CN106414886B

CN106414886B - 活性建筑窗

Info

Publication number: CN106414886B
Application number: CN201580005066.2A
Authority: CN
Inventors: 安东尼奥·博努奇
Original assignee: SAES Getters SpA
Current assignee: SAES Getters SpA
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN106414886A; WO2015125035A1; EP3108083A1; US20160333636A1; JP2017509813A; ES2659881T3; EP3108083B1

Abstract

一种活性窗，其包括由相互平行的N个百叶板制成的软百叶帘，其中百叶板包含能够改变其光通过量的活性材料。

Description

活性建筑窗

本发明涉及用于改善生活和工作住所的照明质量的方案，涉及通过活性建筑窗控制进入的环境光。

如每个人已知且经历过的，在白天，来自环境的进入的光通常存在很大变化，所述变化与季节、时间、天气条件相关。对于这些变化，存在改变/控制外部光进入住所，以保持舒适的照明类型和水平的需求，既要避免眩光效果又要避免与过度使用人工照明相关的能源浪费。

用于控制住所中的环境光的量的最著名且广泛使用的方案之一为借助相邻/耦接到建筑窗的软百叶帘(Venetian blind)。该方案提供下列优势：

·阻挡直接进入的太阳辐射，

·当适当取向时，通过防止太阳圆面(solar disk)在住所占用部分中的直射(direct projection)来避免眩光，

·使光线改变方向为朝向天花板或住所的其他部分，使其为住所照明做出贡献，

·在阴天的情况下或当没有太阳圆面的直射时，允许入射光的进入。

该方案的主要缺点之一涉及百叶帘的固定结构特征，即其不能改变和控制如透射率、反射率和颜色的特性。

相反，在遮光技术领域中存在已知的用电致变色材料制成的窗，在本领域中有时被缩写为ECW(电致变色窗)，其为已实现的或包含(例如，涂覆有)如下材料的窗：当供给电流时，该材料改变其光透射特性(颜色、透射率、反射率)。关于这些装置及其控制的更多信息可参见美国专利申请2013/264948。

该ECW的主要优势在于：

·就预定目标而言，进入的光线最大化，

·通过降低透光率而减少眩光，

·通过使透光率达到最大而使进入的光线最大化。

基于ECW的方案的主要缺点为其仅部分减少眩光效果，特别是在入射光非均匀的情况下，ECW的调整仅减轻了不适，此外所做的调节是以牺牲进入的光线为代价的。软百叶帘控制眩光并通过反射提供入射光的可用部分，但以牺牲外部可见性为代价。一般而言ECW在夏季减少建筑物的制冷能源消耗方面更有效，而软百叶帘在减少眩光上更有效。其已由发表在Energy Procedia 30(2012)，404-413页的文章“Comparative energy andeconomic performance analysis of an electrochromic window and automatedexternal venetian blind”的表4和表6中的实例证实。如该文中报道的，通过使用自动垂直百叶帘，用于遮光的能量消耗低于电致变色窗且眩光指数被限制在低于不适的临界值以下的方案。

本发明的目的为提供能够以协同方式利用软百叶帘和ECW的特性和有利方面的用于控制进入的环境光的方案，其第一方面在于包含间隔开距离d的两个窗格玻璃的活性窗，该窗格玻璃中的每一个的面积A均为0.09m²至2m²，以及用于密封活性窗的框，其中在该窗中设置有由相互平行的N个百叶板制成的软百叶帘，百叶板的宽度为所述距离d的10％至95％，其特征在于百叶板包括能够改变其光通过量的电致变色活性材料。

光通过量的改变通过控制百叶板的透射率和/或反射率实现，控制百叶板的透射率和/或反射率将改变和影响允许进入住所的光的量以及进入光的照明机制(从全部或部分直射光到部分散射光)，或者对于既半透明又半反射的百叶板而言为二者的组合。

百叶板包含透射率可变的材料，尤其是百叶板的本体本身可利用透射率(和/或反射率)可变的材料制成，或活性材料可涂覆于至少百叶板的上表面上。下文将涉及透射率可变的材料，但也可对具有反射率可变且可控的活性材料以及同时控制透射率和反射率的混合方案进行相同的考虑。

最适合于实施本发明的透光率可变的系统为电致变色或光伏变色系统。应当指出本发明的目的和目标不是关于新型的透射率可变的材料或系统，而是关于使用并整合该材料以获得具有增强的特性和性能的活性建筑窗的新方法。

光伏变色系统可通过将电致变色系统与光伏系统垂直整合(耦合)获得，所述光伏系统是指由太阳辐射发电的装置的更广泛的含义，因此还涵盖例如太阳能电池的系统，所述太阳能电池最受关注的系统之一为DSSC(染料敏化太阳能电池)。

其他可被认为如此的整合系统为发表于Energy&Environmental Science，2011，第4号2567-2574页的“Highly efficient smart photovoltachromic devices withtailored electrolyte composition”的文献中所述的系统。

电致变色系统通常包含下列元件：

–第一和第二透明或部分透明基底，通常用同一材料制成，优选由玻璃或聚合物，PET，制成；其还可为部分透明的，且具有散射光的相关散射部分；

–第一和第二透明电极(最通常用ITO制成)

–第一电致变色层(即活性材料)

–电解质如聚合物粘合剂(PEO，聚氧化乙烯)，其中溶解有盐MX(NaCl、LiClO₄)或聚2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙烷(PAMPS)，其提供自身的H⁺离子；

–第二电致变色层(即活性材料)，其中第二电致变色层可被非着色氧化还原材料替代。

用于这些系统的合适的活性材料实例为：

–电致变色氧化物选自：WO₃、Nb₂O₅、NiO、MoO₃、Ir₂O₃、混合氧化物如锑-锡氧化物(ATO)、多金属氧酸盐、紫罗碱、普鲁士蓝、酞菁典型的所谓全固态电致变色系统。

–电活性聚合物(全导电性聚合物)，如聚吡咯(PPys)、聚苯胺、聚噻吩、薄膜形式的C60、碱取代的聚噻吩、PEDOT(聚3,4-亚乙基二氧噻吩)、PEDOP(聚3,4-亚乙基二氧吡咯)，

–紫罗碱和四甲基-对亚苯基-二胺(TMPD)为典型的所谓全液态电致变色系统，且其中电致变色剂分散于电解质中，

–氰基苯基对草快(cyanophenylparaquat)类，典型的所谓固-液电解质，

–电驱动系统如液晶和悬浮颗粒显示器，在此情况下电解质和第二电致变色层为任选的。

–调光镜(switchable mirror)基于：

a.下列的氢致相变(可电化学地或通过暴露于氢气和氧气而实现转换)

1.稀土和稀土混合物，

2.含镁的过渡金属，例如Mg₄Ni/Pd/Al/Ta₂O₅/H_xWO₃/铟-锡氧化物(ITO)

b.铜/氧化铜，通过在碱性电解质中在块体铜电极上阳极(氧化)形成氧化铜膜，例如通过电化学循环，所述电化学循环可使用Pt对电极和HgO/Hg参比电极在0.1M的NaOH溶液中进行。

c.在无水电解质(优选锑或铋)中通过锂化和去锂化的金属相和半导体相的相互转换；电化学循环可利用碳酸亚丙酯中1M的LiClO₄进行，使用锂箔对电极和参比电极。

耦合的光伏变色堆叠体由垂直层叠和电连接的太阳能电池堆叠体和电致变色堆叠体制成。

整合的光伏变色封装堆叠体用透明基底、透明阴极、电子半导体、染料、电解质、电致变色层(活性材料)和对电极以及透明或部分透明基底上的又一透明或部分透明电极制成。如前所述，在透射率或反射率方面，阴极和基底可为部分透明的且具有散射光的相关部分。

关于本发明，提供下列材料和结构的使用。

对于基底和封装体：玻璃(2.2mm)或基于用SiO₂或氮化钛的层(50微米至100微米)官能化的聚酰亚胺的柔性且薄的方案。

对于透明阴极：通常仅设置在玻璃上或塑料基底(PET)上的氟掺杂的氧化锡(SnO₂:F)。其他合适的替代方案可为In₂O₃、SnO₂、ZnO及其组合以及ITO。

对于电子半导体：由纳米尺寸的颗粒构成的介孔氧化层，该纳米尺寸的颗粒已烧结在一起以允许电子传导，最适合的为TiO₂纳米结构层。通常它们以涂料的形式使用，任选地丝网印刷于玻璃上，然后经历煅烧以获得厚度为约4微米至10微米的层，其中颗粒为10nm到30nm。以牺牲总透明度为代价，可加入散射物以增强/增加扩散效应。还可使用宽带隙氧化物如已在文献中研究的ZnO、Nb₂O₅，以及Fe₂O₅、WO₃、Ta₂O₅、CdS、CdSe。纳米颗粒的加入可增强反射光和透射光二者的散射。关于此的更多细节可参见本申请人名下的国际专利申请WO2011/076492。

优选采用通常用于DSSC的相同染料：Z-709、N₃、N719、“黑色染料”三(氰酰基)-2,2’2”-三联吡啶基-4,4’4”-三羧酸钌(II)。可以设想在电致变色层中使用互补色的染料以调和光谱。例如普鲁士蓝电致变色染料(六氰合铁(II)酸铁(III))可与具有在蓝色处吸收的吸收光谱的染料(N₃)结合。

