«Умные» окна: электрохромное стекло – что это такое и как работает?

«Умные» окна: электрохромное стекло – что это такое и как работает?

Задачу регуляции количества внешнего света (солнечных лучей), входящего внутрь помещений, долгое время традиционно решали посредством внедрения жалюзи. Однако этот инструмент требует постоянных действий от владельцев недвижимости – приходится открывать / закрывать жалюзи, по мере надобности. И вот, появлением новой концепции управления внешним светом — конструкции электрохромного стекла («умные» окна), учёные фактически решили проблему одним нажатием кнопки. Специалисты намекают на простоту, удивительные удобства, на экологические преимущества. Что же представляют собой «умные» окна и как работают на практике? Попробуем разобраться.

Обобщённая концепция применения электрохромного стекла

Практичным и нужным строительным материалом является стекло. Сложно представить, насколько:

  • тёмными,
  • грязными,
  • холодными,
  • влажными,

оставались бы жилые и прочие помещения, не будь в распоряжении строителей возможностей остекления сооружений.

Однако при всех выраженных преимуществах материала, стеклу присущи также определённые недостатки. В частности, материал пропускает свет и тепло, независимо от желаний владельца недвижимости.

Летним жарким днём масса солнечной энергии, поступающей внутрь здания, заставляет использовать кондиционер, что сопровождается существенным расходом энергии. Это стоит денег и наносит вред окружающей среде.

Очевидный момент, когда владельцы большинства домов и офисов оснащают окна шторами или жалюзи. Это умный подход, но не автоматизированный. Шторы и жалюзи создают технологический барьер, восполняющий недостаток стекла, но считать полностью «умным» такой подход нельзя.

Начало 20-го века ознаменовалось появлением «умной» техники, максимально автоматизированной. Среди примеров:

Логичным стал вопрос — почему бы не оборудовать дома «умными» электрическими окнами, способными автоматически переходить от светлого режима к тёмному режиму? «Умные» окна (также именуемые «умными» стёклами), переключаемые динамические конструкции, позволяют изменять режимы освещения.

Научная идея (концепция) таких «умных» конструкций, напрямую связана с электрохромизмом — эффектом смены цвета материалом (или переключения от прозрачного состояния к непрозрачному). Функции электрохромизма проявляются в моменты прикладывания к материалу электрического напряжения. Обычно «умные» окна демонстрируют плавный переход от синеватого цвета к полной прозрачности при прохождении электрического тока.

Эффект «умного» окна, полученный в лабораторных условиях
Эффект действия «умного» окна, полученный в условиях лаборатории. Как видно на картинке режимы «прозрачности» (слева) и полного «затенения» (справа) вполне оправдывают название технологичной конструкции

Конструктивные разновидности электрохромного стекла

Существуют различные типы электрохромного стекла:

  • просто затеняющие,
  • затеняющие и прозрачные,
  • зеркальные и непрозрачные.

Каждый тип выстраивается по индивидуальной технологии. Рассмотрим одну из технологий, которая основана на активности ионов лития.

Обычное простое окно изготавливается из одной вертикальной стеклянной панели. В свою очередь стеклопакеты делают как минимум из двух стеклянных панелей, разделённых воздушным зазором для улучшения теплоизоляции и звукоизоляции.

Более сложные окна (с использованием светоотражающего / теплоотражающего стекла), которые уже можно считать «умными», покрываются тонким слоем металлических химикатов. Электрохромные — полностью «умные» окна, работают примерно аналогично сложным металл-химическим конструкциям.

Но металл-оксидные покрытия «умных» электрохромных конструкций выглядят более сложными. Рабочая плёнка таких «умных» систем наносится процессами, аналогичными тем, которые используются при изготовлении интегральных микросхем (например, кремниевых компьютерных чипов).

«Умные» окна: структура одной из разновидностей конструкций
Структура «умного» окна (схема и принцип действия): А – режим затенения при отключенном питании; В – режим прозрачности при включенном питании; 1 – плёночная прослойка; 2 – жидкокристаллический активный слой; 3 – жидкокристаллическая плёнка; 4 – токопроводящее покрытие

На производственной практике электрохромное «умное» окно изготавливается либо на основе силикатного стекла, либо на базе пластика (технический термин — «подложка» или базовый материал). Рабочая поверхность покрывается несколькими тонкими слоями с помощью процесса распыления.

На внутренней поверхности изделия (смотрит внутрь помещения) «умное» окно имеет двойной «сэндвич», состоящий из пяти ультратонких слоёв:

  • центральный разделитель,
  • два электрода (тонкие электрические контакты) с каждой стороны разделителя,
  • два прозрачных электрических контактных слоя с обеих сторон электродов.

Принцип работы выстраивается на периодической миграции ионов лития сквозь сепаратор между двумя электродами. Обычно, когда «умное» окно прозрачно, ионы лития сосредоточены в области одного из электродов, выполненных на базе оксида лития-кобальта (LiCoO2).

Когда на электроды подаётся некоторое напряжение, ионы мигрируют через сепаратор к другому электроду. Прохождением через сепаратор, выполненный из поликристаллического оксида вольфрама, электроны способствуют отражению света, эффективно переключая «умное» окно в затенённое состояние.

По мере изменения напряжения на электродах происходит обратный процесс, соответственно «умное» окно вновь приобретает состояние прозрачности. Что примечательно, энергия расходуется только в моменты переключения электрохромных окон в прозрачное или затенённое состояние. Оставаясь в любом из режимов, «умное» окно не расходует электрической энергии.

Другие технологии для достижения подобных эффектов

Кроме литий-ионной технологии  доступны также другие варианты остекления. Например, вместо размещения разделителя между слоями электродов используется электрохромный материал (краситель), обладающий свойствами изменения цвета в моменты пропускания тока через структуру. Технология напоминает ту, что используется для фотохромных солнечных очков, но требует точного контроля питания.

«Умные» окна, выполненные по схеме описанной выше, устанавливаются как отдельные элементы. Требуется установка целого стеклопакета, где стёкла покрыты специальным составом. Этот вариант видится достаточно затратным. Однако есть возможность получить технологию «умных» окон по удешевлённой схеме.

"Умная" плёнка на стекле, управляемая смартфоном
Вариант плёночного оснащения обычных оконных конструкций обходится потенциальному пользователю дешевле. Между тем, «умная» плёнка показывает улучшенные характеристики быстродействия по сравнению с технологией напыления и возможности управления смартфоном

Известные в области остекления производители «Sonte» и «Smart Tint», к примеру, предлагают тонкую самоклеящуюся электрохромную плёнку. Такой материал несложно нанести на существующие стандартные окна, сделав эти компоненты жилища «умными». Плёнка позволяет включать / выключать вновь созданные «умные» конструкции специальным приложением на смартфоне.

Электрохромные плёнки используют технологию, аналогичную жидкокристаллическому дисплею, где жидкие кристаллы под точным электронным управлением изменяют массив проходящего света. Когда ток подключен, кристаллы выстраиваются линейно подобно открывающимся жалюзи, обеспечивая прохождение лучей света. Если же ток выключен, кристаллы ориентируются случайным образом, рассеивают свет, делая «умные» окна непрозрачными.

Производительность накладных плёнок впечатляет. Согласно утверждениям специалистов «Smart Tint», «умная» плёнка способна пропускать 98% света в режиме прозрачности. В другом случае, коэффициент пропускания снижается примерно втрое, организуется не менее эффективное состояние непрозрачности. Долговечность определяется границей количества переключений, которая заявлена производителем на уровне 3 млн. раз – не менее.

Преимущества и недостатки «умных» электронных окон

Технологичность рассматриваемых конструкций очевидна. Действительно есть чему удивляться и стремиться к тому, чтобы как можно скорее применить в деле. Между тем, несмотря на привлекательные технологии, так называемые «умные» окна показывают не только явные преимущества, но вместе с тем и реально имеющие место недостатки. Стоит ознакомиться с теми и другими, чтобы более определённо конкретно подходить к вопросу приобретения и установки интеллектуального остекления.

Преимущественные стороны «умного» остекления

«Умные» окна могут рассматриваться своего рода техническим трюком, но эти конструкции определённо демонстрируют экологическое преимущество. Создавая затенённое состояние, такие конструкции отражают практически 98% света и солнечного тепла. Этим процессом значительно сокращается потребность в кондиционировании воздуха и, соответственно, затраты на такой сервис.

По оценкам производителя «View Glass», электрохромное стекло помогает сократить пиковое потребление энергии на охлаждение и освещение примерно на 20%. Поскольку «умное» остекление работает от электричества, легко организовать управление системой с помощью схемы «умного» дома или датчика солнечной энергии, независимо от присутствия внутри здания владельцев.

«Умные» окна: классическая схема питания конструкции
Схема управления прозрачностью остекления, дополненного интеллектуальной плёнкой: 1 – самоклеющаяся электрохромная плёнка; 2 – стабилизатор постоянного напряжения; 3 – преобразователь переменного напряжения в постоянное; 4 – кнопка управления; 5 – функционал (приложение) смартфона

Подобного рода остекление позволяет сэкономить до 8% от общего энергопотребления здания. Новое технологичное остекление использует небольшой объём электричества, и только в моменты переключения режимов (на 100 окон расходуется примерно столько же энергии, сколько на одну лампу накаливания). В общем и целом, достигается абсолютная экономия энергии.

Другие преимущества интеллектуальных окон включают конфиденциальность владельца одним движением переключателя (нет нужды крутить штоки жалюзи или тянуть канаты штор). Удобство эксплуатации и безопасность также можно отнести к преимущественной стороне.

Недостатки конструкций «умного» остекления

Стекло, предполагающее печать электродов и причудливых металлических покрытий, конечно же, обходится потенциальному владельцу в несколько раз дороже, чем обычное стекло. Согласно исследованиям рынка, одно большеразмерное интеллектуальное окно оценивается на уровне примерно $30000–60000 рублей.

Также вызывает вопросы долговечность материалов, применяемых в изготовлении текущих конструкций. Эксплуатационные характеристики снижаются примерно через 10–20 лет, но это более короткий срок, чем показывает традиционное остекление.

Ещё один недостаток таких сооружений – время перехода от состояния прозрачности к непрозрачному состоянию и обратно. Некоторые технологии ограничивают этот промежуток времени минутами. Правда, наклеиваемые электрохромные плёнки показывают более быстрый переход (менее 1 секунды) от прозрачного состояния к непрозрачному режиму и обратно.

Перспективы развития технологии «умного» остекления

Перспективные проекты указывают на подход комбинирования электрохромных окон и солнечных панелей, чтобы вместо бесполезного отражения солнечного света, технологичные окна зданий поглощали энергию и сохраняли для дальнейшего использования.

Остаётся только представить интеллектуальные окна, улавливающие часть солнечной энергии в течение дня, с последующим сохранением в аккумуляторы. Сохранённая энергия в ночное время суток используется на освещение дома.

Конечно, интеллектуальное окно не в состоянии одновременно на 100% обеспечить прозрачность и работать как 100-процентная эффективная солнечная панель. Поступающая энергия либо передается через стекло, либо поглощается и сохраняется, но не в режиме одновременного действия.

Конструкция двойного действия сопряжена с компромиссом для обеих сторон. Такое сооружение остаётся относительно тёмным даже в режиме прозрачности, менее эффективным для захвата энергии по сравнению с полноценным солнечным элементом.


При помощи информации: Hablandodeciencia


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *