Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Zastosowania struktur elektrochromowych do sterowania oświetleniem wnętrz obiektów budowlanych

Applications of electrochromic structures for controls interiors lighting in construction objects
Zjawisko elektrochromowe polega na odwracalnej transformacji strukturalnej niektórych materiałów, w wyniku czego zmieniają się ich właściwości optyczne
Zjawisko elektrochromowe polega na odwracalnej transformacji strukturalnej niektórych materiałów, w wyniku czego zmieniają się ich właściwości optyczne

Zastosowanie struktury elektrochromowej w szybach okiennych różnego rodzaju obiektów budowlanych umożliwia sterowanie zmianą współczynnika transmisji (w zakresie światła widzialnego) i odbicia światła (w zakresie podczerwieni) poprzez przyłożenie do niej odpowiedniego napięcia. Tym samym można, w sposób kontrolowany, wpływać na intensywność oświetlenia wnętrz wykorzystującego do oświetlenia światło dzienne.

W artykule:

• Czym jest zjawisko elektrochromowe?
• Wykorzystanie zjawiska elektrochromowego
• Zalety i wady zaletami materiałów elektrochromatycznych

W przypadku intensywnego promieniowania słonecznego funkcją okna jest takie ograniczenie tego promieniowania, aby nie powodowało nadmiernego oświetlenia wnętrza, jak również niepożądanego wzrostu temperatury. Problemy te coraz częściej są rozwiązywane przez zastosowanie szyb pokrytych cienką warstwą materiału o kontrolowanych parametrach optycznych w wybranym zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego. Obiecujące rezultaty osiągnięto przy wykorzystaniu zjawiska elektrochromowego [1-4], które umożliwia kontrolowaną zmianę parametrów optycznych szyb stosowanych w różnego rodzaju oknach.

Przez szybę okienną energia cieplna jest przenoszona na skutek dwóch procesów. Pierwszym z nich jest transmisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni, a drugim jest proces przewodzenia ciepła na skutek różnicy temperatur po obu stronach pomiędzy powierzchniami szyby [2]. Wyniki wielu badań pokazują, że w naszym klimacie, przy różnicy temperatur wynoszącej kilkanaście °C, większość energii cieplnej wypływa przez szybę okienną na skutek promieniowania (ok. 70%).

W celu obniżenia przepływu energii w procesie promieniowania zwykle pokrywa się szybę cienką warstwą metaliczną, także warstwami stopów i związków, które zmieniają parametry optyczne szyby w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego.

W wyniku oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z szybą szklaną, część energii tego promieniowania ulega odbiciu, część jest absorbowana, a część przepuszczana. W stanie równowagi energia absorbowana jest następnie reemitowana na obie strony szyby. Pokrycie powierzchni szkła cienką warstwą odpowiedniego materiału może w znaczny sposób zmienić proporcje poszczególnych współczynników [1, 2].

Zjawisko elektrochromowe

Zjawisko elektrochromowe polega na odwracalnej przemianie strukturalnej pewnych materiałów, w wyniku której zmieniają się ich właściwości optyczne. Jednym z wielu takich materiałów jest trójtlenek wolframu WO3. Struktura tego tlenku umożliwia wprowadzenie do jego sieci dodatnich jonów, takich jak H+ czy Na+ o małych promieniach jonowych, czemu towarzyszy przemiana do struktury tzw. brązu wolframowego HxWO3.

Czytaj też: Oświetlenie awaryjne w świetle wymagań normy PN-EN 50172:2005 Systemy awaryjnego oświetlenia ewakuacyjnego >>


WO3 jest przezroczystym izolatorem, natomiast HxWO3 jest granatowo zabarwionym elektronowym przewodnikiem. Powyższą przemianę można zapisać w postaci reakcji [1, 2, 4]:

MeOy + xA + + xe → AxMeOy

gdzie:

  • Me – atom metalu,
  • A+ – dodatni jon,
  • e- – elektron przewodnictwa.

