Сергеев Евгений Викторович. Ллл

ЭЛЕКТРОХРОМНЫЕ ОКНА В АРХИТЕКТУРНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

0x01 graphic

В настоящее время существует целый ряд задач, в которых необходимо управление светопропусканием или светоотражением. К ним относятся;

- модуляция света в различных оптоэлектронных приборах

- вывод статичных широкоформатных изображений (большие информационные экраны)

- защита помещений архитектурных сооружений и салонов транспортных средств (наземного, водного и воздушного) от солнечного излучения.

Для решения этих задач в последние годы все большое применение находят системы, основной механизм работы которых определяется свойствами хромогенных материалов [1].

Наибольшее применение нашли четыре группы хромогенных материалов, действие которых основано на эффектах электрофореза суспендированных частиц, термохромии, электрооптическом эффекте жидкокристаллических систем, фотохромии и электрохромии.

Явление электрохромии обладает наиболее широкими возможностями для реализации технических решений автоматического управления электромагнитным излучением (процессом окрашивания-обесцвечивания) по сравнению с другими вариантами указанных выше хромогенных материалов. Это можно объяснить достаточно активной реакцией электрохромных материалов на изменение электрического поля, низкими потенциалами поляризации 0,5-5 В, и широким ассортиментом электрохромных материалов неорганической и органической природы, определяющих спектр окрашивания электрохромных окон.

Электрохромными свойствами обладают ряд соединений переходных металлов, например, WO₃, Nb₂O₅ , Ta₂O₅, MoO₃, комплексные соединения Ni, Co, Fe, полианилин и его производные. Под действием электрического поля в указанных материалах контактирующих с электролитом протекает электрохимическая реакция, например, при окрашивании-обесцвечивании W0₃

WO₃ (обесцвеченный) +ne^- + nM⁺ = M_nWO₃ (синий)

где М⁺ - ион металла (Li⁺, Na⁺, Ag⁺) или протон (H⁺). Равновесие смещается влево или вправо в зависимости от направления электрического тока. В отсутствии внешнего электрического поля реакция не идет.

Синий цвет обусловлен широкой полосой поглощения и отражения в красной и ИК областях спектра, соответствующей переходу электронов с внешней оболочки W⁵⁺ на внешнюю оболочку W⁶⁺. Следует отметить, что пленки нанесенные разными методами, на практике окрашиваются в один и тот же синий цвет.

Конструкция электрохромных систем (окон) представляет собой слоевой пакет (рис. 1), обычно содержащий пять функциональных слоев, из

потенциалов, причем проводящая пленка соприкасающаяся с пленкой WO₃ имеет отрицательный потенциал, катодно поляризуема, а проводящая пленка с противоэлектродом имеет положительный потенциал, анодно поляризуема. В этом случае (рис. 2) в пленку WO₃с катода инжектируются электроны, а из электролита инжектируются катионы. При размыкании цепи цвет пленки сохраняется в течение определенного отрезка времени. Для обесцвечивания пленки WO₃ прикладывается напряжение обратной полярности. Катионы и электроны из пленки WO₃ экстрагируются электрическим полем. Электрический ток будет протекать, пока пленка не вернется в исходное состояние.

Впервые электрохромный эффект несмотря на высокую стоимость систем на его основе получил практическую реализацию в автомобильной промышленности. В 90-х годах прошлого столетия появились роскошные лимузины с солнцезащитными электрохромными окнами и зеркалами заднего и бокового вида защищающие водителя от ослепления. Длительное время технология производства электрохромных систем использовалась исключительно автомобильной промышленности. Это можно объяснить высокой стоимостью электрохромных устройств, цена которых достигала $1000 и более [2]. С развитием технологии нанесения электрохромных слоев, которая в начале своего становления базировалась на дорогостоящих вакуумных технологиях, начинает привлекать внимание ряд отраслей промышленности, в том числе строительную промышленность. Появление и совершенствование нано- и золь-гель технологий [3] позволило снизить стоимость электрохромных систем и довести цену 1 м² до $100-250 [1]. Кроме того, развитие золь-гель технологии в определенной степени упростило реализацию производства электрохромных стекол большой поверхности.

Все ведущие фирмы мира (Flabeg Group, SAGE Electrochromics, UMU Nippon Sheet Glass, Townsend Group) ориентированы на производство электрохромных устройств. Исследования проводятся при финансовой поддержке государственных структур совместно с университетами и национальными лабораториями.

В России золь-гель технология находится на лабораторной стадии, реальные промышленные производства, использующие эту технологию, отсутствуют.

Прежде чем перейти к постановке организации производства электрохромных стекол золь-гель методом необходимо вначале провести анализ особенностей энергосбережения по сравнению с k- и l-стеклами и фотохромными стеклами.

Постоянно присутствующий энергетический кризис инициировал ряд исследований по созданию энергосберегающих низкоэмиссионных стекол с пониженной эффективной теплопередачей. Решение проблемы заключалось в создании низкоэмиссионных покрытий способных отражать ИК диапазон электромагнитного излучения, тем самым, препятствуя потерям тепла. Кроме того, они отражают солнечную радиацию, в том числе в видимом диапазоне.

Существует два типа низкоэмиссимонных стекол, отличающихся по составу и функциональным свойствам покрытий.

-- Твердое покрытие (hard coating) - на основе оксида олова, допированного фтором, SnO₂:F. Стекла с подобным покрытием, именуются термином

k-стекло.

-- Мягкое покрытие (soft coating) на основе серебра (Ag), обозначаемое как

l-стекло.

Современные сложившиеся формы остекления строительных объектов, в том числе и остекления низкоэмиссионными стеклами, основаны на постоянных конструкциях и не учитывают сезонных колебаний солнечного света, а также колебаний тепловой энергии при смене дня и ночи. Например, коэффициент теплопередачи окна снижается с увеличением кратности остекления от h = 5,6-5,8 Вт/м²К у оконного остекления до h = 3,2 Вт/м²К у сдвоенного остекления и до 2,3 Вт/м²К у утроенного остекления. Коэффициент теплопередачи можно снизить и довести до 1,1-0,9 Вт/м²К применением низкоэмиссионных стекол и сэкономить до 35-40 % тепловой энергии, теряемой при обычном остеклении. Подобные конструкции не обеспечивают летней тепловой защиты от солнечного излучения.

Для защиты от солнечного излучения в настоящее время применяют механические системы управления солнечной радиацией. Это шторы, жалюзи, ставни или маркизы. К сожалению, они не долговечны, финансово затратны и имеют ограниченную прикладную сферу приложения. В последнее время промышленностью выпускаются солнцезащитные стекла, принцип действия, которых основан на селективном поглощении солнечной энергии. Адсорбция света осуществляется специальными пленками, нанесенными на поверхность стекла. Обычно это многослойные пленки из переходных металлов Cr, Ni, Mo, Ta.

Фотохромные стекла в отличие от пассивно реагирующих вышеприведенных модифицированных стекол достаточно активно реагируют на солнечное излучение, окрашиваясь в темный цвет[1]. Принцип их работы основан на обратимых фотохимических реакциях органических соединений или галогенидов серебра под действием солнечного излучения. В результате фотохимической реакции образуются продукты, селективно поглощающие свет. Фотохромные окна автономны в соей работе, но практически не управляемы и мало стойки к УФ-излучению.

Абсолютную величину изменения оптической плотности практически не достигнуть вследствие определенных отклонений в свойствах исходных материалов и методов изготовления электрохромных окон или систем. Однако, порядок изменения светопропускания указывает на реальные перспективы энергосбережения, управлением автоматического кондиционирования воздуха и созданием комфортных условий летом, т.е. созданием условий защиты от солнечной радиации.

Если проанализировать кинетику начального периода окрашивания, то можно заключить, что процесс окрашивания хорошо регулируемый процесс, который позволяет изолировать ИК-область солнечной радиации, (рис. 3, кривая окрашивания 40 с) и защитить от перегрева помещение, сохранить его освещенность и таким образом избежать дополнительных затрат электроэнергии на освещение.

Анализ процесса обесцвечивания ЭХ окна указывает, что процесс обесцвечивания занимает более короткое время и это необходимо учитывать при создании автоматически управляемых электрохромных окон.

В лаборатории радиоэлектронных и светотехнических материалов Санкт-Петербургского государственного технологического института проведены исследования по созданию электрохромных нанокомпозиций и золь-гель методу нанесения электрохромных слоев и сборке экспериментальных ЭХ окон на стеклянной подложке, 10в10 см².

В качестве основных объектов исследования были выбраны соединения вольфрама, формирующие электрохромный слой, молибдена и других многовалентных металлов, на основе которых создавалась пленка противоэлектрода. Электролитом был выбран раствор перхлората лития в пропиленкарбонате и полимерные композиции с введением акриловой кислоты.

Оставить комментарий © Copyright Сергеев Евгений Викторович (zhe88010@ya.ru) Размещен: 07/08/2012, изменен: 07/08/2012. 11k. Статистика. Глава: Иллюстрации/приложения: 1 шт.		Ваша оценка:

Сергеев Евгений Викторович : другие произведения.

Ллл