CN114109221B - 一种节能与发电一体化的智能窗及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节能与发电一体化的智能窗及其制备。该智能窗包括依次设置的太阳能电池板层、第一透明基材层、热致变色水凝胶层和第二透明电热层；所述太阳能电池板层与所述第二透明电热层之间电连接；所述太阳能电池板层包括多个串联的太阳能电池板，所述太阳能电池板以一定角度嵌入安装于所述第一透明基材层。该智能窗可以实现太阳能量的收集，以及在需要的时候给窗户提供电流，实现窗户的主动变色功能，并在冬季实现窗户的防冻功能。
Description
技术领域
本发明涉及智能窗领域，具体涉及一种可以实现主动变色和低温防冻的节能与发电一体化的智能窗及其制备。
背景技术
建筑占全球能源总能耗的40％，而供暖、通风和空调(HVAC)消耗了全球能源的一半。提高能效是解决这个问题的关键。然而，大部分的窗户在夏天将太阳能转化为热量。此外，窗户将导致冬季30％的内部能源损失。大多数关于节能窗口的研究都集中在显色技术上，包括热致变色、电致变色和光致变色，它们可以在响应热、电和光等外部刺激时改变颜色的透光率。其中，热致变色智能窗具有协同有效、合理刺激、零能量输入特性的特点，其中水凝胶、液晶等热致变色材料成为研究的热点。
目前，智能窗主要关注的方向在于如何调节透光能力。其中，在调节太阳光的过程中，太阳辐射的能量被很大浪费。但是，作为清洁和丰富的能源，太阳能有望缓解当前的全球能源危机。基于这一观点，将节能和储能结合在一个装置中是一个有吸引力的研究方向。因此，本发明设计一种具有太阳能收集系统和温控调节功能的节能储能一体化智能窗，实现太阳能的有效利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能与发电一体化的智能窗及其制备，该智能窗可以实现主动变色和低温防冻，且实现了太阳能的有效利用。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一方面提供一种节能与发电一体化的智能窗，该智能窗包括依次设置的太阳能电池板层、第一透明基材层、热致变色水凝胶层和第二透明电热层；
所述太阳能电池板层与所述第二透明电热层之间电连接，例如通过导线连接；
所述太阳能电池板层包括多个串联的太阳能电池板，所述太阳能电池板以一定角度安装于所述第一透明基材层。
本发明节能与发电一体化的智能窗在使用时，太阳能电池板安装在外侧，第一透明基材层内侧是热致变色水凝胶层，其次是第二透明电热层。太阳能电池板将太阳能转化为电能，并且当接通电路后，第二透明电热层可以快速将水凝胶加热到相变温度，进而实现窗户的主观调色效果，断开电路后，窗户可以迅速恢复透明状态。该智能窗可以实现光电转换，提供的电能，既可为智能窗第二透明电热层提供能量，规避了冬天窗户被冻裂的风险，又可供室内照明、空调和冰箱使用等，实现节省建筑耗能的目的。
根据本发明的智能窗，优选地，所述第一透明基材层选自玻璃和透明塑料中的一种或两种以上的组合；所述透明塑料包括PET板和亚克力板等。
根据本发明的智能窗，优选地，所述第二透明电热层为ITO(氧化铟锡)导电玻璃或FTO(氟掺杂锡氧化物)导电玻璃。
根据本发明的智能窗，优选地，所述第一透明基材层的厚度为1mm～10mm。
根据本发明的智能窗，优选地，所述第二透明电热层的厚度为1mm～10mm。
根据本发明的智能窗，优选地，所述热致变色水凝胶层的厚度为0.1mm～10mm。
根据本发明的智能窗，优选地，所述太阳能电池板选自硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池、高倍聚光电池、有机太阳能电池、柔性太阳能电池、染料敏化纳米太阳能电池中的一种或两种以上的组合。
根据本发明的智能窗，优选地，所述太阳能电池板以其长边水平安装，且其宽边与水平方向的角度为0-30°，其宽边尺寸为智能窗高度的1/3-1/12。以保证进入室内阳光的量。此处尺寸及角度的限定以智能窗安装后的方向为准，例如，以智能窗长边为窗子的高度进行安装使用，则太阳能电池板水平方向沿着窗子的高度排列安装，以太阳能电池板的长边为连接边安装，宽边则伸出，并且与水平方向呈0-30°(0°时即太阳能电池板的宽边水平，或与窗子主体垂直)。
本发明另一方面提供一种以上智能窗的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
夹层透明结构的制备：
将所述第一透明基材层和第二透明电热层制备成中间具有一空腔的夹层透明结构；具体的，将所述第一透明基材层和第二透明电热层用密封胶将其边缘封住，中间形成一夹层，并留出一处注浇口，用以加入混合水凝胶前驱体；