Reakcja ta jest odwracalna. W stanie zabarwionym, ze względu na obecność swobodnych elektronów, materiał ten ma elektronowe właściwości metalu, a tym samym charakteryzuje się też dużym współczynnikiem odbicia w zakresie podczerwieni. Dodatnie jony wodorowe lub sodowe można wprowadzić do sieci tlenku z elektrolitu ciekłego lub stałego zawierającego te jony o odpowiednio dużej ruchliwości. Model struktury elektrochromowej z WO3 w obu stanach został przedstawiony na rysunku 1. [2].

Model struktury elektrochromowej
Rys. 1. Model struktury elektrochromowej [2]

Składa się ona z przezroczystych warstw elektrodowych, takich jak przykładowo In2O3:Sn, warstwy elektrochromowej i warstwy przewodnika jonowego. Tak zwana przeciwelektroda chroni elektrodę przed niepożądanym wpływem jonów H+ oraz Na=. Zabarwienie uzyskuje się przez przyłożenie niewielkiego stałego napięcia (1 – 3 V) na czas ułamka sekundy, w takim kierunku, aby jony wprowadzić do sieci tlenku. Zachodzi wówczas przemiana do HxWO3 i warstwa elektrochromowa zabarwia się. Stan ten utrzymuje się bardzo długo (praktycznie kilka tysięcy godzin) po odłączeniu źródła napięcia.

Odbarwienie polega na wyprowadzeniu jonów H+ z sieci HxWO3 po przyłożeniu na ułamek sekundy napięcia w kierunku przeciwnym (rys. 2.).

 Dynamiczne charakterystyki
Fot. 3. Dynamiczne charakterystyki dla warstwy elektrochromowej WO 3

Charakterystyczne jest, że procesy te zachodzą przy bardzo małych gęstościach prądu, a intensywność zabarwienia (a więc transmisja światła i odbicie w podczerwieni) są zależne od przyłożonego napięcia, co pokazano na rysunkach 3. i 4.

Obecnie znanych jest wiele materiałów elektrochromowych i przewodników jonowych [3 – 7], zarówno organicznych, jak i nieorganicznych o różnych barwach w stanie zabarwionym. Są to zarówno materiały organiczne, takie jak antrachironie, jak i np. trójtlenek wolframu WO3, tlenek niklu NiO, trójtlenek molibdenu MoO3 lub tlenki irydu IrOx oraz polimery (np. polianilinie, polipropylenie) [5, 6].

Zależność współczynnika transmisji
Rys. 3. Zależność współczynnika transmisji warstwy elektrochromowej WO3 od wartości napięcia przyłożonego do warstwy [2]
Zależność współczynnika transmisji
Rys. 4. Zależność współczynnika transmisji warstwy elektrochromowej WO3 od długości fali dla trzech wartości napięcia przyłożonego do warstwy [2]

Struktura elektrochromowa naniesiona na szkło w różnego rodzaju oknach umożliwia zmianę parametrów optycznych okna w szerokim zakresie. Rozdział energii przez takie okno, znany w literaturze jako „smart windows”, w stanie zabarwionym i odbarwionym został przedstawiony na rysunku 5.

Transmisja energii przez pojedynczą szybę
Rys. 5. Transmisja energii przez pojedynczą szybę z naniesioną strukturą elektrochromową: a) stan odbarwiony, b) stan zabarwiony [4]

Tego rodzaju szyby są już stosowane na niewielką skalę w różnego rodzaju oknach, chociaż obecnie koszty wytwarzania struktury elektrochromowej są jeszcze dość wysokie.

Podsumowanie

Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowanie struktury elektrochromowej w różnego rodzaju szybach okiennych, zwłaszcza w obiektach budowlanych, umożliwia sterowanie zmianą współczynnika transmisji (w zakresie widzialnym) i odbicia (w zakresie podczerwieni). Takie zmiany współczynników uzyskuje się poprzez przyłożenie niewielkiego napięcia stałego (1 – 5 V) do warstwy elektrochromowej, a tym samym można wpływać, w sposób kontrolowany, na intensywność oświetlenia wnętrz przy wykorzystywaniu światła dziennego. Dodatkowo, poprzez regulację współczynnika odbicia w zakresie podczerwieni, można ograniczyć wzrost temperatury wnętrza w okresie intensywnego promieniowania słonecznego.

