Estructura y función de la película de control automático de la luz.
El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST; Presidente:Ryoji Chubachi) y Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical; Presidente:Masakazu Tokura) han desarrollado un novedoso sistema de ahorro de energía, película de control de luz automático. Este es el logro de un grupo de investigación formado por Kazuki Yoshimura (Líder), Grupo de película fina de control de energía, el Instituto de Investigación de Materiales para el Desarrollo Sostenible (Director:Mamoru Nakamura) de AIST, y el Laboratorio de Investigación de Químicos Básicos (Director:Yoshiaki Takeuchi) de Sumitomo Chemical.
Esta película de control de la luz se basa en el hecho de que hay un cambio en el ángulo de incidencia de la luz solar entre el verano y el invierno. La película bloquea la luz solar en verano mediante la reflexión total, pero la transmite en invierno. A diferencia de otras películas de control de luz, la película puede controlar la transmisión de la luz solar directa y, al mismo tiempo, permite que las personas que están dentro vean la vista fuera de la ventana. Sin cambios inherentes, la película controla automáticamente la transmisión de luz según la temporada. La transmisión de luz se puede controlar simplemente colocando la película en una ventana existente. Por lo tanto, si la película se puede producir de manera eficiente, Ahorrará energía al reducir sustancialmente las cargas de refrigeración y calefacción.
Esta película de control de luz se exhibirá en el stand de Sumitomo Chemical en la Automotive Engineering Exposition 2013, a realizarse del 22 al 24 de mayo, 2013, en Pacifico Yokohama, Yokohama, Prefectura de Kanagawa.
Antecedentes sociales de la investigación
AIST ha estado desarrollando ahorro de recursos, Materiales de construcción que mejoran el medio ambiente y que ayudan a reducir las emisiones de CO2 derivadas del uso de energía en el hogar y el trabajo. La refrigeración y la calefacción representan aproximadamente el 30% del uso de energía en el hogar y en el trabajo. y las ventanas son componentes de construcción que afectan sustancialmente el uso de energía para estos fines. El propósito de una ventana es dejar entrar la luz. El vidrio de ventana normal transmite calor, así como la luz visible, y deteriora el aislamiento térmico de los edificios. Por lo tanto, mejorar el aislamiento térmico de las ventanas solo ahorra energía sustancialmente. En años recientes, El vidrio de doble panel y el vidrio de baja emisividad (vidrio ecológico) con altas propiedades aislantes se han vuelto ampliamente utilizados. El propio vidrio de control de luz controla la luz y el calor entrantes y salientes para mejorar la eficiencia energética al bloquear eficazmente la luz solar. además del aislamiento térmico.
El vidrio debe cumplir con dos requisitos contradictorios:en verano, necesita bloquear la mayor cantidad de luz solar posible para reducir la carga de refrigeración y, al mismo tiempo, dejar entrar algo de luz de la vista fuera de la ventana. Para cumplir con estos requisitos, se ha comercializado vidrio de control de luz que ahorra energía; tales tipos de vidrio incluyen vidrio de baja emisividad que transmite luz visible y refleja la luz del infrarrojo cercano, y vidrio electrocrómico que puede cambiar entre los estados de bloqueo y transparente.
Hay un cambio estacional en el ángulo de incidencia de la luz solar en una ventana. La luz solar tiene un ángulo de incidencia mayor en verano. Si una ventana puede bloquear solo la luz con un gran ángulo de incidencia, sería posible bloquear la luz solar directa y dejar entrar la luz de la vista fuera de la ventana. Sin embargo, Hasta ahora no se habían desarrollado gafas y películas con este tipo de función de control de la luz.
Historia de la investigación
AIST creía que el vidrio podría desarrollarse para controlar la transmisión de luz de acuerdo con el ángulo de incidencia de la luz solar utilizando la reflexión total en la interfaz entre dos medios transparentes. Ha desarrollado un programa de trazado de rayos específicamente para analizar la reflexión y la transmisión de la luz solar para optimizar la estructura de una película de control de la luz. Ha encontrado la estructura de la película que puede bloquear la mayor cantidad de luz solar directa posible en verano y dejar entrar tanta luz de la vista exterior como sea posible.
El método de fabricación de una película de control de luz con esta estructura fue la clave para la comercialización de la película. Sumitomo Chemical, que tiene fuertes capacidades en tecnología para la fabricación de películas transparentes, desarrolló el proceso de fabricación, y los investigadores desarrollaron un prototipo de película de control de la luz de reflexión total.
Detalles de la investigación
Figura 1:Estructura básica de la película de control de luz de reflexión total
La Figura 1 muestra la estructura básica de la película de control de luz de reflexión total desarrollada. La película utiliza un medio transparente con las superficies frontal y posterior no paralelas entre sí. Por ejemplo, cuando se utiliza un material acrílico (índice de refracción n =1,49) como medio transparente, con la superficie trasera inclinada a 7 °, y la luz proviene del aire sobre la superficie del medio en un ángulo de incidencia mayor de 60 °, la luz refractada en el medio incide sobre la superficie posterior en un ángulo mayor que el ángulo crítico y se produce una reflexión total. Sin embargo, si se utiliza una película transparente con superficies no paralelas como cristal de ventana, la luz de la vista exterior de la ventana se refracta y la vista parece suspendida en el aire. Para prevenir esto, otra película con la misma sección transversal se coloca boca abajo en la primera película. Como resultado, las refracciones de la luz que pasa a través de las películas se cancelan y la vista se ve igual que con un solo panel de vidrio transparente. Se forma automáticamente una capa muy fina de aire al colocar las dos películas en capas.
