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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf intelligente Fenster, welche zur Verglasung
von Gebäuden
geeignet sind. Die betroffenen intelligenten Fenster umfassen (i)
elektrochrome (EC-) Elemente, welche mittels Zusatz oder Entnahme
elektrischer Ladungen verdunkelt (d. h. mehr gefärbt oder weniger transparent
gemacht) oder gebleicht (d. h. weniger dunkel oder transparenter
gemacht) werden können,
und (ii) photoelektrische (PE-) Elemente, welche die elektrische
Ladung bereitstellen können,
die für
den Effekt des Verdunkelns des EC-Elements benötigt wird, wenn das Fenster
dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Derart kombinierte PE-EC-Vorrichtungen werden manchmal „photoelektrochrome" (PEC-)Vorrichtungen
genannt.
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Die
PE-Elemente zur Verwendung bei den erfindungsgemäßen intelligenten PEC-Fenstern
sind von der farbempfindlichen, regenerativen, photoelektrochemischen
(RPEC) Art, bei der auf einer festen Halbleiter-Photoelektrode auftreffende
Photonen Ladungsträger
erzeugen, welche an einem Übergang zwischen
der Elektrode und einem flüssigen
Elektrolyt getrennt werden, wenn die Photoelektrode und das Elektrolyt
mittels einer externen elektrischen Schaltung verbunden sind. In
elektrochemischen RPEC-Zellen werden die Ladungsträger (Elektronen) mittels
des Elektrolyts transportiert, ohne aufgrund eines regenerativen
physikalischchemischen Zyklusses eine chemische Änderung im Elektrolyt zu bewirken.
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Die
Erfindung bezieht sich nicht auf elektronische Steuerungsmittel
zum Verbinden von PV- und EC-Elementen
von PEC-Vorrichtungen, um einen Stromfluß von einem zu dem anderen
in einer Weise zu regulieren, daß Schaltzeiten maximiert werden, während Beschädigungen
an der EC-Vorrichtung verhindert werden. Die hier offenbarten Steuerungsmittel
können
jedoch für
die Steuerung von EC-Zellen angewendet werden, welche nicht Teil
von PEC-Vorrichtungen
sind.
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PEC-Vorrichtungen
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Die
intelligenten Fenster, auf welche die Erfindung anwendbar ist, weisen
typischerweise große Oberflächen auf
und müssen
bei Preisen hergestellt werden, welche sich von denen anderer in
der Bauindustrie verwendeter spezialisierter Verglasungsmaterialien
nicht zu sehr unterscheiden. Dies ist mit komplexen PEC-Vorrichtugen
mit der notwendigen Klarheit, ob nun verdunkelt oder gebleicht, äußerst schwierig
zu erreichen. Ferner sind die PE- und EC- Elemente eines PEC-Fensters von sich
aus unangepaßt,
so daß das
Verdunkeln eher uneinheitlich, teilweise und/oder überaus langsam
erfolgt.
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Ein
sonnenempfindliches intelligentes Fenster, welches eine Schicht
nematischer Flüssigkristalle verwendet,
welche mittels externer PE-Zellen gesteuert werden, die angeordnet
sind, um durch das Fenster passierendes Sonnenlicht zu empfangen, wurde
von Mockovciak in US-Patent
4,475,031 offenbart. Ausreichend PE-Zellen wurden verwendet, um die
benötigte
Spannung zum Verdunkeln der Flüssigkristallschicht
bereitzustellen, und ein Spannungsregulierer wurde verwendet, um
sicherzustellen, daß das
Fenster gemäß der Intensität des einfallenden Lichts
verdunkelt wurde. Eine Flüssigkristallschicht bildet
jedoch nicht ein befriedigendes elektrooptisches Moduliermaterial
für intelligente
Fenster, da die Klarheit schlecht ist, insbesondere wenn das Fenster
verdunkelt wird. Außerdem
ist das Befestigen und Verbinden dieses intelligenten Fensters teuer
und unansehnlich, da die PE-Zellen und der Spannungsregulierer getrennt
vom Fenster installiert werden müssen.
Andere, beispielsweise Russell et al. im US-Patent 4,968,127 und
Okaus im US-Patent 5,015,086, haben ähnliche selbstversorgende,
sonnenempfindliche Vorrichtungen zur Benutzung bei Brillen verwendet.
