Умное стекло, также известное как переключаемое стекло , динамическое стекло и стекло с умной тонировкой , представляет собой тип стекла , которое может изменять свои отражающие свойства, чтобы предотвратить попадание солнечного света и тепла в здание, а также обеспечить конфиденциальность. «Умное» стекло для строительства призвано обеспечить более энергоэффективные здания за счет уменьшения количества солнечного тепла, проходящего через стеклянные окна. [1]
Существует две основные классификации умного стекла: активное и пассивное. Наиболее распространенными технологиями активного стекла, используемыми сегодня, являются электрохромные , жидкокристаллические устройства и устройства со взвешенными частицами (SPD). Термохромные и фотохромные технологии относятся к пассивным технологиям. [2]
При установке в ограждающие конструкции зданий интеллектуальное стекло помогает создать адаптируемую к климату оболочку здания , [3] преимущества которой включают в себя такие вещи, как регулировка естественного освещения, визуальный комфорт, блокировка ультрафиолетового и инфракрасного излучения , снижение энергопотребления, тепловой комфорт, устойчивость к экстремальным погодным условиям. условия и конфиденциальность. [4] Некоторые «умные» окна могут самостоятельно адаптироваться к обогреву или охлаждению для экономии энергии в зданиях . [5] [6] [7] «Умные» окна могут устранить необходимость в жалюзи, шторах или отделке окон. [8]
Некоторых эффектов можно добиться, ламинируя смарт-пленку или переключаемую пленку на плоские поверхности с использованием ламината из стекла, акрила или поликарбоната. [9] Некоторые типы смарт-пленок можно наносить на существующие стеклянные окна с помощью самоклеящейся смарт-пленки или специального клея. [10] Методы нанесения прозрачных покрытий методом распыления для блокировки тепла и проведения электричества также находятся в стадии разработки. [11]
Термин «умное окно» возник в 1980-х годах. Его представил шведский физик-материалист Клаес-Йоран Гранквист из Технологического университета Чалмерса , который обсуждал идеи по повышению энергоэффективности строительных материалов с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии . Гранквист использовал этот термин для описания адаптивного окна, способного динамически менять свой оттенок. [4]
В следующей таблице представлен обзор различных технологий электрически переключаемых интеллектуальных стекол:
Электрохромные устройства изменяют свойства светопропускания в зависимости от напряжения и, таким образом, позволяют контролировать количество проходящего света и тепла. [12] В электрохромных окнах материал меняет свою непрозрачность . Для изменения его непрозрачности требуется разряд электричества, но материал сохраняет свой оттенок практически без дополнительных электрических сигналов. [13]
Старые электрохромные технологии имеют тенденцию иметь желтый оттенок в прозрачном состоянии и синий оттенок в окрашенном состоянии. Потемнение происходит от краев, продвигаясь внутрь, и представляет собой медленный процесс, длительностью от многих секунд до 20–30 минут в зависимости от размера окна. Новые электрохромные технологии устраняют желтый оттенок в прозрачном состоянии и окрашивают в более нейтральные оттенки серого, окрашивая равномерно, а не снаружи внутрь, и ускоряют скорость тонирования до менее чем 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 разработке отражающих гидридов, которые становятся отражающими, а не поглощающими, и, таким образом, переключают состояния между прозрачным и зеркальным.
Последние достижения в области модифицированных пористых нанокристаллических пленок позволили создать электрохромный дисплей. Структура дисплея с одной подложкой состоит из нескольких сложенных друг на друга пористых слоев, напечатанных друг на друге на подложке, модифицированной прозрачным проводником (например, ITO или PEDOT:PSS ). Каждый печатный слой имеет определенный набор функций. Рабочий электрод состоит из положительного пористого полупроводника, такого как диоксид титана, с адсорбированными хромогенами . Эти хромогены меняют цвет в результате восстановления или окисления. Пассиватор используется в качестве негатива изображения для улучшения электрических характеристик . Изоляционный слой служит для увеличения 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-накопительного заряда. В качестве проводящего заднего контакта противоэлектрода обычно используется проводящий углеродный слой. На последнем этапе печати пористая монолитная структура покрывается жидким или полимерно-гелевым электролитом, высушивается, а затем может быть включена в различные капсулы или корпуса, в зависимости от требований применения. Дисплеи очень тонкие, часто 30 микрометров. Устройство можно включить, приложив электрический потенциал к прозрачной проводящей подложке относительно проводящего углеродного слоя. Это приводит к уменьшению количества молекул виологена (окрашиванию) внутри рабочего электрода. Изменяя приложенный потенциал или обеспечивая путь разряда, устройство отбеливает. 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), и поэтому такие типы смарт-пленок должны быть заключены в стеклянные, акриловые или поликарбонатные ламинаты, чтобы обеспечить электробезопасность пользователей. [ нужна цитата ]
В жидкокристаллических устройствах с дисперсией полимера (PDLC) жидкие кристаллы растворяются или диспергируются в жидком полимере с последующим затвердеванием или отверждением полимера. Во время перехода 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, что, в свою очередь, влияет на конечные эксплуатационные свойства «умного окна». Обычно жидкую смесь полимера и жидких кристаллов помещают между двумя слоями стекла или пластика, которые включают тонкий слой прозрачного проводящего материала с последующим отверждением полимера, тем самым образуя базовую многослойную структуру умного окна. Эта структура по сути является конденсатором.
