آزمایشگاه سیگما

دانشگاه تهران

آزمایشگاه سیگما

آزمایشگاه سیگما

شیشه های هوشمند

مقدمه :

ساختمان ها از جمله مکان هایی هستند که اتلاف انرژی زیادی در آن ها اتفاق می افتد و پنجره ها یکی از نقاطی در ساختمان ها هستند که در معرض تبادل انرژی زیادی قرار دارند. پنجره ها در ساختمان ها در طول روز نقش مهمی در بهره گیری از نور خورشید دارند. بیشتر اوقات پنجره ها اجازه ورود و خروج مقادیر انرژی زیادی را می دهند که در نهایت باید به وسیله ی گرم کردن یا سردکردن فضای داخلی دما را متعادل کرد، که هر دو این کارها نیاز به صرف انرژی دارد.

اگر پنجره ها توانایی تغییر میزان نور خروجی و انرژی خورشیدی را داشته باشند می توان انرژی را به صورت موثر ذخیره کرد. یک راه حل مناسب برای بهینه سازی انرژی استفاده از شیشه های هوشمند ترموکرومیک می باشد. شیشه های هوشمند ترموکرومیک شیشه هایی هستند که رنگ و خواص نوری آنها با دما تغییر می کند. در این مقاله سعی شده است ضمن معرفی شیشه های ترموکرومیک، در مورد خواص نوری، الکتریکی، ساز وکار عملکرد و روش های پوشش دهی نیز توضیح داده شود.

عملکرد شیشه های کنترل کننده ی انرژی در گرما و سرما :

مواد هوشمند تغییر رنگ دهنده یا کرومیک:

یکی از جالب ترین دسته هاي مواد هوشمند که بسیار هم مورد توجه قرار گرفته اند مواد کرومیک هستند. این مواد را میتوان در دسته هاي زیر تقسیم بندي کرد.

طبقه بندي مواد کرومیک :

فتوکرومیک: جذب انرژی تابشی سبب تغییر در ساختار شیمیایی این مواد شده و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری دیگر با میزان جذبی متفاوت تبدیل می شوند.

ترموکرومیک: موادی که در مقابل تغییر دما، به صورت بازگشت پذیری تغییر رنگ می دهند.

مکانوکرومیک : با تغییرات فشار یا تغییر شکل، خواص بازتابی متفاوتی نشان می دهند.

الکتروکرومیک : موادی که در مقابل تغییر ولتاژ، تغییر رنگ می دهند. مثلا پنجره های الکتروکرومیک روشن یا تار می شوند. این مواد به صورت چند لایه از مواد هستند.

انواع شیشه های هوشمند :

شیشه‌های ترموکرومیک :

با استفاده از پوشش‌ هایی از مصالح ترموکرومیک می‌توان نوعی شیشه ی هوشمند ساخت که بدون مسدود کردن نور، گرما را سد می‌کند. توانایی پوشش برای تغییر وضعیت بین جذب و انعکاس نور به معنی استفاده از مزایای گرمایش خورشید در شرایط زمستانی و انعکاس در دماهای بالاتر و جلوگیری از گداختگی فضا هاست. ضمن آنکه در هر دو حالت نور مرئی مطلوب جهت روشنایی فضا وجود دارد.

شیشه‌های گازوکرومیک Gasochromic :

شیشه هاي چند جداره ( حداقل دو جداره ) که پوشش هاي معینی بر روي آنها اندوده شده و بین لایه ها از گازهاي مختلف استفاده شده است. سیستم گازوکرومیک GC از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: یک واحد شیشه عایق شده گازوکرومیک IGU یک فیلم از WO3 است. با قرارگرفتن فیلم GC در معرض فشار ضعیف هیدروژن به رنگ آبی درمی آید و انتقال مرئی را از ۶۷ تا ۱۶و به طور مشابه انتقال انرژی خورشیدی ۶۰ تا ۱۲کاهش می‌دهد.

شیشه‌های الکتروکرومیک Electrochromic :

در این سیستم (EC)، واحد شیشه با استفاده از لایه های شفاف با ضخامت ۲۰۰ یا ۳۰۰ نانومتر با شدت ‌های رنگی متفاوتی در طیف مرئی، از شفاف تا آبی تیره تغییر می‌کند. واحد شیشه برای تغییر میزان شفافیت مطلوب با توجه به مقادیر مختلف انتقال حرارتی به جریان برق متصل می‌شود. پس از قطع جریان، تغییر حالت نوری حفظ می‌شود و نیازی به جریان مداوم برق نیست. وقتی که رنگ شیشه تیره می‌شود تابش حرارتی کاهش یافته و بیشتر اشعه عبوری در طیف مادون قرمز فیلتر می‌شود.