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US-Patent
5,384,653 von Benson offenbart ein doppelverglastes, selbstversorgendes
intelligentes Fenster, welches ein auf ein Glassubstrat gebildetes
großflächiges EC-Element
verwendet, um dessen Rand mehrere siliziumbasierte PE-Zellen mittels aufeinanderfolgenden
Schichtablagerungen gebildet sind. Ausreichend PE-Zellen sind in
Reihe verbunden, um die nötige
Schaltspannung bereitzustellen. Ein Auswahlschalter wird verwendet,
um die EC-Zellen
entweder mit dem Ausgang der PE-Zellen oder mit einer externen Leistungsquelle,
beispielsweise einer Batterie, zu verbinden. Ein Wendeschalter wird verwendet,
um die Polarität
der ausgewählten
Leistungsquelle umzukehren, um das Verdunkeln oder Bleichen der
EC-Zelle zu beeinflussen. Obwohl die Vorrichtung im Wesentlichen
in sich geschlossen ist, erfordern die unterschiedlichen Schichten,
daß die EC-Vorrichtung
und die PE-Zellen unter Vakuum unter Verwendung von Masken mittels
herkömmlicher PVC-(physical
vapour deposition – Abscheidung
aus der Gasphase), Sputtering- oder CVD-(chemical vapour deposition – chemische
Gasphasenabscheidung)Verfahren abgelagert werden, was die Fläche des
Fensters ernsthaft einschränkt
und die Vorrichtung verteuert. Außerdem macht die elektrische
Anordnung die Verwendung der gleichen Spannung sowohl zum Bleichen
als auch zum Verdunkeln notwendig, was entweder zu übermäßig langsamen
Schaltzeiten oder zu einer Beschädigung
der EC-Zelle führt.
Schließlich
ist die den PE-Zellen zur Verfügung stehende
Flä che
des Fensters klein, so daß ihre
Leistungsausgabe klein ist. Ferner sind die PE-Zellen unansehnlich.
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US-Paten
5,457,564 von Levantis et al. offenbart eine EC-Zelle zur Verwendung
als ein intelligentes Fenster, wobei die Zelle ein Paar komplementärer elektrochromer
Polymere umfaßt,
welche auf jeweilige transparente Elektroden aufgetragen sind, die
auf einem Paar beabstandeter Glassubstrate gesputtert sind, wobei
der Zwischenraum mit einem Elektrolyt gefüllt ist. Die Zelle wird mittels
extern angeordneter silziumbasierter PE-Zellen versorgt, welche
(im Bezug auf das einfallende Licht) hinter der Vorrichtung angeordnet
sind. Auf die Zellen fallendes Licht erzeugt ausreichend Storm,
um die elektrochrome Vorrichtung zu verdunkeln und somit das transmitierte
Licht zu vermindern. Entfernen des einfallenden Lichts erlaubt das
Entladen der elektrochromen Vorrichtung über die Zellen (welche dann
als vowärtsgeschaltete
Dioden wirken), wobei die Transparenz der Vorrichtung wiederhergestellt
wird. Auch hier ist das Befestigen und das Verbinden des intelligenten
Fensters teuer und unahnsehnlich, weil die PE-Zellen und der Spannungsregulierer
getrennt vom Fenster installiert werden müssen. Ferner ist die elektrische
Steuerung des Fensters nicht befriedigend, da die Spannung von Silizium-PE-Zellen
(die als Dioden wirken) einen wesentlichen Anteil der für das Bleichen
des Fensters notwendigen Spannung bildet. Das Bleichen erfolgt somit
teilweise und langsam, so daß das
Verdunkeln nicht proportional zur einfallenden Lichtintensität während eines
Tageszyklusses ist.
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US-Patent
5,377,037 von Branz et al. offenbart eine PEC-Vorrichtung zur Verwendung
bei Brillenlinsen, mit einer selbstregulierenden Kombination aus
einer siliziumbasierten PE-Zelle und einer EC-Zelle, welche jeweils
mittels Ablagerung dünner transparenter
Schichten auf der Linsenoberfläche gebildet
sind. Da etwa acht dünne
Schichten aus transparenten Materialien, einschließlich des
Elektrolyts der EC-Zelle, nacheinander mittels PVC-, Sputtering-,
oder CVD-Verfahren auf einem Glassubstrat aufgetragen werden müssen, ist
die sich ergebende Mehrschicht-Beschichtung teuer und empfindlich,
da sie nicht durch ein zweites Glassubstrat geschützt wird.
Aufgrund dieser Merkmale ist eine solche PEC-Vorrichtung ungeeignet
zur Verwendung in intelligenten Fenstern. Die PE-Zelle der Vorrichtung von
Branz et al. ist direkt mit der EC-Zelle verbunden, vorzugsweise über einen
Vorbelastungswiderstand, damit die PEC-Vorrichtung selbstverdunkelnd
oder „sonnenempfindlich" ist. Die selbstverdunkelnde Funktion
der PEC-Vorrichtung von Branz weist jedoch die gleichen Nachteile
auf, welche im Bezug auf die Vorrichtung von Levantis dargelegt
wurden. Ferner ist die Spannung nicht ausreichend, um das für Brillen
benötigte
schnelle Verdunkeln zu bewirken oder auch nur das für intelligente
Fenster benötigte graduellere
Verdunkeln zu bewirken, da nur eine Silizium-PE-Zelle für jede EC-Zelle verwendet wird.