К прозрачным электродам прикреплены электроды от источника питания. При отсутствии приложенного напряжения жидкие кристаллы располагаются в каплях случайным образом, что приводит к рассеянию света при его прохождении через узел «умного окна». В результате получается полупрозрачный «молочно-белый» вид. Когда на электроды подается напряжение, электрическое поле, образующееся между двумя прозрачными электродами на стекле, заставляет жидкие кристаллы выравниваться, позволяя свету проходить через капли с очень небольшим рассеянием и приводя к прозрачному состоянию. Степень прозрачности можно контролировать приложенным напряжением. Это возможно, поскольку при более низких напряжениях лишь немногие жидкие кристаллы полностью выравниваются в электрическом поле, поэтому сквозь него проходит лишь небольшая часть света, а большая часть света рассеивается. По мере увеличения напряжения меньше жидких кристаллов остается не выровненными, что приводит к меньшему рассеянию света. Также можно контролировать количество проходящего света и тепла, используя оттенки и специальные внутренние слои.
В устройствах с взвешенными частицами (SPD) тонкопленочный ламинат из стержнеобразных наноразмерных частиц суспендируется в жидкости и помещается между двумя кусками стекла или пластика или прикрепляется к одному слою. Когда напряжение не приложено, взвешенные частицы организуются случайным образом, блокируя и поглощая свет. При подаче напряжения взвешенные частицы выравниваются и пропускают свет. Изменение напряжения пленки меняет ориентацию взвешенных частиц, тем самым регулируя оттенок стекла и количество пропускаемого света. SPD можно «настраивать» вручную или автоматически для точного контроля количества проходящего света, бликов и тепла.
Микрожалюзи контролируют количество проходящего света в зависимости от приложенного напряжения. Микрожалюзи представляют собой рулонные тонкие металлические жалюзи на стекле. Они очень маленькие и поэтому практически невидимы для глаза. Металлический слой наносится магнетронным распылением и формируется с помощью лазера или литографии. Стеклянная подложка включает тонкий слой прозрачного проводящего оксида (TCO). Между слоем прокатанного металла и слоем ТСО наносится тонкий изолятор для электрического разъединения. При отсутствии напряжения микрожалюзи сворачиваются и пропускают свет. Когда между прокатанным металлическим слоем и прозрачным проводящим слоем возникает разность потенциалов, электрическое поле, образующееся между двумя электродами, заставляет свернутые микрожалюзи растягиваться и, таким образом, блокировать свет. Микрожалюзи имеют ряд преимуществ, включая скорость переключения (миллисекунды), стойкость к ультрафиолетовому излучению, индивидуальный внешний вид и передачу света. Технология микрожалюзи была разработана в Национальном исследовательском совете (Канада) .
Полимер с изменяющейся фазой (PCP) демонстрирует обратимый фазовый переход между аморфным и полукристаллическим состояниями. [14] В этом изменении фазы преобладает изменение температуры при применении термохромного смарт-стекла, что делает его полностью автоматическим и без затрат на электроэнергию. Структура PCP часто состоит из двух основных компонентов: полимерного компонента с фазовым изменением (назовем его P1), сшитого с другим полимером (P2), который сильно отделен от первого по фазе из-за различной гидрофильности . Следовательно, P1 и P2 способны образовывать фазовое разделение 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, что делает 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 грамотном выборе материала для P1 можно наблюдать обратный эффект переключения пропускания. Например, если при температуре ниже Tp показатель преломления полукристаллического P1 не соответствует показателю P2, пленка становится непрозрачной; если аморфный P1 соответствует P2 по показателю преломления при температуре выше Tp, то пленка прозрачна при повышенной температуре. Одним из характерных применений может быть нанесение ПХФ на стеклянное окно склада, где ПХФ становится непрозрачным в жаркие дни, чтобы блокировать чрезмерное излучение и охлаждать помещение, тем самым экономя энергию от работы кондиционера. [16]
Выражение «умное стекло» можно интерпретировать в более широком смысле, включив в него также стекла, которые меняют свойства светопропускания в ответ на сигнал окружающей среды, такой как свет или температура.
Эти типы остеклений не могут управляться вручную. Напротив, все умные окна с электрическим переключением могут автоматически адаптировать свои светопроницаемые свойства в зависимости от температуры или яркости путем интеграции с термометром или фотодатчиком соответственно.
Умное стекло можно использовать для энергосберегающего отопления и охлаждения в здании, контролируя количество солнечного света, проходящего через окно. Прозрачная или матовая пленка для контроля температуры приводит к тому, что интеллектуальная пленка переходит в состояние дымки, когда солнечно и температура в помещении высокая. Когда солнечно и температура в помещении низкая, умное стекло переходит в прозрачное состояние.
В офисе:
Внутренняя отделка резиденции:
Демонстрация продукта и коммерческая реклама:
Смарт-стекло можно использовать в качестве переключаемого проекционного экрана на витрине магазина для рекламы. Умная пленка третьего поколения [ нужны пояснения ] хороша как для прямой, так и для обратной проекции, а проецируемые изображения можно просматривать с обеих сторон. [ нужна цитата ]
Использование для других особых случаев включает в себя:
Башня Эврика в Мельбурне имеет стеклянный куб, выступающий на 3 м (10 футов) из здания с посетителями внутри, подвешенный на высоте почти 300 м (984 фута) над землей. Когда кто-то входит, стекло становится непрозрачным, поскольку куб выезжает за край здания. После полного выдвижения края стекло становится прозрачным.
Boeing 787 Dreamliner оснащен электрохромными окнами, которые заменили опускающиеся шторы на существующих самолетах. [19]
НАСА изучает возможность использования электрохромии для управления тепловой средой, в которой находятся недавно разработанные космические аппараты «Орион » и «Альтаир» .
Умное стекло использовалось в некоторых автомобилях мелкосерийного производства, 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 используется умное стекло, чтобы пассажиры могли видеть памятные камни внутри памятника.
Городской туалет на площади Музейной площади в Амстердаме оснащен умным стеклом, позволяющим легко определить статус занятости пустой кабинки, когда дверь закрыта, а затем обеспечить конфиденциальность, когда она занята.
Bombardier Transportation имеет интеллектуальные размытые окна в Bombardier Innovia APM 100 , курсирующем на сингапурской линии Bukit Panjang LRT , чтобы пассажиры не могли заглядывать в квартиры во время движения поезда [21] и планирует предложить окна с использованием технологии умного стекла в своем автомобиле Flexity . 2 легкорельсовых транспорта . [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 убедиться, что он пуст, потому что они могут заглянуть внутрь, пока дверь не заперта. Когда занятая дверь туалета заперта, стены комнаты становятся непрозрачными. [24] [25]
Volkswagen ID.7 оснащен панорамным люком из «умного» стекла, который можно электрически переключать с прозрачного на матовый. [26]
[27]
Поезда Bombardier INNOVIA APM100 (C801) — это первый вариант вагонов LRT в Сингапуре, который курсирует на 14-станционной линии Bukit Panjang LRT, которой управляет компания SMRT Light Rail Ltd. Впервые они были разработаны Adtranz как CX-100, который позже был приобретен компанией SMRT Light Rail Ltd. Bombardier Transportation и переименована в 2001 году.
Эта технология окон с электронной регулировкой яркости обеспечивает непревзойденную теплоизоляцию: SPD-SmartGlass существенно препятствует проникновению солнечного тепла через окна.
По данным Mercedes-Benz, по сравнению с обычным автомобильным стеклом, использование SPD-SmartGlass значительно снизило температуру внутри автомобиля на 18 °F/10 °C.
Это повышает комфорт пассажиров и снижает нагрузку на систему кондиционирования, тем самым экономя топливо и снижая выбросы CO2.
