Energibesparende lysstyringsfilm, der automatisk styrer sollysoverførsel om sommeren og vinteren

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST; Præsident:Ryoji Chubachi) og Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical; Præsident:Masakazu Tokura) har udviklet en ny energibesparelse, automatisk lysstyringsfilm. Dette er opnåelsen af ​​en forskningsgruppe bestående af Kazuki Yoshimura (Leder), Energy Control Thin Film Group, Materialeforskningsinstituttet for bæredygtig udvikling (direktør:Mamoru Nakamura) fra AIST, og Basic Chemicals Research Laboratory (direktør:Yoshiaki Takeuchi) fra Sumitomo Chemical.

Denne lysstyringsfilm er baseret på, at der er en ændring i den indfaldende vinkel af sollys mellem sommer og vinter. Filmen blokerer sollys om sommeren ved at bruge total refleksion, men transmitterer den om vinteren. I modsætning til andre lysstyringsfilm, filmen kan styre transmissionen af ​​direkte sollys, mens den altid tillader folk indenfor at se udsigten uden for vinduet. Uden iboende ændringer, filmen styrer automatisk lysoverførsel afhængigt af sæsonen. Lysoverførsel kan styres ved blot at vedhæfte filmen til et eksisterende vindue. Derfor, hvis filmen kan produceres effektivt, det vil spare energi ved væsentligt at reducere køle- og varmebelastninger.

Denne lysstyringsfilm vil blive udstillet i Sumitomo Chemicals stand på Automotive Engineering Exposition 2013, afholdes fra den 22. til den 24. maj, 2013, på Pacifico Yokohama, Yokohama, Kanagawa Prefecture.

Social baggrund for forskning

AIST har udviklet ressourcebesparende, miljøforbedrende byggematerialer, der hjælper med at reducere CO2-udledningen fra energiforbruget i hjemmet og på arbejdet. Køling og opvarmning tegner sig for omkring 30% af energiforbruget i hjemmet og på arbejdet, og vinduer er bygningsdele, der i væsentlig grad påvirker energiforbruget til disse formål. Formålet med et vindue er at slippe lys ind. Normalt vinduesglas overfører varme, såvel som synligt lys, og forringer varmeisolering af bygninger. Derfor, forbedring af varmeisolering af vinduer alene sparer væsentligt energi. I de seneste år, dobbeltrude og lav-E glas (øko-glas) med høje isolerende egenskaber er blevet meget udbredt. Lysstyringsglas styrer selv indgående og udgående lys og varme for at forbedre energieffektiviteten ved effektivt at blokere sollys, foruden varmeisolering.

Glasset skal opfylde to modstridende krav:om sommeren det skal blokere så meget sollys som muligt for at reducere kølebelastningen, mens det stadig slipper noget lys ind fra udsigten uden for vinduet. For at opfylde disse krav, energibesparende lysstyringsglas er blevet kommercialiseret; sådanne typer glas omfatter lavemissivitetsglas, der transmitterer synligt lys og reflekterer nær-infrarødt lys, og elektrokromisk glas, der kan skifte mellem blokerende og gennemsigtige tilstande.

Der er en sæsonbestemt ændring i den indfaldende vinkel af sollys på et vindue. Sollys kommer i en større hændelsesvinkel om sommeren. Hvis et vindue kun kan blokere lys med en stor indfaldsvinkel, det ville være muligt at blokere direkte sollys og slippe lys ind fra udsigten uden for vinduet. Imidlertid, briller og film med denne type lysstyringsfunktion var ikke blevet udviklet hidtil.

Forskningshistorie

AIST mente, at glas kunne udvikles til at styre lystransmission i henhold til den indfaldende vinkel af sollys ved at udnytte total refleksion ved grænsefladen mellem to gennemsigtige medier. Det har udviklet et strålesporingsprogram specielt til analyse af refleksion og transmission af sollys for at optimere strukturen af ​​en lysstyringsfilm. Det har fundet filmens struktur, der kan blokere så meget direkte sollys som muligt om sommeren, mens det slipper så meget lys ind fra udsigten udenfor som muligt.

Fremstillingsmetoden for en lysstyringsfilm med denne struktur var nøglen til kommercialisering af filmen. Sumitomo Chemical, som har stærke teknologiske muligheder for fremstilling af gennemsigtige film, udviklet fremstillingsprocessen, og forskerne udviklede en prototype lysrefleksionsfilm med total refleksion.

Detaljer om forskning

Figur 1 viser den grundlæggende struktur af den udviklede totalrefleksionslysstyringsfilm. Filmen anvender et gennemsigtigt medium med for- og bagfladerne ikke parallelle med hinanden. For eksempel, når et akrylmateriale (brydningsindeks n =1,49) bruges som det transparente medium, med bagfladen vinklet ved 7 °, og lys kommer fra luft til overfladen af ​​mediet i en indfaldsvinkel større end 60 °, lyset, der brydes i mediet, indfalder på bagfladen i en vinkel større end den kritiske vinkel, og der sker total refleksion. Imidlertid, hvis en gennemsigtig film med ikke-parallelle overflader bruges som vinduesrude, lyset fra udsigten uden for vinduet brydes, og udsigten ser suspenderet ud i luften. For at forhindre dette, en anden film med det samme tværsnit er lagret på hovedet til den første film. Som resultat, brydningerne af lyset, der passerer gennem filmene, annulleres, og udsigten ser den samme ud som med en enkelt rude i klart glas. Et meget tyndt lag luft dannes automatisk ved lagdeling af de to film.

Imidlertid, en film med strukturen i fig. 2 kan ikke bruges på vinduesglas uden modifikation. Hvis filmen var 1 m firkantet, dens tykkelse ville være så meget som omkring 10 cm. Imidlertid, hvis tværsnittet ligner det i fig. 1, hændelsesvinkelafhængigheden af ​​lystransmission forbliver uændret. Derfor, som vist i fig. 4, en flertrins lysstyringsfilm med lignende totale refleksionskarakteristika kan laves ved at forkorte trinets lodrette længde og tilvejebringe flere trin. Hvis længden L på et trin er 10 cm, bredden W kan være 1 cm. Hvis L er 1 cm, W kan være 1 mm. En lysstyringsfilm med sådanne dimensioner kan fastgøres til vinduesglas for at opnå lignende totale refleksionskarakteristika som en enkelt-trinsfilm. Hvis vinklen på bunden af ​​et trin fra lodret er mindre end 42 °, lyset i vandret retning passerer igennem, og udsigten ser det samme ud som med gennemsigtigt glas.

En undersøgelse af lysoverførselsegenskaberne ved en flertrins totalrefleksionslysstyringsfilm viser, at det indfaldende lys forlader i samme vinkel, når hændelsesvinklen er mindre end 60 °, som med enkelttrinsfilmen. Når hændelsesvinklen er 60 ° eller større, total refleksion opstår. Imidlertid, i modsætning til enkelt-trinsfilmen, lyset er ikke blokeret helt; i stedet, omkring 75% er blokeret. Figur 5 viser en klar akrylmodel af lysstyringsfilmen med en sådan struktur. Når sollysets indfaldsvinkel er 60 ° eller større, skygger skabes.

Alle disse sollysoverførselsegenskaber er dem til direkte sollys. I virkelige applikationer, indirekte såvel som direkte sollys skal overvejes. Forskergruppen kørte en felttest for at bestemme den lysblokerende ydelse af totalrefleksionsfilmen i et virkeligt miljø.

Figur 6 viser tidsafhængigheden af ​​mængden af ​​sollys, der transmitteres gennem enkelt- og firetrins akryl totalreflekterende lysstyringsfilm (12 × 12 cm) fastgjort til et sydvendt vindue. Målingerne blev foretaget i september og viser derfor filmens præstationer om sommeren. En-trins totalrefleksionsfilm til lysstyring blokerede næsten alt direkte sollys og overførte kun indirekte sollys. Solens transmittans blev bestemt ved at integrere intensiteten af ​​det transmitterede direkte og indirekte sollys og dividere den samlede mængde sollys, der overføres på en dag, med den samlede mængde lodret direkte sollys, der hændes på en sydvendt overflade. Solens transmittans er 23% for enkelt-trins totalrefleksionslysstyringsfilm og 38% for firetrins totalrefleksionslysstyringsfilm. Sollysoverførslen af ​​firetrins totalrefleksionslysstyringsfilm er 80% om vinteren, hvilket indikerer, at firetrinsfilmen automatisk kan blokere omkring 40% af solenergien i at passere gennem den.

Målinger af lysstyringsegenskaber blev foretaget på en prototype lysrefleksfilm med total refleksion. Filmen udviste evnen til automatisk at kontrollere lystransmission før og efter forårsjævndøgn. Selvom denne evne endnu ikke har nået det teoretisk forudsagte niveau, det er blevet demonstreret for første gang, at en lysstyringsfilm med en sådan struktur kan realiseres.

Fremtidsplaner

For at kommercialisere den totalreflekterende lysstyringsfilm, strukturen vist i fig. 4 skal fremstilles med præcision ved en temmelig kort stigning (dvs. trinlængde) og på en effektiv måde. Forskningsgruppen udvikler en effektiv filmfremstillingsproces baseret på den kontinuerlige dannelse af smeltet termoplastisk harpiks ved hjælp af en præcisionsform.

Med målet om kommercialisering inden for få år, fremstillingsprocessen vil blive forbedret af Sumitomo Chemical for at forbedre dens lysblokerende ydeevne, og der vil blive udviklet en bedre metode til påføring af filmen på vinduesglas.