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In
einer Veröffentlichung
in Nature [Band 383, 17. Oktober 1996] berichten Bechinger et al.
von der Entwicklung einer PEC-Zelle, bei welcher ein photovoltaischer
Film eine Elektrode und ein elektrochromer Film die andere Elektrode
der Zelle bildet. Das verwendete PE-Element ist die in den internationalen
Patentanmeldungen WO 91/16719 und WO 96/08022 von Graetzel et al.
offenbarte RPEC-Zelle, welche eine transparente, farbempfindliche,
nanokristalline TiO2-Halbleiter-Photoelektrode,
eine Pt-beschichtete Gegenelektrode und ein dazwischen angeordnetes
flüssiges
Elektrolyt verwendet. Das verwendete EC-Element basiert auf das
herkömmliche WO3-Li+-System, welches
eine die Li+-Ionen umfassende flüssige Polymer-Elektrode
verwendet. Wenn eine solche PEC-Zelle bei offener Schaltung (d.
h. ohne daß seine
Elektroden miteinander verbunden sind) Licht ausgesetzt ist, bewirkt
die mittels des PE-Elements erzeugte Spannung kein Verdunkeln der
Zelle (da kein Strom fließt
und Li-Ionen nicht
zur Arbeitselektrode des EC-Elements transportiert werden). Wenn
die ausgesetzte Zelle kurzgeschlossen ist, fließt Strom, um die Li-Ionen zur
Arbeitselektrode zu tragen und die Zelle zu Verdunkeln. Obwohl die Experimente, über die
berichtet wird, mit kleinflächigen
Zellen (1 m2 und 25 cm2)
durchgeführt
wurden, war ein räumlich
lokalisiertes Verdunkeln bemerkbar. Es wurde vorgeschlagen, daß dies bei
Verwendung der Zellen für
Anzeigezwecke vorteilhaft ist, da sie mittels eines Laserstrahls
oder ähnlichem
beschrieben werden können.
Diese Eigenschaft ist jedoch nachteilig für großflächige intelligente Fenster.
Ferner ist die Reichweite und Geschwindigkeit der Verdunklungs-
und Bleichungs-Steuerung, die mittels einfaches Kurzschließen und Öffnen des
Schaltkreises der Zelle erreichbar sind, aufgrund der/des von der
einzelnen RPEC-Zelle verfügbaren
sehr niedrigen Spannung/Stromes beschränkt.
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Ladungssteuerung
in intelligenten EC-Fenstern
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Intelligente
EC-Fenster sind beim Schalten zwischen verdunkelten und gebleichten
Zuständen von
sich aus langsam. Beim Versuch, den Übergang mittels Vergrößern der
Ladungsrate und des gelieferten Ladungsbetrags zu beschleunigen,
ist jedoch große
Vorsicht geboten:
- – Die Arbeitsdauer (die Anzahl
von Zyklen) einer EC-Zelle wird herabgesetzt, wenn sie zu schnell oder
zu weit geladen oder entladen wird;
- – da
die Rate des Verdunkelns/Bleichens diffusionsbegrenzt ist, können übermäßige Ladungskonzentrationen
auftreten, was zu einer Beschädigung
führt;
- – da
die Ladespannung normalerweise über
einen sehr dünnen
TCO (transparent conducting oxide – transparenten leitenden Oxid) – Film geliefert wird,
ist die Spannung uneinheitlich über
den Film verteilt, was ebenfalls die Gefahr übermäßig lokalisierter Ladungskonzentrationen
birgt;
- – wenn
eine EC-Zelle altert, ändert
sich ihre Ladecharakteristik, so daß eine Ladung (oder Ladungsrate),
welche sicher war, als die Zelle neu war, nicht länger sicher
ist, wenn sie alt ist.
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Es
ist bekannt, Integrationsverfahren zu verwenden, um den Ladungszustand
einer EC-Zelle zu verfolgen, wenn sie inkrementell geladen und entladen
wird, so daß die
Gefahr eines übermäßigen Ladens/Entladens
vermindert wird. US-Patent 4,512,637 und US-Patent 4,529,275 von
Carl-Zeiss offenbaren die Verwendung einer Konstantstrom-Aufladung
und eines digitalen Zählers,
um den Ladungszustand der Zelle (mittels aufeinanderfolgender Füll- oder teilweisen
Lade- und/oder Entlade-Handlungen) zu verfolgen, so daß die Gefahr
eines vollständigen Überladens
vermindert wird. US-Patent 6,365,365 von Saint Gobain offenbart
die Verwendung eines Referenzkondensators, welches als ein Analog
zur Zelle dient und mit der Zelle geladen und entladen wird. Wenn
eine inkrementelle Änderung
in der Färbung
(Verdunklung) benötigt
wird, wird die gewünschte
Färbung
als eine Referenzspannung „eingewählt", welche mit der
Spannung am Kondensator verglichen wird. Die Zelle und der Kondensator
werden dann (wie benötigt)
entladen oder geladen, um die Kondensatorspannung auf die Referenzspannung
zu bringen. Das Verfahren hat den Vorteil, daß ein selbst Bleichen (oder
Entladen) der Zelle während
Intervallen zwischen inkrementellen Färbungen oder Bleichungen kompensiert
werden kann. Weder das von Carl-Zeiss noch das von Saint Gobain
Offenbarte befassen sich jedoch mit dem Sicherstellen optimaler
Ladungsraten, noch können
sie das Altern von EC-Zellen kompensieren.
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In
unserer früheren
internationalen Patentanmeldung WO 98/16870 offenbaren wir ein Verfahren
zum Steuern einer EC-Zelle, wobei die Ladungsrate eingestellt wird,
um die Gefahr von Zellbeschädigungen
zu vermindern, ohne dafür übermäßig bei
der Schaltdauer zu Verschenken. Um eine EC-Zelle zu laden (verdunkeln),
wird ein konstanter Strom angelegt, bis eine vorbestimmte maximale
Spannung erreicht ist, wonach ein Aufladen bei konstanter Spannung
erfolgt, bis entweder eine maximale sichere Ladung (in Coulombs)
geliefert wurde oder die Ladungsrate (in Ampere) unterhalb eines
vorbestimmten Pegels fällt.
Da die maximale Spannung bei alten Zellen früher erreicht wird, als bei
neuen Zellen, bietet das Verfahren einen Grad an Kompensation für Zellalterung.
Die internationale Patentanmeldung WO 97/28484 von Pilkington PLC
offenbart einen ähnlichen
Ansatz, außer
daß das
Laden bei konstanter Spannung über
eine vorbestimmte Zeitdauer fortgesetzt wird, nachdem die Maximalspannungsgrenze
erreicht ist. Diese Verfahren schalten die Zellen jedoch langsamer
als notwendig, weil (i) die Anfangs-Konstantstrom-Grenze konservativ
gesetzt werden muß,
(ii) diese Grenze – ungeeigneterweise – für neue und
alte Zellen gleich ist und (iii) die Ladungsrate während der
Anfangs-Phasen des Konstantspannungsbereichs bis weit unterhalb
des sicheren Pegels vermindert wird.
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US-A
5,384,653 offenbart ein alleinstehendes, Photovoltaik (PV)-getriebenes,
elektrochromes Fenster. Ein Doppelscheiben-Fenster mit variabler Transmittanz
ist mit einem elektrochromen Material versehen, welches auf einer
Scheibe zusammen mit einer entlang eines Randes des Fensters abgelagerten
Anordnung photovoltaischer Zellen abgelagert ist, um die benötigte elektrische
Leistung zu erzeugen, welche benötigt
wird, um die effektive Transmittanz des Fensters zu verändern. Zusätzlich kann
eine Batterie in einer parallelen Weise zur Anordnung photovoltaischer
Zellen vorgesehen sein, um einem Benutzer zu erlauben, das System
manuell zu steuern, wenn eine gewünschte Transmittanz benötigt wird.
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BECHINGER
C. ET AL, „PHOTOELECTROCHROMIC
WINDOWS AND DISPLAYS",
NATURE, MACMILLAN JOURNALS LTD. LONDON, GB, Band 383, Nr. 6601,
17. Oktober 1996, Seiten 608–610, XP002064353,
ISSN: 0028-0836 offenbart eine photochromische Fensteranordnung.
Die Anordnung umfaßt
einen elektrochromen Film und einen photovoltaischen Film, welche
zwei Elektroden einer elektrochemischen Zelle bilden. Die sich ergebende Struktur
erfährt
einen photochromes Verhalten, aber anders als bei photochromischen
Filmen ist der Lichtabsorptions-Prozeß (im photovoltaischen Film)
getrennt vom Färbungsprozeß (im elektrochromen Film).
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Die Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein intelligentes PEC-Fenster vorzusehen, bei
welchem eines oder mehrere der Probleme der genannten Vorrichtungen aus
dem Stand der Technik vermindert ist/sind.
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Es
ist auch wünschenswert,
aber nicht wesentlich, ein intelligentes PEC-Fenster mit einem elektromischen
Steuerungsmittel vorzusehen, welches verbesserte EC-Zell-Schaltzeiten
erlaubt, bei niedrigerem Risiko, die Zelle zu beschädigen. Es
ist ersichtlich, daß ein
derartiges Steuerungsmittel bestimmte Anwendungen bei PEC-Vorrichtungen
haben kann und für
die Steuerung von EC-Zellen im Allgemeinen Anwendbar ist.
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Erfindungsgemäß ist ein
intelligentes Fenster vorgesehen, bei dem:
eine erste transparente
Scheibe und eine zweite transparente Scheibe in einer eng beabstandeten
parallelen Beziehung zueinander angeordnet sind;
die erste
Scheibe eine innere und eine äußere Fläche aufweist,
wobei auf der inneren Fläche
der ersten Scheibe eine transparente leitende Beschichtung gebildet
ist;
die zweite Scheibe eine innere und eine äußere Fläche aufweist,
wobei auf der inneren Fläche
der zweiten Scheibe eine transparente leitende Beschichtung gebildet
ist und wobei die Scheiben so angeordnet sind, daß ihre inneren
Flächen
einander gegenüber stehen,
aber einen Abstand voneinander aufweisen;
auf der transparenten
Beschichtung der ersten Scheibe Schichten gebildet sind, welche
eine Arbeitselektrode, einen Elektrolyt und eine Gegenelektrode einer
transparenten, regenerativen, photoelektrochemischen (RPEC-)Zelle
umfassen;
auf der transparenten leitenden Beschichtung der zweiten
Scheibe Schichten gebildet sind, welche eine Arbeitselektrode, einen
Elektrolyt und eine Gegenelektrode einer transparenten, elektrochromen (EC-)Zelle
umfassen;
eine zentrale transparente leitende Schicht sich
zwischen den innersten Elektrodenschichten der RPEC- und EC-Zellen
im wesentlichen über
deren Gesamtheit erstreckt und sie verbindet;
und elektrische
Leitungen getrennte, externe, elektrische Zugriffe auf die transparente
leitende Beschichtung auf der inneren Fläche der ersten Scheibe, auf die
transparente leitende Beschichtung auf der inneren Fläche der
zweiten Scheibe und auf die zentrale leitende Schicht bietet.
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Vorzugsweise
sind die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode der RPEC-Zelle
mittels einer Polymerschicht voneinander getrennt, welche in der Lage
ist, Ladungsträger
der Zellen zu leiten, aber ein elektrischer Isolator ist, wobei
die zentrale transparente leitende Schicht aus einem verformbaren
oder gießbaren
Polymer gebildet ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Arbeitselektrode der RPEC-Zelle Titanium-Dioxid.
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EC-Elemente
der PEC-Vorrichtungen aus dem Stand der Technik können nicht
zufriedenstellend gesteuert werden, wenn (i) sie von einer einzelnen
RPEC-Zelle gemäß Anspruch
1 versorgt werden, (ii) die Polarität der PE-Zelle nicht zwischen
Bleichen und Verdunkeln umgekehrt werden kann und/oder (iii) die
gleiche Spannung sowohl für
Verdunkeln als auch für
Bleichen eingelegt wird. Dementsprechend kann eine PEC-Vorrichtung,
in der ein PE-(vorzugsweise
RPEC-)Element angeordnet ist, so daß seine Polarität umgekehrt
werden kann und/oder auf andere Weise steuerbar am EC-Element angelegt
werden kann, elektronische Steuerungsmittel verwenden. Das PE-Element
kann als mehrere getrennte Zellen gebildet sein, aus welchen mehr
als eine Ausgabespannung hergeleitet werden kann, so daß mittels
Verwenden der Steuerungsmittel eine Spannung mit einer Polarität verbunden
werden kann, um das EC-Element zu verdunkeln und eine andere Spannung
mit einer anderen Polarität verbunden
werden kann, um das EC-Element zu bleichen. Somit treten sowohl
das Verdunkeln als auch das Bleichen schneller und vollständiger ein
und sind mittels einer einzelnen RPEC-Zelle erreichbar. Um diese Vorzüge zu erreichen,
können
das EC-Element und das PE-Element
einer PEC-Vorrichtung nicht beide Elektroden gemeinsam haben.
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Es
wurde ermittelt, daß die
Anforderungen an das Elektrolyt einer RPEC-Zelle recht unterschiedlich
sind von denen an ein Elektrolyt einer EC-Zelle, so daß es für ein PE-Element
vom Typ RPEC und einem EC-Element einer PEC-Vorrichtung unerwünscht ist,
ein gemeinsames Elektrolyt zu verwenden (und somit beide Elektroden
gemeinsam zu verwenden). Das Elektrolyt einer EC-Zelle muß einen
relativ hohen Widerstand aufweisen, um ungleichmäßige Spannungsverteilungen
auf dünnen TCO-Leitern
auszugleichen und es muß Li+-Ionen effizient puffern und transportieren.
Das Elektrolyt einer RPEC-Zelle muß einen niedrigen Widerstand
(normalerweise weit unter 100 ohm·com) aufweisen, um Ionen
effizient zu transportieren. Ein Elektrolyt mit niedrigem Widerstand
in einer großflächigen (> 0,1 m2)
EC-Zelle wird jedoch die Spannungs-Gradienten in TCO-Filmen verschlechtern,
was zur Beschädigung der
Arbeitselektrode in Bereichen hoher Spannung oder, wenn eine Beschädigung vermieden
werden soll, zu langsamen Schaltzeiten und zu einer nicht gleichmäßigen Färbung führt.
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Es
ist hilfreich, ein Spannungsungleichmäßigkeits-Verhältnis Vnr
für einen
bestimmten Ort auf einem TC-Film und für einen bestimmten Zeitpunkt nach
dem Anlegen einer Quellenspannung auf einem Rand des Films als Vnr(t)
= V(D, t)/V(L/2, t) > 1
zu definieren, wobei V(D, t) die Spannung an dem bestimmten Ort
an dem Zeitpunkt t, D der Abstand des bestimmten Ortes von dem Rand
des TC-Films und V(L/2, t) eine Referenzspannung am Zeitpunkt t
ist, die eine Funktion von der Hälfte
der Länge
einer Seite des TC-Films ist. Vnr wächst exponentiell mit der Seitenlänge des
TC-Films (d. h. mit der Größe der Zelle).
Es wird natürlich
durch die Dicke des Elektrolyts der Zelle beeinflußt, wobei
ein dickeres Elektrolyt Vnr vermindert. Das Verhältnis ist immer größer als
1 und es wurde ermittelt, daß es
wünschenswert
ist, sicherzustellen, daß es
unterhalb 3 und vorzugsweise unterhalb 2 ist, wenn die Gefahr der
Zellen-Beschädigung
beim Anlegen der normalen, maximalen sicheren Zellspannung zu vermeiden
ist. Beispielsweise erhält
man für
eine 40 cm mal 40 cm EC-Zelle mit einer Dicke von 1 mm bei einem
Elektrolyt mit einem Widerstand von 20 KOhms·cm ein Vnr von 4.7, welches
anzeigt, daß die
Zelle sehr beschädigungsanfällig ist.
Wenn der Widerstand des Elektrolyts der Zelle auf 55 KOhms·cm erhöht wird,
vermindert sich das Vnr auf 2.0. Das gleiche Ergebnis kann mit dem 20
KOhm Elektrolyt erreicht werden, indem die Dicke der Zelle auf 5.5
mm erhöht
wird, so daß es
sich kommerziell nicht auszahlt.
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Nicht
nur bieten Spannungsänderungen
entlang eines TCO-Leiters einer RPEC-Zelle keinen Grund für Sorge
(da an allen beleuchteten Punkten innerhalb der Zelle Strom erzeugt
wird), auch ist die Arbeitselektrode einer RPEC-Zelle nicht wie
bei einer EC-Zelle anfällig
für Beschädigungen
aufgrund übermäßiger Ladungskonzentration.
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Das
PE-Element kann in mehrere getrennte RPEC-Zellen aufgeteilt werden,
welche zwischen einem gemeinsamen Paar transparenter Scheiben gebildet
sind, wobei sich jede Zelle vorzugsweise über die Scheibe/das Fenster
(in jedwede Richtung) erstreckt. Intelligente Fenster mit zwischen
3 und 10 Streifen-Zellen sind bevorzugt, obwohl viel mehr Zellen
bei einem großen
Fenster verwendet werden können.
Es ist allgemein bevorzugt, eine dreischeibige Anordnung zu verwenden,
bei der die RPEC-Zellen des PE-Elements als Streifen zwischen einer äußeren Scheibe
und einer inneren Scheibe gebildet sind und bei der das EC-Element
als eine einzelne Zelle gebildet ist, welche sich zwischen der inneren
Scheibe und der äußeren Scheibe über das
gesamte Fenster erstreckt. Die individuellen Zellen des PE-Elements
können
sowohl in Reihe gekoppelt als auch voneinander mittels Verwendung
von Wänden
aus einem transparente, elektrische leitenden Polymer getrennt sein,
welches auf einem oder auf beiden der relevanten Scheiben (vor dem
Zusammensetzen) aufgetragen ist. Da die Wände um einen vielfaches breiter
als hoch sind, ist der Leckstrom zwischen benachbarten Zellen lateral
durch die Wände
vernachlässigbar,
während
der Strom leicht in der Lage ist, durch die Wand von der Elektrode
einer Zelle zur nächsten
zu fließen.
Der Abstand zwischen den Scheiben einer typischen RPEC-Zelle (d.
h., die Wandhöhe)
liegt in der Größe von mehreren
zehn Mikrometer, während
der Abstand zwischen den Zellen (d. h., die Wandbreite) normalerweise
wenigstens ein Millimeter beträgt.
Wie vorangehend aufgeführt,
kann eine mittlere Spannung von der Reihe von PE-Zellen abgegriffen
und zum Entladen der EC-Zelle verwendet werden, während die
volle Spannung zum Aufladen der Zelle verwendet wird.
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Vom
Standpunkt der Herstellungskosten ist es bevorzugt, für die Beschichtungen
der erfindungsgemäßen intelligenten
PEC-Fenster Sol-Gel-Verfahren anzuwenden, welche einfache Eintauch- und/oder
Siebdruck- bzw. Schablonendruck-Methoden verwenden. Solche Methoden
sind im Stand der Technik bekannt und sind nicht Teil der Erfindung.
Es ergeben sich jedoch wesentliche Vorteile bei der Verwendung des
gleichen Elektrodenmaterials auf jeder Seite der zentralen Scheibe
eines dreischeibigen Fensters, weil damit ermöglicht wird, das Fenster in einer
einzelnen Eintauch-Oparation zu beschichten und in einer einzelnen
Back-Oparation zu
brennen (vorausgesetzt, das Glas wird auf jeder Seite im Voraus
mit TCO-Leitern
beschichtet bereitgestellt). Dies kann erfolgen, wenn TiO2 sowohl für die Arbeitselektrode(n) der
REPC-Zelle(n) als auch für
die Gegenelektrode der EC-Zelle verwendet wird.
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Während das
elektronische Steuerungsmittel angeordnet werden kann, um die Zellen
in die unterschiedlichen Reihen-/Parallel-Konfigurationen mit positiver
oder negativer Polarität
zu schalten, ist es im Allgemeinen bevorzugt, daß die Zellen permanent in Reihe
verbunden sind und das Steuerungsmittel das Laden und Entladen des
EC-Elements mittels Bezugnahme auf ein gespeichertes Profil für sicheres
Laden reguliert, welches theoretisch oder (vorzugsweise) empirisch
für die
Größe und den
Typ des verwendeten EC-Elements ermittelt wurde. Das Profil für sicheres
Laden wird vorzugsweise in Form zweier Nachschlagetabellen (eine
zum Laden und eine zum Entladen) in einem EPROM (oder anderer firmware)
gespeichert, welcher für
einen Mikroprozessor-Steuerungsmittel zugänglich ist. Es setzt den Lade-/Entlade-Strom, welcher dem
EC an jedem Moment sicher zugeführt/entnommen
werden kann in Be ziehung zu der gesamten Ladung (Coulombs), welche
zugeführt/entnommen
wurde. Diese Profile werden am besten empirisch ermittelt, weisen
jedoch im allgemeinen einen exponentiellen Abkling-Charakter auf,
wenn die Zelle den voll aufgeladenen oder entladenen Zustand erreicht.
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Das
Mikroprozessor-Steuerungsmittel setzt somit den zu der/von der Zelle
geführten
Strom in jedem Moment gemäß diesem
Profil und beeinflußt hiermit
die minimalen Schaltzeiten, ohne das Risiko einer Beschädigung der
EC-Zelle. Wenn das Fenster über
längere
Zeitintervalle zwischen partiell-verdunkelten Zuständen geschaltet
wird, ist es bevorzugt, daß das
Steuerungsmittel das Fenster mittels Bewirken einer vollständigen Entladung
auf „Null" setzt, bevor das
Fenster in den neuen, gewünschten,
partiell-verdunkelten Zustand überführt wird.
Hierdurch werden Ungenauigkeiten aufgrund eines eigenständigen Entladens
der EC-Zelle vermieden. Die Verwendung eines Mikroprozessor-Steuerungsmittels erlaubt
auch das Skalieren oder anderweitig Einstellen des gespeicherten
Profils gemäß der Anzahl
der Male, die die EC-Zelle einen Zyklus durchlaufen hat oder gemäß der Rate
des Spannungsanstiegs während
des anfänglichen
Ladens (Stellvertretung für Zellenalterung).
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Es
ist vorteilhaft, wenn das Steuerungsmittel eine Batterie umfaßt, weil
es vom PE-Element geladen werden kann, wenn das Fenster nicht geschaltet wird,
und weil es dann verwendet werden kann, um das Steuerungsmittel
und das Fenster zu versorgen, wenn nicht genügend Licht vorhanden ist, um
aus dem PE-Element die notwendige Leistung zu erzeugen. Beispielsweise
könnten
Menschen in einem Gebäude
ihre Fenster für
private Zwecke nachts verdunkeln wollen. Das gesamte Fenster kann
somit mit dem Steuerungsmittel und der Batterie, welche im Rahmen
angeordnet sind, in sich geschlossen sein.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführunsgbeispiele
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren einer Zeichnung näher
erläutert.
Insbesondere werden Beispiele für
intelligente PEC-Fenster
und ihre Steuerungsmittel beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht (nicht maßstabsgerecht)
von oben auf den oberen Rand eines nicht abgedichteten und nicht
eingerahmten drei-scheibigen intelligenten PEC-Fensters, welches ein
erstes Beispiel bildet, das nicht durch die Ansprüche gedeckt
ist;
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2 ein
Blockdiagramm eines Beispiels eines einfachen schaltbasierten Steuerungsmittels, welches
für die
Verwendung mit dem Fenster aus der 1 geeignet
ist;
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3 ein
Blockdiagramm eines Beispiels eines Mikroprozessor-basierten Steuerungsmittels, welches
für die
Verwendung mit der Scheibe aus der 1 geeignet
ist;
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4 eine
grafische Darstellung typischer Profile sicheres Laden und Entladen
für die
EC-Zelle des PEC-Fensters aus der 1; und
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5 einen
diagrammatischen Schnittaufriß eines
intelligenten Zwei-Scheiben-Fensters,
einem zweiten Beispiel eines erfindungsgemäßen intelligenten Fensters.
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Das
in der 1 dargestellte Beispiel eines intelligenten Fensters 100 umfaßt drei
eng beabstandete Glasscheiben: Eine erste äußere Schein 102, eine
innere oder zentrale Scheibe 104 und eine zweite äußere Scheibe 106,
welche normalerweise zusammen in einen Fensterrahmen (nicht dargestellt) eingepaßt sind.
In diesem Beispiel sind im Bezug auf einen Raum oder ein Gebäude die
erste äußere Scheibe 102 auf
der Außenseite
des Fensters und die zweite äußere Scheibe 106 auf
der Innenseite des Fensters angeordnet. Ein vierzelliges RPEC-PE-Element 108 ist
zwischen der Außenscheibe 102 und
der zentralen Scheibe 104 angeordnet und ein einzellliges
EC-Element 110 ist zwischen der zentralen Scheibe 104 und
der Innenscheibe 106 angeordnet. Zur Erläuterung
sind die Dicke der Zellen und ihrer Komponenten im Bezug auf die
Dicke der Scheiben in der 1 übertrieben
dargestellt. Die Scheiben 102, 104 und 106 sind
aus einem kommerziellen, TCO-beschichteten Glas gebildet, welches
von Zulieferern wie beispielsweise Asahi und Pilkington beziehbar
ist, wobei die Innen- und Außenscheiben 102 und 106 TCO-Beschichtungen
nur auf einer Seite aufweisen, während
die zentrale Scheibe 104 TCO-Beschichtungen auf beiden
Seiten aufweist. In der 1 sind die TCO-Beschichtungen schattiert
dargestellt, während
die auf Ihnen aufgetragenen Zell-Elektrodenschichten
schraffiert sind.