Figura 2:Características de transmisión de luz de la película de control de luz de reflexión total (paso único)
Figura 3:Cambio en el ángulo del perfil en una ventana orientada al sur (en Nagoya, a 35,1 ° N) Por la mañana y por la tarde en verano, el sol está en el lado norte de la habitación y no golpea el lado sur.
Figura 4:Estructura de una película de control de luz de reflexión total de varios pasos y características de transmisión de luz de vidrio de control de luz de reflexión total con cuatro pasos
Sin embargo, una película con la estructura de la Fig. 2 no se puede usar en el vidrio de una ventana sin modificaciones. Si la película fuera de 1 m cuadrado, su grosor sería de unos 10 cm. Sin embargo, si la sección transversal es similar a la de la Fig.1, la dependencia del ángulo de incidencia de la transmisión de luz permanece sin cambios. Por lo tanto, como se muestra en la Fig.4, Se puede hacer una película de control de luz de varios pasos con características de reflexión total similares acortando la longitud vertical del paso y proporcionando más pasos. Si la longitud L de un escalón es de 10 cm, el ancho W puede ser de 1 cm. Si L es 1 cm, W puede ser de 1 mm. Una película de control de luz con tales dimensiones se puede unir al vidrio de la ventana para lograr características de reflexión total similares a las de una película de un solo paso. Si el ángulo de la parte inferior de un escalón con respecto a la vertical es inferior a 42 °, la luz en la dirección horizontal pasa a través y la vista se ve igual que con el vidrio transparente.
Una investigación de las características de transmisión de luz de una película de control de luz de reflexión total de varios pasos muestra que la luz incidente sale en el mismo ángulo cuando el ángulo de incidencia es menor de 60 °, como con la película de un solo paso. Cuando el ángulo de incidencia es de 60 ° o mayor, se produce una reflexión total. Sin embargo, a diferencia de la película de un solo paso, la luz no se bloquea por completo; en lugar de, aproximadamente el 75% está bloqueado. La figura 5 muestra un modelo acrílico transparente de la película de control de luz con tal estructura. Cuando el ángulo de incidencia de la luz solar es de 60 ° o mayor, se crean sombras.
Todas estas características de transmisión de la luz solar son las de la luz solar directa. En aplicaciones de la vida real, Debe tenerse en cuenta la luz solar directa e indirecta. El grupo de investigación realizó una prueba de campo para determinar el rendimiento de bloqueo de luz de la película de reflexión total en un entorno de la vida real.
Figura 5:Modelo acrílico de una película de control de luz de reflexión total Aunque el modelo es transparente, Las sombras se crean porque se bloquea una cantidad considerable de luz cuando el ángulo de incidencia de la luz solar es de 60 ° o más.
Figura 6:Transmisión de la luz solar a través de películas de reflexión total adheridas al vidrio de la ventana, medido en una situación de la vida real
La Figura 6 muestra la dependencia del tiempo de la cantidad de luz solar transmitida a través de películas acrílicas de control de la luz de reflexión total de uno y cuatro pasos (12 × 12 cm) unidas a una ventana orientada al sur. Las mediciones se realizaron en septiembre y, por tanto, muestran el rendimiento de las películas en verano. La película de control de luz de reflexión total de un solo paso bloqueaba casi toda la luz solar directa y solo transmitía luz solar indirecta. La transmitancia de la luz solar se determinó integrando la intensidad de la luz solar directa e indirecta transmitida y dividiendo la cantidad total de luz solar transmitida en un día por la cantidad total de luz solar directa vertical incidente sobre una superficie orientada al sur. La transmitancia de la luz solar es del 23% para la película de control de luz de reflexión total de un solo paso y del 38% para la película de control de luz de reflexión total de cuatro pasos. La transmitancia de la luz solar de la película de control de luz de reflexión total de cuatro pasos es del 80% en invierno, lo que indica que la película de cuatro pasos puede bloquear automáticamente alrededor del 40% de la energía solar para que no pase a través de ella.
Las mediciones de las características de control de la luz se realizaron en un prototipo de película de control de la luz de reflexión total. La película exhibió la capacidad de controlar automáticamente la transmisión de luz antes y después del equinoccio de primavera. Aunque esta habilidad aún no ha alcanzado el nivel teóricamente predicho, Se ha demostrado por primera vez que se puede realizar una película de control de luz con tal estructura.
Planes futuros
Para comercializar la película de control de luz de reflexión total, la estructura que se muestra en la figura 4 debe fabricarse con precisión en un paso bastante corto (es decir, longitud de paso) y de una manera eficiente. El grupo de investigación está desarrollando un eficiente proceso de fabricación de películas basado en la formación continua de resina termoplástica fundida utilizando un molde de precisión.
Con el objetivo de comercializar dentro de unos años, Sumitomo Chemical mejorará el proceso de fabricación para mejorar su rendimiento de bloqueo de la luz y se desarrollará un método mejor para aplicar la película al vidrio de la ventana.