شیشه هاي لیکوئیدي:

با کنترل عبور نور از میان لایه هاي مختلف آن و ضریب شکست نور متفاوت در لایه ها، باعث اختلال مثبت در عبور نور خورشید می شوند.

شیشه‌های خود شو یا SelfCleaning :

پس از یک تحقیق ۴ ساله توسط محققان شرکت پیلینگتون و چندین شرکت بزرگ سازنده ی شیشه در نقاط مختلف دنیا، شیشه‌های خودشو ساخته شدند. شیشه‌ های خود شستشو در سطوح پایین هوشمندی قرار می‌گیرند. در فرایند ساخت این شیشه بر روی سطوح آن ها پوششی شفاف از نوع سخت اعمال می‌شود که با انجام یک فرایند شیمیایی باعث عدم اتصال مواد آلی و ذرات آلودگی چسبنده به شیشه می ‌شود. شیشه ‌های خودشو با استفاده از دو فرایند همزمان باعث تمیز نگه داشتن سطح شیشه می‌شوند:

الف- به علت اینکه لایه روی سطح شیشه، خاصیت فوتوکاتالیک (استفاده از نور برای انجام واکنش دارد)، باعث از بین بردن اتصال آلودگی ‌های موجود روی سطح شیشه با شیشه می‌شود.

ب- خاصیت دوم این روکش که همزمان با خاصیت فتوکاتالیک به وسیله نورUV فعال می‌شود. خاصیت هیدروفیلیک (آب دوستی) است. این ویژگی باعث می‌شود که آب روی سطح شیشه به صورت ورق پخش شود، بنابراین به راحتی روی سطح شیشه جاری و پخش می‌شود و سطح شیشه را تمیز می‌کند.

پوشش خود تمیز شونده اتیلن تترافلوئور اتیلن ETFE :

بیش از بیست و پنج سال است که فویل‌ها برای مسقف کردن سازه ‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌ اند. امروزه این سیستم ابتکاری که در آن شفافیت و وزنِ سبک با ویژگی‌های عایق کاری بسیار عالی و طول عمر زیاد ترکیب شده و در توسعه یمعماری،پیشگاماست.

شیشه هاي SPD :

مکانیزم عملکرد آن بدین صورت می باشد که نیازمند کنترل دستی با استفاده از تجهیزات گران قیمت، مانند صفحات  SPDهستند که محصولات سمی مختلفی در آن ها استفاده می شده و به سرعت دچار زوال می شدند.

شیشه هاي فتوکرومیک:

با برخورد نور UV تیره شده , هوشمند محسوب نمی شوند و کنترل آن در دست  ما نیست.

مزایای شیشه های ترموکرومیک :

خصوصیات زیر ، پنجره های ترموکرومیک را در مقایسه با انواع پنجره های تیره شونده، بسیار محبوب کرده است:

1. لایه های ترموکرومیک که خود را مستقیما با تغییر شدت تابش نور انطباق می دهند احتیاج به سیم، اتصال به برق، نقشه ها و تجهیزات کنترلگر ندارد.

2. پنجره هایی با این لایه می توانند توسط نصابان شیشه، درست مثل پنجره های معمولی اجرا شوند.

3. هزینه ی خرید و نصب این شیشه ها کم است.

نحوه ی عملکرد شیشه های ترموکرومیک در برابر نور خورشید :

لایه های نازک ترموکرومیک در دما های پایین (معمولا دمای اتاق) دارای ساختار مونوکلینیک هستند. مواد با ساختار مونوکلینیک از خود رفتار نیمه هادی بروز می دهند و دارای انعکاس اندک مخصوصا در ناحیه ی زیر قرمز نزدیک (NIR) هستند. هنگامی که دما از یک حد بحرانی بالاتر می رود ماده ی ترموکرومیک از ساختار مونوکلینیک به ساختار روتایل تغییر ساختار می دهد. این پدیده استحاله نیمه هادی به فلز (STM) نامیده می شود. در ساختار روتایل (حالت گرم) ماده مانند یک شبه فلز عمل کرده و طیف وسیعی از پرتو خورشید را بازتاب می دهد.

خواص وانادیم دی ‌اکسید برای استفاده در پنجره های هوشمند :

وانادیم دی‌ اکسید یکی از مواد مستعد در حوزه نور و الکترونیک است. محققان روشی یافته ‌اند که با استفاده از آن می‌توان لایه ی دی‌ اکسید وانادیم را با خواص بهبود یافته تولید کنند. در این روش گازی که مشابه اسپاترینگ است وانادیم دی‌ اکسیدی تولید می‌شود که انتقال نور در آن افزایش یافته و توانایی مدولاسیون خورشیدی نیز بهبود می‌یابد.


وانادیم دی‌ اکسید از جمله موادی است که می‌تواند در این فناوری استفاده شود. این ماده از جمله گزینه‌ های مهم در حوزه الکترونیک و نور است. این ماده قادر است از حالت شفاف به حالت مات درآید. در حالت شفاف در دمای پایین خواص نیمه‌ هادی داشته و تابش مادون قرمز از آن عبور می‌کند، اما در حالت مات خاصیت فلزی داشته و نور مرئی از آن عبور می‌ کند.


وانادیم دی‌ اکسید ماده بسیار مشهوری است که به سرعت تغییر فاز داده و از حالت فلزی به عایق تبدیل می‌شود. این تغییر فاز در 68 درجه سانتیگراد اتفاق می‌افتد.

اما دی‌اکسید وانادیم به ‌دلیل انتقال کم نوری ماده مناسبی برای پنجره‌ های هوشمند نیست. بنابراین باید آن را تقویت کرد تا هم خواص ترموکرومیک آن حفظ شود و هم انتقال نور آن افزایش یابد. محققان چینی روشی یافته‌اند که با آن می‌توان لایه های وانادیم دی‌ اکسید را به‌ صورت کنترل شده با مورفولوژی و پلی مورف دلخواه ایجاد کرد.

نتایج نشان داده اند که افزایش تخلخل در وانادیم دی‌ اکسید موجب کاهش ثابت نوری شده و عملکرد وانادیم دی‌ اکسید را بهبود می‌ بخشد. با این کار انتقال نور در آن افزایش یافته و توانایی مدولاسیون خورشیدی نیز بهبود می ‌یابد. آن ها از روش فاز گازی استفاده کردند که مشابه اسپاترینگ یا
CVD  است. یانفنگ گاو از آکادمی علوم چین می‌گوید با این روش می‌توان دی ‌اکسید وانادیم را با ضخامت و یکنواختی کنترل شده تهیه کرد.

تغییر فاز ماده ی ترموکرومیک :

فناوری استفاده از وانادیم دی اکسید بر اساس تغییر فاز ماده ی ترموکرومیک از فلز به نیمه هادی است که در مواد خالص در دمای 68 درجه سانتی گراد رخ می دهد. این تحول ساختاری باعث تغییرات قابل توجهی در خواص نوری مادون قرمز و هدایت الکتریکی می شود. مواد روتایل فلزی هستند و محدوده ی وسیعی از تابش های خورشیدی مادون قرمز را بازتاب می کنند؛ در حالی که فاز مونوکلینیک  حالت نیمه هادی و انتقال دهندگی دارد. در هر دو فاز روتایل و کلینیک خواص نوری مواد در منطقه مرئی طیف تغییر نمی کنند.

نوع استحاله، دمای استحاله و مقاومت الکتریکی تعدادی از مواد با رفتار ترموکرومیک :

دستگاه بلوری مونوکلینیک :

دستگاه بلوری تتراگونال :

برای اینکه وانادیوم دی اکسید به عنوان پوشش پنجره های هوشمند موثر باشد، مطلوب است که دمای استحاله ی آن از 68 درجه سانتی گراد به دمایی در حدود دمای اتاق کاهش یابد، به طور ایده آل دمای C° 20 . می توان با وارد کردن ناخالصی های یون های فلزی در شبکه ی وانادیوم دی اکسید به این هدف رسید. مشخص شده است که موثرترین ناخالصی یون فلزی تنگستن است، که باعث کاهش دمای انتقال به C° 25 برای هر درصد اتمی ترکیب شده از ناخالصی، می شود. ممکن است ناخالص سازی، علاوه بر اثرات پسماند قابل توجه، اثر منفی روی وضع انتقال مواد داشته باشد. همچنین نشان داده شده است که دمای انتقال می تواند تحت تاثیر فشار لایه قرار گیرد. همچنین می توان با انتخاب دقیق شرایط رسوب فشار را تعیین کرد.

خواندن 289694 دفعه آخرین ویرایش در یکشنبه, 26 ارديبهشت 1395 ساعت 22:00

111550 نظرها

نظر دادن

از پر شدن تمامی موارد الزامی ستاره‌دار (*) اطمینان حاصل کنید. کد HTML مجاز نیست.

درباره ما

 گروه پژوهشهای کاربردی MEMS دانشگاه تهران در مهر ماه 1394 با هدف انجام پژوهشهای کاربردی به منظور دستیابی به فنآوری های Hitech در حوزه های MEMS&NEMS که مورد نیاز صنایع مختلف کشور باشد، با تلاش جمعی از اساتید و دانشجویان رشته مهندسی سیستم های میکرو و نانو الکترومکانیکی دانشگاه تهران تاسیس گردید. 

بالا
ما از کوکی ها برای بهبود وب سایت استفاده می کنیم.ادامه استفاده شما از کوکی ها در سایت رضایت شما را از کوکی ها نشان می دهد. مشاهده جزئیات