混合水凝胶前驱体的制备：
将纤维素单体溶解于水中形成纤维素溶液，之后加入提供网状结构的单体、光引发剂和交联剂，形成所述混合水凝胶前驱体；
变色水凝胶层的制备：
将所述混合水凝胶前驱体加入所述夹层透明结构的空腔内，固化后形成所述热致变色水凝胶层；
太阳能电池板的安装：
将多个太阳能电池板以设定角度安装于所述第一透明基材层上并串联，将串联后的太阳能电池板与第二透明电热层电连接，形成所述智能窗。太阳能电池板的安装可通过粘贴等方式进行。
根据本发明的制备方法，优选地，所述纤维素单体为羟丙基纤维素(HPC)，起到温致变色的效果。
根据本发明的制备方法，优选地，所述提供网状结构的单体为丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)。
根据本发明的制备方法，优选地，所述光引发剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺。
根据本发明的制备方法，优选地，所述交联剂为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮。
在一优选方案中，混合水凝胶前驱体的制备过程包括：羟丙基纤维素(HPC)单体溶解于去离子水中，得到HPC水溶液；之后向HPC水溶液中依次添加丙烯酰胺(AM)单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮以及丙烯酸(AA)，所得混合溶液用磁力搅拌器搅拌，得到混合水凝胶前驱体。
根据本发明的制备方法，优选地，所述纤维素溶液中羟丙基纤维素的浓度为0.025g/6mL～0.15g/6mL。
根据本发明的制备方法，优选地，所述纤维素单体溶解于水中的温度为50℃～90℃。
根据本发明的制备方法，优选地，所述丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮的质量比为(100～10):1:1。
根据本发明的制备方法，优选地，所述丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为(4～9)：(0.5～1)，例如4:0.5～9:1。
根据本发明的制备方法，优选地，所述固化在紫外光环境下进行，所述紫外光的波长为365nm；更优选地，所述固化的时间为1h。
本发明提供的节能与发电一体化的智能窗的结构中，热致变色水凝胶层和第二透明电热层能够使该智能窗具有热、电双响应功能。通过太阳能电池板以一定角度嵌入三明治智能窗主体结构中，由此产生的电流为第二透明电热层供电，提供光电转化。太阳能电池板产生的电能通过第二透明电热层产生热量，热致变色水凝胶层对温度敏感，能够在第二透明电热层产生的热量的作用下由低温下透明的状态转化成不透明状态。本发明在传统水凝胶智能窗中加入第二透明电热层，使用太阳能电池板提供的电能提供热量，避免了智能窗依赖外界温度产生相变的弊端，实现了防冻性节能一体化，为智能窗提供了更广泛的应用条件。
附图说明
图1为实施例1-3不同PAA浓度下25℃下杂化水水凝胶(PAM-PAA)的智能窗主体的光透射率(Tlum，25℃)、光透射率差(ΔTlum)、红外透射率差(ΔTIR)和太阳调制能力(ΔTsol)的光学性能比较图。
图2为对比例1-7不同HPC浓度下纯水凝胶(PAM)25℃下的光透射率(Tlum，25℃)、光透射率差(ΔTlum)、红外透射率差(ΔTIR)和太阳调制能力(ΔTsol)的光学性能比较图。
图1和图2中的横坐标表示6mL水中所含有HPC的质量。
图3为实施例4中使用不同窗户在相同光照情况下室内温度的变化情况。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明所有数值指定(例如温度、时间、浓度及重量等，包括其中每一者的范围)通常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。
实施例1
本实施例制备一智能窗主体，包括以下步骤：
1)准备尺寸(厚度、表面积)相同的普通玻璃和ITO导电玻璃。
2)用1mm厚的密封胶将两者的四边封住，使其中间具有一厚度为1mm的夹层空腔，并留出一处注浇口，制备成夹层透明结构。
3)称取0.05g羟丙基纤维素(HPC)溶于含6mL去离子水的烧杯中，保持在70℃，磁力搅拌25min，形成透明均一的溶液，随后降到室温。
4)依次将1.2g丙烯酰胺(AM)单体、12mg N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、12mg 2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮以及0.15g丙烯酸(AA)加入溶解好的HPC溶液中，在磁力搅拌器中搅拌24h，得到混合水凝胶前体。