Jednym z najpoważniejszych obecnie producentów technologii szklenia elektrochromatycznego jest amerykańska firma „SAGE Electrochromics”. Produkty firmy znalazły komercyjne zastosowanie m.in. w budynku biurowym „Bridge Street ­Office Bulding” w Irvington (NY, USA). Szklenie elektrochromatyczne izolacyjne wykorzystano również w świetlikach dachowych firmy Velux [6].

Głównymi zaletami materiałów elektrochromatycznych są m.in. takie cechy jak:

  • małe zapotrzebowanie napięciowe (1 – 5 V),
  • konieczność zasilania elektrycznego jedynie w momencie trwania zmiany przejrzystości (przejścia fazowego),
  • płynna regulacja zmiany przejrzystości,
  • ochrona przed niszczącym promieniowaniem ultrafioletowym.

Do istotnych wad struktur elektrochrmowych można obecnie zaliczyć to, że szkło z elektrodami jest znacznie droższe niż zwykłe szkło (obecnie dostępne na rynku okna ze szkła elektrochromatycznego są o około 2 – 3 razy droższe od analogicznych rozwiązań ze szkła selektywnego wraz z systemem zacieniającym [7]).

Do wad zalicza się też niezbyt duż? trwa?o?? ą trwałość materiałów, przy czym obecne okna pogarszają swoje parametry już po 10 – 20 latach (jest to wyraźnie krótszy czas, niż w większości tradycyjnych oszkleń). Inną wadą obecnie produkowanych okien ze strukturami elektrochromowymi jest czas potrzebny do przejścia ze stanu przezroczystego na nieprzezroczysty i z powrotem, który może wynosić nawet kilka minut [7] dla dużych powierzchni szklanych.

Warto wiedzieć!

Zjawisko elektrochromowe polega na odwracalnej przemianie strukturalnej pewnych materiałów, w wyniku której zmieniają się ich właściwości optyczne. Zabarwienie warstwy elektrochromowej uzyskuje się poprzez przyłożenie niewielkiego napięcia (1 – 3 V), a odbarwienie po przyłożeniu napięcia w kierunku przeciwnym. Zastosowanie struktury elektrochromowej w szybie okiennej umożliwia sterowanie zmianą współczynnika transmisji i odbicia światła poprzez przyłożenie do niej odpowiedniego napięcia. Tym samym można wpływać na intensywność oświetlenia wnętrz przy wykorzystywaniu światła dziennego. W przypadku intensywnego promieniowania słonecznego funkcją okna jest takie ograniczenie tego promieniowania, aby nie powodowało nadmiernego oświetlenia wnętrza, jak również niepożądanego wzrostu temperatury.

Literatura

  1. E. Leja, Z. Porada, Application of electrochromic structures in window sets, Proceedings of VII International Symposium on Trends and Applications of thin Films, TATF’ 2000, Nancy 2000, s. 293–295.
  2. Z. Porada, Wybrane zastosowania warstw elektrochromowych, Prace Czwartej Krajowej Konferencji „Postępy w Elektrotechnice Stosowanej” PES-4, Kościelisko 2003, Tom I, s. 193–197.
  3. A. Ptak, Nowe, inteligentne okna elektrochromowe, 2013, http://www.dominnowacji.pl/nowe-inteligentne-okna-elektrochromowe/
  4. Z. Porada, Zastosowanie warstw elektrochromowych do sterowania oświetleniem wnętrz pojazdów trakcyjnych, X Jubileuszowa Ogólnopolska Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej SEMTRAK 2002, Zakopane-Kościelisko 2002, Materiały Konferencyjne, Tom I, s. 361–364.
  5. A. Piccolo, F. Simone, Performance requirements for electrochromic smart window, 2015, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2015.07.002
  6. J. Marchwiński, Szklenie elektrochromatyczne w budownictwie, Świat szkła, 2007, http://www.swiat-szkla.pl/component/content/article/95-wydanie-3-2007/5309-szklenie-elektrochromatyczne-w-budownictwie.html
  7. Ch. Woodfort, „Smart” windows (electrochromic glass), 2017, https://www.explainthatstuff.com/ electrochromic-windows.html
Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!

