Электрохромное окно: темнеет под напряжением, а тепловой режим переключают поворотом
Представьте стекло, которое по команде становится почти чёрным, а затем снова прозрачным. Это и есть электрохромная технология: оптическое состояние меняется под действием напряжения, а не потому, что на улице стало светлее или темнее.
Обычно такие разработки решают одну задачу: сколько видимого света и солнечной энергии впустить внутрь. Исследователи из Нанкинского университета добавили вторую — сколько собственного теплового излучения окно отдаёт наружу. Один образец работает и на летнее охлаждение, и на зимнее сохранение тепла, но режим у него переключают руками: конструкцию поворачивают другой стороной наружу.
Это не готовая автомобильная плёнка и не новое предложение для тонировочных студий. Пока перед нами лабораторное окно для зданий. Но оно показывает, куда может двигаться электрохромное остекление автомобилей: не просто менять прозрачность, а участвовать в работе климатической системы.
Что умело электрохромное стекло раньше
У обычной тонировочной плёнки одно постоянное состояние. Если она затемнена на производстве, такой она и останется.
В электрохромном стекле активный слой меняет оптические свойства при подаче небольшого напряжения. Стекло может стать темнее, сократить поступление солнечной энергии, а затем вернуться в прозрачное состояние.
Это уже больше похоже не на привычную плёнку, а на управляемое устройство. Но до сих пор основное внимание уделяли тому, сколько видимого света и солнечного излучения проходит через окно. Тепло, которое помещение уже накопило и само излучает наружу, обычно оставалось без отдельного управления.
Что добавили исследователи
В новом устройстве разделены две функции.
Первая — электрохромная. Под напряжением на прозрачном слое осаждается тонкая плёнка из меди и висмута. Образец постепенно меняется от прозрачного к серому, а затем почти к чёрному. При обратном процессе металлический слой растворяется, и окно снова пропускает свет.
Вторая функция связана не с видимой темнотой, а с тем, насколько легко поверхность отдаёт длинноволновое тепловое излучение. У двух сторон образца разные свойства. Поэтому исследователи физически поворачивают конструкцию нужной стороной наружу.
Получаются два основных режима:
| Режим | Видимое состояние | Работа с теплом |
|---|---|---|
| Летнее охлаждение | Стекло становится почти чёрным и пропускает меньше солнца | Сторона, которая лучше излучает тепло, направлена наружу |
| Зимний нагрев | Стекло возвращается в прозрачное состояние и использует солнечный нагрев | Сторона с меньшими тепловыми потерями направлена наружу |
Здесь важна честная оговорка: напряжение меняет прозрачность, но для переключения теплового режима в этом прототипе окно ещё нужно повернуть. Оно не выполняет обе операции одной кнопкой.
Что видно на самом образце
На фотографиях из исследования образец небольшой — около 10 квадратных сантиметров. В прозрачном состоянии через него виден знак университета. После осаждения металлического слоя поверхность становится чёрной.
Обычная камера показывает изменение прозрачности. Тепловизор показывает другое: после поворота та же конструкция иначе отдаёт тепловое излучение. Именно сочетание этих двух изменений и отличает эксперимент от обычного электрохромного затемнения.
Что показали испытания — и чего они не показывают
Исследователи проверяли образцы на улице в небольших теплоизолированных камерах. Летом температура под экспериментальным окном была ниже, чем под обычным стеклом; максимальная разница в одном из испытаний достигла 22,2 °C. Зимней ночью камера сохраняла до 1,5 °C дополнительного тепла.
Это не означает, что такое стекло охладит комнату или автомобиль на 22 градуса. Число получено в маленькой испытательной камере при конкретной погоде и конструкции опыта.
Авторы также проверили переключение на небольшом образце. Переход к тёмному состоянию занимал около 14 секунд, к прозрачному — около 7 секунд. После 2000 циклов образец продолжал переключаться: в светлом состоянии он пропускал около 56 % солнечного излучения в начале испытания и около 54 % в конце, в тёмном — около 7 % и около 6 %.
Для лабораторного прототипа это важные данные. Для автомобиля их недостаточно.
Почему это ещё не автомобильная тонировка
Автомобильное стекло изогнуто, ламинировано и постоянно испытывает вибрацию, мороз, жару и перепады влажности. В лобовом и панорамной крыше могут находиться обогрев, антенны, камеры и другие элементы.
Кроме того, автомобильное окно невозможно каждый сезон переворачивать другой стороной наружу. Значит, для машины нужен другой способ переключать тепловое излучение — без механического поворота всей конструкции.
Перед появлением такого решения в автомобиле нужно подтвердить:
- равномерное затемнение на площади целого стекла, а не маленького образца;
- отсутствие дымки и искажений;
- скорость переключения при разной температуре;
- работу после тысяч циклов, мойки, вибрации и ультрафиолета;
- безопасное состояние при отключении питания: образец держит своё состояние 36 часов без тока, то есть затемнённое стекло само не посветлеет, и машине нужен способ вернуть прозрачность при севшем аккумуляторе;
- совместимость с заводским многослойным стеклом и электроникой автомобиля.
Исследование этих ответов не даёт и автомобильный продукт не представляет.
Почему за технологией всё равно интересно следить
Электрохромное стекло обычно воспринимают как дорогую кнопку приватности: нажал — стало темнее. Эта работа показывает более серьёзное направление.
Будущее окно может решать сразу две задачи: выбирать, сколько солнечной энергии впустить, и управлять потерями уже накопленного тепла. Для автомобиля это могло бы означать светлое стекло зимой, более тёмное летом и меньшую нагрузку на климатическую систему.
Пока это только возможное применение принципа. Но теперь понятно, на что смотреть в следующих разработках: не только на прозрачное и тёмное состояния, но и на тепловое излучение, скорость переключения, ресурс, питание и размер рабочего образца.
То есть следующий шаг после электрохромной «тонировки по кнопке» — стекло, которое меняет не только внешний вид, но и своё участие в нагреве и охлаждении.
Источники
Загружаем обсуждение…