5)将混合水凝胶前体直接倒入已经制备出的夹层透明结构中，然后用硅凝胶密封浇口。
6)将其置于紫外光环境下进行固化，即获得三明治杂化水凝胶的智能窗主体，长为35厘米，宽为30厘米。
实施例2
本实施例制备一智能窗主体，包括以下步骤：
1)准备尺寸(厚度、表面积)相同的普通玻璃和ITO玻璃。
2)用1mm厚的3M透明胶将两者的四边封住，使其中间具有一厚度为1mm的夹层空腔，并留出一处注浇口，制备成夹层透明结构。
3)称取0.1g羟丙基纤维素溶于含6mL去离子水的烧杯中，保持在70℃，磁力搅拌25min，形成透明均一的溶液，随后降到室温。
4)依次将1.2g丙烯酰胺(AM)单体、12mg N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、12mg 2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮以及0.15g丙烯酸(AA)加入溶解好的HPC溶液中，在磁力搅拌器中搅拌24h，得到混合水凝胶前体。
5)将混合水凝胶前体直接倒入已经制备出的夹层透明结构中，中，然后用硅凝胶密封浇口。
6)将其置于紫外光环境下进行固化，即获得三明治杂化水凝胶的智能窗主体。
实施例3
本实施例制备一智能窗主体，包括以下步骤：
1)准备尺寸(厚度、表面积)相同的普通玻璃和ITO玻璃。
2)用1mm厚的3M透明胶将两者的四边封住，使其中间具有一厚度为1mm的夹层空腔，并留出一处注浇口，制备成夹层透明结构。
3)称取0.15g羟丙基纤维素溶于含6mL去离子水的烧杯中，保持在70℃，磁力搅拌25min，形成透明均一的溶液，随后降到室温。
4)依次将1.2g丙烯酰胺(AM)单体、12mg N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、12mg 2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮以及0.15g丙烯酸(AA)加入溶解好的HPC溶液中，在磁力搅拌器中搅拌24h，得到混合水凝胶前体。
5)将混合水凝胶前体直接倒入已经制备出的夹层透明结构中，中，然后用硅凝胶密封浇口。
6)将其置于紫外光环境下进行固化，即获得三明治杂化水凝胶的智能窗主体。
对实施例1-3所得智能窗主体进行光学性能测试，测试智能窗在室温下的透光率和在高温下的透光率，并进行对比。
图1是不同HPC浓度下25℃下杂化水水凝胶(PAM-PAA)的智能窗主体的光透射率(Tlum，25℃)、光透射率差(ΔTlum)、红外透射率差(ΔTIR)和太阳调制能力(ΔTsol)的光学性能比较。由图1可见，实施例1-3中，当HPC浓度0.1g/6mL、AA浓度为0.15g/6mL时(实施例2)，在室温下有最高Tlum(88.68％)和最大ΔTsol(54.02％)。
比较例1：
本比较例1与实施例1基本相同，其区别为，比较例1的单体无丙烯酸(AA)。
比较例2-7：
本比较例2-7与比较例1基本相同，其区别为，比较例2-7中羟丙基纤维素(HPC)的添加量依次为0.025g、0.075g、0.1g、0.125、0.15g、0.175g。
对比较例1-7所得智能窗主体进行光学性能测试，结果如图2所示。
图2是不同HPC浓度下25℃下纯水凝胶(PAM)的智能窗的光透射率(Tlum，25℃)、光透射率差(ΔTlum)、红外透射率差(ΔTIR)和太阳调制能力(ΔTsol)的光学性能比较。通过图1和图2可以观察到，随着HPC和AA浓度的增加，透射率对发光、红外和太阳波长的调制能力都增加。
实施例4
使用实施例1所制备的智能窗主体装配太阳能电池板，所使用的太阳能电池板为长30厘米、宽3厘米，装配过程具体包括：将智能窗主体的长边当作窗子的高度，将太阳能电池板水平每间隔5厘米装配一根(以其长边作为连接)，整体一共装备8根太阳能电池。太阳能电池板的宽边与智能窗主体呈90°(即太阳能电池板的宽边水平)。在该实施例中，太阳能电池板的宽度为智能窗高度的约1:11.7，安装间隔为智能窗高度的1:7。
应用测试，在相同光照情况下，使用普通窗户(单纯玻璃窗户)和本实施例制备的智能窗户，室内温度的变化情况如图3所示。
由图3对比可知，本发明的智能窗窗户可以大幅降低室内温度。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (16)
1.一种节能与发电一体化的智能窗，其特征在于，该智能窗包括依次设置的太阳能电池板层、第一透明基材层、热致变色水凝胶层和第二透明电热层；