[oświetlenie, obiekty budowlane, struktury elektrochromowe, szklenie elektrochromatyczne, zjawisko elektrochromowe]

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Gdzie szukać pomocy przy doborze właściwego źródła zasilania »

Dobór źródła zasilania

Optymalne rozwiązania na każdym etapie, zarówno dystrybucji, jak i tworzenia dedykowanych pakietów zasilania. Wszystko po to, aby zapewnić jak najwyższą jakość ... czytam dalej »

 


Jak zmniejszyć swój rachunek za prąd »

koszt prądu

Oszczędzanie na rachunkach za prąd w domu lub firmie jest możliwe. Wystarczy dokładnie sprawdzić (...) zobacz ile możesz oszczędzić »

 


Jednoobwodowy licznik energii - jaki wybrać?»

Zobacz co nowego poznamy na targach Energetab 2019 »

Licznik energii jaki wybrać Energetab 2019 logo
Zasilacze awaryjne trzeciej generacji z bardzo wysoką sprawnością 96% w trybie On-Line oraz ze znakomitym współczynnikiem mocy 1(...) czytam więcej » ENERGETAB – największe w Polsce targi nowoczesnych urządzeń, aparatury i technologii dla przemysłu energetycznego, to miejsce jednych z najważniejszych spotkań czołowych przedstawicieli branży elektrotechnicznej w Polsce.(...) czytam dalej »

 


Łączniki i gniazda instalacyjne - jakie wybrać?

Kamery termowizyjne Perfekcyjne dopełnienie nowoczesnego wnętrza.
Prosta, ponadczasowa forma, jakość wykonania, niezawodny system, to tylko niektóre (...)
czytam dalej »


Automatyka przemysłowa i sterowanie - na jakie produkty zwrócić uwagę »

Przewodnik po złączach - znajdż idealne rozwiązanie dla siebie »

automatyka przemysłowa Przewodnik po złączach
Jak sztuczna inteligencja wspomoże pracę elektrowni i fabryk? Aż 63 proc. respondentów twierdzi, że sztuczna inteligencja pomoże zwalczyć (...) czytam więcej » Poznaj pierwszy w branży przewodnik elektroniczny po złączach. Internetowe narzędzie referencyjne ułatwiające dobór złączy. (...) chcę zobaczyć »

 


Oznaczniki mobilne na przewody i osprzęt - które wybrać »

Kamery termowizyjne Technika laminowania taśm, zapewnia trwałe nadruki poprzez całkowitą ochronę tekstu przed czynnikami niszczącymi, takimi jak: zdrapywanie, ścieranie, zmywanie, promieniowanie UV a nawet substancj (...) czytam dalej »

 


Dobór ograniczników przepięć typu 1 »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

ograniczniki bezpanelowa energia słoneczna
Kombinowane ograniczniki przepięć jako urządzenia do ograniczania przepięć mają za zadanie zmniejszenie do bezpiecznych poziomów napięcia w instalacji elektrycznej oraz na wejściu zasilanych urządzeń: podczas operacji łączeniowych ń (...) czytam więcej » Innowacje i technologia przeszły długą drogę. Rzeczywiście wkroczyliśmy w nową generację nowoczesnych udogodnień, które nie tylko sprawiają, że nasz styl życia jest bardziej luksusowy i komfortowy, ale... czytam dalej »

Szybki i łatwy sposób na budowę Twojego indywidualnego systemu wizyjnego»

zasilanie gwarantowane Badania przeprowadzone przez Computer Business Review wykazały, że od 2013 roku mamy do czynienia z dynamicznym wzrostem przenoszenia przez przedsiębiorców zasobów danych do tzw. chmury obliczeniowej (cloud computing). W związku z tym stale wzrastają wydatki przeznaczan ... czytam dalej »


Bramka IoT chmury do integracji nowych i istniejących systemów bez konieczności programowania.»

Zobacz jak robot testuje bankomaty?

bramka iot Robot testuje bankomaty
Dzięki prostemu połączeniu z procesem za pomocą protokołów, np. Modbus/TCP, dane czujników i dane procesowe są zbierane, przetwarzane i monitorowane ... czytam więcej » Około 30 sekund zajmuje średnio wypłacenie pieniędzy z wielofunkcyjnego bankomatu ATM. Urządzenia, które są dostępne „za rogiem” w większości miast, zmieniły nasze podejście ... czytam dalej »

Jaką zastosować ochronę urządzeń elektrycznych i elektronicznych przed przepięciami »

ochrona przed przepięciami Każdy ogranicznik przepięć ma pewną określoną zdolność do przenoszenia przez siebie pewnej energii udaru. Jeśli po zadziałaniu ... czytam dalej »


Złącza silnoprądowe - czy silikon sobie poradzi?

Złącza silnopradowe Czy możemy zastosować elastyczne przewody silikonowe i czy są one odporne na uszkodzenie i wysokie temperatury? Przykładowo dla przekroju kabla 240 mm2 ... chcę obejrzeć »


Może Cię to zainteresuje ▼

Wyświetlacz cyfrowy - jaki wybrać?

Przewdonik "Eliminuj błędy
i usprawnij instalacje przewodów" »

wyświetlacze cyfrowe kable i przewody - przewodnik
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenia nie wymagające dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań ... czytam więcej » Poznaj najskuteczniejsze sposoby oznaczania kabli i komponentów wykorzystywanych w branżach elektrycznych i telekomunikacyjnych... czytam dalej »


Transformatory oraz dławiki dostosowane do indywidualnych wymagań »

transformatory ei Mają zastosowanie w sieciach przesyłowych i rozdzielczych. Stosowane są do zasilania układów trakcyjnych w pojazdach szynowych, w instalacjach wykorzystujących napędy (...) czytam dalej »


1-fazowe liczniki energii elektrycznej - widziałeś to?!

Switch zarządzalny – czy warto? Jaki wybrać?

Liczniki energii jakie wybrać Switche niezarządzalne
Wymagania stawiane licznikom energii elektrycznej zawarte są w normach oraz przepisach (...) czytam dalej » Switch zarządzalny daje możliwość nie tylko stworzenia siecilokalnej, ale daje wiele innicf możliwości. Między innymi pozwala także dostosować porty, a więc i parametry sieci do... czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
9/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Metody badania funkcji zabezpieczeń nadprądowych przekaźników elektroenergetycznych
  • - Fotowoltaika szansą rozwoju dla komunikacji miejskiej
Zobacz szczegóły

Działalność TGE w sierpniu 2019 r.

Towarowa Giełda Energii podsumowała działalność w sierpniu 2019 r. Wynika z niej, że wolumen obrotu energią elektryczną na TGE wyniósł 21 214 456 MWh i był o 18,4 proc. wyższy niż w...

Przekaźnik instalacyjny o wysokiej odporności na prąd udarowy

RPI-1ZI-U24A firmy Relpol, to nowy przekaźnik instalacyjny, który wytrzymuje prąd załączania 120 A w czasie 20 ms. Przekaźnik ten przeznaczony jest do załączania obwodów o wysokim...
.steute Polska .steute Polska
steute jest międzynarodowym przedsiębiorstwem specjalizującym się w projektowaniu oraz produkcji bezpiecznej, niezawodnej aparatury...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl