凹形”。在實(shí)驗(yàn)室程序中，該模具還起到一些對準(zhǔn)引導(dǎo)的作用，以在后續(xù)步驟中將該結(jié)構(gòu)正確放置在基板上。使用該“凹形”，可以后續(xù)再次產(chǎn)生最初切割成金屬模具的形狀。為了第二鏡子的沉積，反射材料需要以條帶沉積在基板上。為了更強(qiáng)的耐久性，將該層沉積在制備結(jié)構(gòu)的那側(cè)；然后使其受限并受到保護(hù)。為了沉積這種條帶，兩種技術(shù)是有效的。第一，用模板遮蓋基板，并且直接沉積鋁。第二，使用光蝕刻：將鋁沉積在基板上，然后覆蓋光刻膠層。光刻膠是當(dāng)暴露于UV光時改變其性能的樹脂，在曝光時，其要么分解要么硬化。光刻膠通過掩模暴露于UV光，以產(chǎn)生期望的條帶形狀。然后，蝕刻工藝去除鋁，其中其保持未受保護(hù)并且僅留下受硬化的樹脂保護(hù)的條帶。還可以使用剝離技術(shù)進(jìn)行光蝕刻，在這種情況下，基板首先被涂覆有光刻膠，然后暴露于UV光以去除在那里需要沉積鋁的樹脂。鋁在每個地方都被蒸發(fā)，并且當(dāng)樹脂被去除時，覆蓋在其上的鋁被“剝離”，并且僅條帶剩余。為了獲得期望的具有依賴角度的透射的系統(tǒng)，關(guān)鍵是正確地放置基板17上的背部反射器和用于復(fù)制的模具19。該放置可以在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行。其在圖5b中示出。將UV可固化聚合物的形狀復(fù)制到基板上一旦其與基板上的條帶對準(zhǔn)，凹模就用來制備紫外可固化樹脂18的結(jié)構(gòu)。如圖5b所示，樹脂滴位于基板和模具19之間。將模具放置在機(jī)械活塞20上。然后，施加壓力21并且活塞將基板按壓抵靠石英窗16，如圖5c所示。在紫外光22使樹脂固化之后，釋放壓力，并且將微結(jié)構(gòu)復(fù)制在基板上(圖5d)。該工藝需要在EPFL(LTC)的聚合物與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室協(xié)作下完成。透明樹脂用于復(fù)制結(jié)構(gòu)。當(dāng)暴露于紫外光時，樹脂硬化。這種工藝很好地適用于卷對卷制造工藝。一旦復(fù)制結(jié)構(gòu)，通過使具有微結(jié)構(gòu)的樣品傾斜并且沉積薄的反射鋁或銀膜23來選擇性地涂覆小平面，圖5e。然后，使用相同的UV固化來填充間隙(圖5f、5g和5h)。必需考慮避免氣泡形成，并且獲得適當(dāng)?shù)恼凵渎势ヅ?。產(chǎn)生的樣品的特征在于驗(yàn)證概念的光學(xué)測量。測量表明入射的電磁輻射從其路徑被有效地重新定向，并且對于較高角度，透射率降低。這種測量在圖6中用出射角θ出射相對于入射角θi示出。對于在具有一體平面鏡的樣品上的60°入射角，55％的透射的電磁輻射向上重新定向R，44.5％在光束D的方向上透射。到目前為止，該樣品的主要限制在于表面質(zhì)量：粗糙性使重新定向的電磁輻射充分?jǐn)U散。