所述太阳能电池板层与所述第二透明电热层之间电连接；
所述太阳能电池板层包括多个串联的太阳能电池板，所述太阳能电池板以一定角度安装于所述第一透明基材层；
其中，所述热致变色水凝胶层是通过以下步骤制备的：
夹层透明结构的制备：将所述第一透明基材层和第二透明电热层制备成中间具有一空腔的夹层透明结构；
混合水凝胶前驱体的制备：将纤维素单体溶解于水中形成纤维素溶液，之后加入提供网状结构的单体、光引发剂和交联剂，形成所述混合水凝胶前驱体；其中，所述纤维素单体为羟丙基纤维素，所述提供网状结构的单体为丙烯酰胺和丙烯酸，所述纤维素溶液中羟丙基纤维素的浓度为0.025g/6mL～0.15g/6mL；所述丙烯酸在所述纤维素溶液中的浓度为0.15g/6mL；
变色水凝胶层的制备：将所述混合水凝胶前驱体加入所述夹层透明结构的空腔内，固化后形成所述热致变色水凝胶层。
2.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述第一透明基材层选自玻璃和透明塑料中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求2所述的智能窗，其特征在于，所述透明塑料包括PET板和亚克力板。
4.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述第二透明电热层为ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。
5.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述第一透明基材层的厚度为1mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述第二透明电热层的厚度为1mm～10mm。
7.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述热致变色水凝胶层的厚度为0.1mm～10mm。
8.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述太阳能电池板选自硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池、高倍聚光电池、有机太阳能电池、柔性太阳能电池、染料敏化纳米太阳能电池中的一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于，所述太阳能电池板以其长边水平安装，且其宽边与水平方向的角度为0-30°，其宽边尺寸为智能窗高度的1/3-1/12。
10.一种权利要求1-9任一项所述智能窗的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
夹层透明结构的制备：
将所述第一透明基材层和第二透明电热层制备成中间具有一空腔的夹层透明结构；
混合水凝胶前驱体的制备：
将纤维素单体溶解于水中形成纤维素溶液，之后加入提供网状结构的单体、光引发剂和交联剂，形成所述混合水凝胶前驱体；其中，所述纤维素单体为羟丙基纤维素，所述提供网状结构的单体为丙烯酰胺和丙烯酸，所述纤维素溶液中羟丙基纤维素的浓度为0.025g/6mL～0.15g/6mL；所述丙烯酸在所述纤维素溶液中的浓度为0.15g/6mL；
变色水凝胶层的制备：
将所述混合水凝胶前驱体加入所述夹层透明结构的空腔内，固化后形成所述热致变色水凝胶层；
太阳能电池板的安装：
将多个太阳能电池板以设定角度安装于所述第一透明基材层上并串联，将串联后的太阳能电池板与第二透明电热层电连接，形成所述智能窗。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述光引发剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素单体溶解于水中的温度为50℃～90℃。
14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮的质量比为(100～10):1:1。
15.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为(4～9)：(0.5～1)。
16.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述固化在紫外光环境下进行，所述紫外光的波长为365nm。
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