Смарт-стекло, также известное как переключаемое стекло , динамическое стекло и стекло с умной тонировкой , — это тип стекла , которое может менять свои оптические свойства, становясь непрозрачным или тонированным, в ответ на электрические или тепловые сигналы. Это может использоваться для предотвращения попадания солнечного света и тепла в здание в жаркие дни, что повышает энергоэффективность. [1] Его также можно использовать для удобного обеспечения конфиденциальности или видимости в комнате.
Существует две основные классификации смарт-стекла: активное и пассивное. Наиболее распространенными активными стеклянными технологиями, используемыми сегодня, являются электрохромные , жидкокристаллические и устройства со взвешенными частицами (SPD). Термохромные и фотохромные технологии классифицируются как пассивные технологии. [2]
При установке в оболочку зданий умное стекло помогает создавать адаптивные к климату оболочки зданий , [3] преимущества которых включают такие вещи, как регулировка естественного освещения, визуальный комфорт, блокировка ультрафиолетового и инфракрасного излучения , снижение потребления энергии, тепловой комфорт, устойчивость к экстремальным погодным условиям и конфиденциальность. [4] Некоторые умные окна могут самостоятельно адаптироваться к теплу или холоду для экономии энергии в зданиях . [5] [6] [7] Умные окна могут устранить необходимость в жалюзи, шторах или оконных покрытиях. [8]
Некоторые эффекты могут быть получены путем ламинирования смарт-пленки или переключаемой пленки на плоские поверхности с использованием стеклянных, акриловых или поликарбонатных ламинатов. [9] Некоторые типы смарт-пленок могут быть нанесены на существующие стеклянные окна с помощью самоклеящейся смарт-пленки или специального клея. [10] Методы распыления для нанесения прозрачных покрытий для блокировки тепла и проведения электричества также находятся в стадии разработки. [11]
Термин «умное окно» появился в 1980-х годах. Его ввел шведский физик-материаловед Клас-Йоран Гранквист из Технологического университета Чалмерса , который проводил мозговой штурм идей по повышению энергоэффективности строительных материалов совместно с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии . Гранквист использовал этот термин для описания отзывчивого окна, способного динамически менять свой оттенок. [4]
В следующей таблице представлен обзор различных технологий электрически переключаемых смарт-стекл:
Электрохромные устройства изменяют свойства пропускания света в ответ на напряжение и, таким образом, позволяют контролировать количество проходящего света и тепла. [12] В электрохромных окнах материал изменяет свою непрозрачность . Для изменения его непрозрачности требуется импульс электричества, но материал сохраняет свой оттенок практически без дополнительных электрических сигналов. [13]
Старые электрохромные технологии, как правило, имеют желтый оттенок в прозрачном состоянии и синие оттенки в тонированном состоянии. Затемнение происходит от краев, двигаясь внутрь, и является медленным процессом, варьирующимся от многих секунд до 20–30 минут в зависимости от размера окна. Более новые электрохромные технологии устраняют желтый оттенок в прозрачном состоянии и тонируют до более нейтральных оттенков серого, тонируя равномерно, а не снаружи внутрь, и ускоряют скорость тонирования до менее трех минут, независимо от размера стекла. Электрохромное стекло сохраняет видимость в затемненном состоянии и, таким образом, сохраняет визуальный контакт с внешней средой.
Недавние достижения в области электрохромных материалов, относящиеся к электрохромии гидридов переходных металлов , привели к созданию отражающих гидридов, которые становятся отражающими, а не поглощающими, и, таким образом, переключаются между прозрачным и зеркальным состояниями.
Недавние достижения в области модифицированных пористых нанокристаллических пленок позволили создать электрохромный дисплей. Структура дисплея с одной подложкой состоит из нескольких уложенных друг на друга пористых слоев, напечатанных друг на друга на подложке, модифицированной прозрачным проводником (например, ITO или PEDOT:PSS ). Каждый напечатанный слой имеет определенный набор функций. Рабочий электрод состоит из положительного пористого полупроводника, такого как диоксид титана, с адсорбированными хромогенами . Эти хромогены изменяют цвет посредством восстановления или окисления. Пассиватор используется в качестве негатива изображения для улучшения электрических характеристик. Изолирующий слой служит для увеличения коэффициента контрастности и электрического разделения рабочего электрода от противоэлектрода . Противоэлектрод обеспечивает высокую емкость для уравновешивания зарядов, вставленных/извлеченных на электроде SEG (и поддержания нейтральности заряда во всем устройстве). Углерод является примером пленки-резервуара заряда. Проводящий углеродный слой обычно используется в качестве проводящего заднего контакта для противоэлектрода. На последнем этапе печати пористая структура монолита покрывается жидким или полимерно-гелевым электролитом, высушивается, а затем может быть включена в различные инкапсуляции или корпуса в зависимости от требований применения. Дисплеи очень тонкие, часто 30 микрометров. Устройство можно включить, прикладывая электрический потенциал к прозрачной проводящей подложке относительно проводящего углеродного слоя. Это вызывает восстановление молекул виологена (окрашивание) внутри рабочего электрода. При изменении приложенного потенциала на противоположный или предоставлении пути разряда устройство обесцвечивается. Уникальной особенностью электрохромного монолита является относительно низкое напряжение (около 1 В), необходимое для окрашивания или отбеливания виологенов . Это можно объяснить небольшими перенапряжениями, необходимыми для электрохимического восстановления адсорбированных на поверхности виологенов/хромогенов.
Большинству типов смарт-пленок для работы требуется напряжение (например, 110 В переменного тока), поэтому такие типы смарт-пленок должны быть заключены в стеклянные, акриловые или поликарбонатные ламинаты, чтобы обеспечить электробезопасность для пользователей. [ необходима цитата ]
В полимерно-дисперсных жидкокристаллических устройствах (PDLC) жидкие кристаллы растворяются или диспергируются в жидком полимере с последующим затвердеванием или отверждением полимера. Во время изменения полимера из жидкого в твердое состояние жидкие кристаллы становятся несовместимыми с твердым полимером и образуют капли по всему твердому полимеру. Условия отверждения влияют на размер капель, которые, в свою очередь, влияют на конечные эксплуатационные свойства «умного окна». Обычно жидкая смесь полимера и жидких кристаллов помещается между двумя слоями стекла или пластика, которые включают тонкий слой прозрачного проводящего материала с последующим отверждением полимера, тем самым образуя базовую сэндвич-структуру умного окна. Эта структура по сути является конденсатором.
Электроды от источника питания прикреплены к прозрачным электродам. При отсутствии приложенного напряжения жидкие кристаллы хаотично располагаются в каплях, что приводит к рассеиванию света при прохождении через интеллектуальную оконную сборку. Это приводит к полупрозрачному, «молочно-белому» внешнему виду. Когда к электродам прикладывается напряжение, электрическое поле, образованное между двумя прозрачными электродами на стекле, заставляет жидкие кристаллы выравниваться, позволяя свету проходить через капли с очень небольшим рассеиванием и приводя к прозрачному состоянию. Степень прозрачности можно контролировать приложенным напряжением. Это возможно, потому что при более низких напряжениях только несколько жидких кристаллов полностью выравниваются в электрическом поле, поэтому проходит только небольшая часть света, в то время как большая часть света рассеивается. По мере увеличения напряжения меньше жидких кристаллов остаются невыровненными, что приводит к меньшему рассеиванию света. Также можно контролировать количество проходящего света и тепла, когда используются оттенки и специальные внутренние слои.
В устройствах с взвешенными частицами (SPD) тонкая пленка ламината стержнеобразных наночастиц взвешена в жидкости и помещена между двумя кусками стекла или пластика или прикреплена к одному слою. Когда напряжение не подается, взвешенные частицы организованы случайным образом, таким образом блокируя и поглощая свет. Когда напряжение подается, взвешенные частицы выравниваются и пропускают свет. Изменение напряжения пленки изменяет ориентацию взвешенных частиц, тем самым регулируя оттенок остекления и количество пропускаемого света. SPD можно вручную или автоматически «настраивать» для точного контроля количества проходящего света, бликов и тепла.
Микрожалюзи контролируют количество проходящего света в ответ на приложенное напряжение. Микрожалюзи состоят из прокатанных тонких металлических жалюзи на стекле. Они очень малы и, таким образом, практически невидимы для глаза. Металлический слой наносится методом магнетронного распыления и формируется лазером или литографией. Стеклянная подложка включает тонкий слой прозрачного проводящего оксида (TCO). Тонкий изолятор наносится между прокатанным металлическим слоем и слоем TCO для электрического отключения. При отсутствии приложенного напряжения микрожалюзи сворачиваются и пропускают свет. Когда между прокатанным металлическим слоем и прозрачным проводящим слоем возникает разность потенциалов, электрическое поле, образованное между двумя электродами, заставляет прокатанные микрожалюзи растягиваться и, таким образом, блокировать свет. Микрожалюзи имеют ряд преимуществ, включая скорость переключения (миллисекунды), стойкость к УФ-излучению, индивидуальный внешний вид и пропускание. Технология микрожалюзи была разработана в Национальном исследовательском совете (Канада) .
Фазоизменяющийся полимер (PCP) демонстрирует обратимый фазовый переход между аморфным и полукристаллическим состояниями. [14] Это изменение фазы доминирует за счет изменения температуры в термохромном смарт-стекле, что делает его полностью автоматическим без затрат на электроэнергию. Структура PCP часто состоит из двух основных компонентов: полимера с изменяющимся фазовым компонентом (назовем его P1), сшитого с другим полимером (P2), который сильно разделен фазой от первого из-за различной гидрофильности . Поэтому P1 и P2 способны образовывать разделение фаз на микронном уровне после отверждения. Когда температура ниже температуры фазового перехода (Tp) P1, P1 является полукристаллическим, и его показатель преломления совпадает с показателем преломления P2, таким образом делая всю структуру прозрачной для видимого света. [15] Когда температура превышает Tp, P1 плавится и переходит в аморфную фазу, которая демонстрирует большое несоответствие показателя преломления с P2, что приводит к непрозрачному внешнему виду. [15] При разумном выборе материала для P1 можно наблюдать обратный эффект переключения пропускания. Например, если при температуре ниже Tp показатель преломления полукристаллического P1 не соответствует показателю преломления P2, то пленка становится непрозрачной; если аморфный P1 соответствует показателю преломления P2 при температуре выше Tp, то пленка становится прозрачной при повышенной температуре. Одним из характерных применений может быть нанесение PCP на стеклянное окно склада, где PCP становится непрозрачным в жаркие дни, чтобы блокировать избыточное излучение и охлаждать помещение, тем самым экономя энергию от работы кондиционера. [16]
Выражение «умное стекло» можно толковать в более широком смысле, включая в него также остекление, которое изменяет свойства светопропускания в ответ на сигнал окружающей среды, такой как свет или температура.
Эти типы остекления не могут управляться вручную. В отличие от этого, все электрически переключаемые интеллектуальные окна могут быть настроены на автоматическую адаптацию своих свойств светопропускания в ответ на температуру или яркость путем интеграции с термометром или фотодатчиком соответственно.
Смарт-стекло может использоваться для энергосберегающего отопления и охлаждения в зданиях, контролируя количество солнечного света, проходящего через окно. Прозрачная или дымчатая пленка с контролем температуры заставляет смарт-пленку переходить в состояние дымки, когда солнечно и температура в помещении высокая. Когда солнечно и температура в помещении низкая, смарт-стекло переходит в прозрачное состояние.
В офисе:
Внутренняя отделка резиденции:
Демонстрация продукции и коммерческая реклама:
Смарт-стекло можно использовать как переключаемый проекционный экран на витрине магазина для рекламы. Смарт-пленка третьего поколения [ требуется разъяснение ] подходит как для фронтальной, так и для обратной проекции, а проецируемые изображения можно просматривать с обеих сторон. [ требуется цитата ]
Использование в других особых случаях включает:
Башня Эврика в Мельбурне имеет стеклянный куб, который выступает на 3 м (10 футов) из здания с посетителями внутри, подвешенный почти на 300 м (984 фута) над землей. Когда кто-то входит, стекло непрозрачно, так как куб выезжает за край здания. После того, как он полностью выдвинут за край, стекло становится прозрачным.
Boeing 787 Dreamliner оснащен электрохромными окнами, которые заменили опускающиеся шторки на окнах существующих самолетов. [19]
НАСА изучает возможность использования электрохромии для управления тепловой средой, в которой находятся недавно разработанные космические аппараты Orion и Altair .
Умное стекло использовалось в некоторых мелкосерийных автомобилях, включая Ferrari 575 M Superamerica . [20]
В высокоскоростных поездах ICE 3 между пассажирским салоном и кабиной машиниста используются электрохромные стеклянные панели.
В лифтах Монумента Вашингтона установлено « умное» стекло, позволяющее пассажирам видеть памятные камни внутри памятника.
Городской туалет на Музейной площади в Амстердаме оснащен интеллектуальным стеклом, которое позволяет легко определить занятость пустой кабинки, когда дверь закрыта, и сохранить конфиденциальность, когда кабинка занята.
Компания Bombardier Transportation установила интеллектуальные окна с функцией «размытия» в поезде Bombardier Innovia APM 100 , работающем на линии легкорельсового транспорта Bukit Panjang в Сингапуре , чтобы пассажиры не могли заглядывать в квартиры во время движения поезда [21], а также планирует предложить окна с использованием технологии «умного стекла» в своих легкорельсовых транспортных средствах Flexity 2. [22]
Китайский производитель телефонов OnePlus продемонстрировал телефон, задние камеры которого размещены за панелью из электрохромного стекла. [23]
Общественные туалеты в Токио используют эту технологию для решения проблем безопасности и конфиденциальности. Люди, приближающиеся к туалету, могут подтвердить, что он пуст, потому что они могут видеть интерьер, пока дверь не заперта. После того, как дверь занятого туалета заперта, стены комнаты становятся непрозрачными. [24] [25]
Volkswagen ID.7 оснащен панорамным люком из интеллектуального стекла, который можно переключать из прозрачного состояния в непрозрачное с помощью электропривода. [26]
Поезда Bombardier INNOVIA APM100 (C801) являются первым вариантом вагонов LRT в Сингапуре, который работает на 14-станционной линии Bukit Panjang LRT Line, управляемой SMRT Light Rail Ltd. Они были впервые разработаны Adtranz как CX-100, которая позже была приобретена Bombardier Transportation и переименована в 2001 году.
Эта технология электронного затемнения окон обеспечивает непревзойденную теплоизоляцию: SPD-SmartGlass существенно препятствует проникновению солнечного тепла через окна. По сравнению с обычным автомобильным стеклом, Mercedes-Benz сообщил, что использование SPD-SmartGlass значительно снизило температуру внутри автомобиля до 18 °F/10 °C. Это повышает комфорт пассажиров и снижает нагрузку на кондиционер, тем самым экономя топливо и сокращая выбросы CO2.