对于电解质：LiI溶液是特别有利的，例如液态电解质溶液和0.1M LiI0:01丁基吡啶于M4-叔-g-丁内酯中。在全液态电极(紫罗碱或TMPD四甲基-对亚苯基-二胺)的情况下，还可能将其直接分散在电解质中。

对于电致变色层：尽管全部前述用于电致变色/光伏变色设备的材料均可合适地使用，优选材料为WO₃。该层还可用对电极图案化以具有经调整的分布的遮光效果。

对于对电极：优选使用Pd和Pt层。

封装的光伏变色百叶板可具有由封装决定的厚度(堆叠体可为微米级)，因此，对于聚酰亚胺或聚酰胺，其可为50μm至100μm，从而远低于在标准软百叶帘百叶板的厚度。在使用玻璃的情况下，材料的透明度可对光学不连续性产生有限的影响。在两种情况下，均能够实现具有更薄的百叶板或有限的光学不连续性、和由此得到的更好的透明度的活性窗，或能够将封装的光伏变色堆叠体附接于标准软百叶帘上。

相比电致变色的百叶帘，优选使用光伏变色的百叶帘，其不仅为了创建自洽模块(auto-consistent module)(即能够自身产生使百叶板倾斜所需能量的模块)的可能性，而且为不同的技术效果。尤其是光伏变色百叶板将自动响应入射光，改变其透射特性，因此在非均匀入射光的情况下还将存在因透明度变化引起的差异性遮蔽，然而电致变色材料将从边缘(电极)开始改变其特性。

光伏变色百叶板的该性质提供在非均匀外部照明(例如日落或日出期间的外部非均匀遮蔽)情形下的进一步改善。

尽管根据本发明，材料用在活性建筑窗的百叶板之中或之上，然而百叶帘结构可有效地具有一些几何特性和其他结构特征。就距离而言，在每个窗中，两个相邻百叶板之间的垂直或水平距离恒定，并为4mm至100mm。此外百叶板优选可倾斜的或其倾斜角可调节；关于此方面优选使用形状记忆元件/方案以便改变该角度，如美国专利5816306中所述的。一般而言，存在两种主要方法以实现倾斜：通过弹簧或金属丝的方式；后者尤其优选使用对置的成对金属丝。

待用于根据本发明的活性建筑窗中的优选的形状记忆材料为镍钛诺合金(nitinol)，关于该合金的最新进展和改进的一些更多的细节参见例如美国专利8430981。

根据本发明的活性建筑窗设计为插入式模块(在百叶板包含电致变色材料的情况下)或自维持(self-sustaining)模块(在百叶板包含光伏变色材料的情况下)。在此两种情况下，窗均为密封的，以避免因大气中试剂(如水分凝结)造成的窗的性能劣化，还为防止活性材料的劣化现象。尤其对于后一个原因，窗优选填充有900巴至1100巴的压力的从干燥空气、氮气、氩气、氪气中选择的气体，或者抽真空至低于10^-3毫巴的压力。

Claims

1.一种活性窗，其包括间隔开距离d的两个窗格玻璃，所述窗格玻璃中的每一个的面积A均为0.09m²至2m²，以及用于密封所述活性窗的框，其中在所述窗中设置有由相互平行的N个百叶板制成的软百叶帘，所述百叶板的宽度为所述距离d的10％至95％，所述活性窗的特征在于所述百叶板包括能够通过控制所述百叶板的透射率和/或反射率而改变其光通过量的电致变色活性材料。

2.根据权利要求1所述的活性窗，其中所述百叶板用所述活性材料制成。

3.根据权利要求1所述的活性窗，其中所述活性材料层叠于所述百叶板的上表面上。

4.根据权利要求1所述的活性窗，其中相邻百叶板之间的距离恒定且为4mm至100mm。

5.根据权利要求1所述的活性窗，其中所述百叶板为可倾斜的。

6.根据权利要求5所述的活性窗，其中所述倾斜通过弹簧或金属丝形式的形状记忆合金材料实现。

7.根据权利要求6所述的活性窗，其中所述形状记忆合金材料为镍钛诺合金。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的活性窗，其中所述窗填充有900毫巴至1100毫巴的压力的从干燥空气、氮气、氩气、氪气中选择的气体。

9.根据权利要求1到7中的任一项所述的活性窗，其中所述窗被抽真空至低于10^-3毫巴的压力。

10.根据权利要求1到7中的任一项所述的活性窗，其中所述活性材料嵌入与光伏元件连接的系统中。

11.根据权利要求1到7中的任一项所述的活性窗，其中所述活性材料被整合到光伏元件中。