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Vor
dem Zusammensetzen wird die TCO-Schicht 112 der Außenscheibe 102 mittels
Eintauchen oder Siebdruck mit einer Pt umfassenden Lösung beschichtet,
welche nach dem Backen oder Trocknen eine Schicht 114 bildet,
die nur einige wenige Moleküle
dick sein braucht. Die TCO- und Pt-Schichten werden dann mittels
Laser-Ablation entfernt, um drei schmale Kanäle 116 zu bilden,
welche von einem Rand der Scheibe 102 zum anderen verlaufen.
Diese Kanäle dienen
dazu, die vier Zellen 118 des RPEC-Elementes 108 zu
definieren und voneinander elektrisch zu isolieren. Ebenfalls vor
dem Zusammensetzen werden drei parallele Tropfen eines klebrigen
transparenten leitenden Polymers auf die beschichtete TCO-Schicht 112 entlang
einer Seite jedes Kanals 116 ausgepreßt, um nach dem Zusammensetzen
die Wände 120 zu
bilden, welche die Zellen 118 voneinander physikalisch
trennen. Ebenfalls vor dem Zusammensetzen werden Tropfen eines nichtleitenden
klebrigen Polymers auf allen Rändern
der beschichteten Seite der Scheibe 102 aufgetragen, um
(nach dem Zusammensetzen) Rand-Dichtungen 122 zu
bilden. In der Zeichnung wird die Rand-Dichtung entlang des oberen
Randes der Scheibe aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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Die
zentrale Scheibe 104 hat eine Außen-TCO-Schicht 124 und
eine Innen-TCO-Schicht 126. Vor dem Zusammensetzen wird
die beschichtete Scheibe 104 in eine Sol-Gel-Lösung eingetaucht, welche
in der Lage ist, (nach einem Backvorgang) eine dünne Beschichtung (typischer
Weise 25 bis 50 Mikrometer dick) aus mikrokristallinem
TiO2 auf den TCO-Oberflächen zu erzeugen. In der 1 sind
die resultierende TiO2-Beschichtung auf
der Außen-TCO-Schicht 124 unter 128 und
die Beschichtung auf der Innen-TCO-Schicht 126 unter 103 dargestellt.
Nachdem die TiO2-Schichten 126 und 128 gebildet
sind, wird eine dünne
(in der Größenordnung der
Dicke von Molekülen – in der
Zeichnung nicht dargestellt) Beschichtung eines sensibilisierenden Farbstoffs
auf wenigstens die Außenseite
der TiO2-Beschichtung 128 auf der
zentralen Scheibe 104 aufgetragen. Schließlich werden
vor dem Zusammensetzen mit der Außenscheibe 102 drei Schlitze
oder Kanäle 132 mittels
Laser-Ablation in den Beschichtungen auf der Außenfläche der zentralen Scheibe 104 geschnitten,
um benachbarte RPEC-Zellen 118 voneinander elektrisch zu
isolieren.
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Aus
der 1 ist ersichtlich, daß die Außenscheibe 102 ein
wenig nach rechts über
die zentrale Scheibe 104 hinausläuft und daß die zentrale Scheiben 104 ein
wenig nach links über
das Ende der Außenscheibe 102 hinausläuft. Dies
dient dazu, das Auftragen großflächiger elektrischer
Anschlüsse
auf den hervorstehenden beschichteten Seiten dieser Scheiben zu
erlauben. Es ist auch sichtbar, daß die vier RPEC-Zellen 118 (nach
dem Zusammensetzen des Fensters) mittels der leitenden Wände 120 elektrisch
in Reihe verbunden sind. Somit erscheint der Ausgang der vier in
Reihe verbundenen Zellen zwischen dem linken äußeren Ende der TCO-Schicht 124 der
zentralen Scheibe 104 und dem rechten äußeren Ende der TCO-Schicht 112 der äußeren Scheibe 102.
Schließlich
ist die zentrale leitende Leitung 133 an der zentralen leitenden
Wand 120 befestigt, um eine mittlere Spannungsausgabe von
der Gruppe der RPEC-Zellen 118 bereitzustellen.
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Bei
der Innenscheibe 106 ist die TCO-Schicht 134 auf
ihrer Außenfläche (im
Bezug auf das Gebäude)
oder ihrer inneren Fläche
(im Bezug auf die Schichten des Fensters 100) angeordnet. Vor
dem Zusammensetzen mit der zentralen Scheibe 104 wird die
TCO-Schicht 125 mittels Sol-Gel-Verfahen mit einer WO3-Schicht 136 beschichtet, welche die
Arbeitselektrode der EC-Zelle 110 bildet. Ebenfalls vor
dem Zusammensetzen werden Tropfen eines klebrigen isolierenden Polymers
um die peripheren Ränder
der Scheibe 106 aufgetragen, um beim Zusammensetzen der
Scheiben 104 und 106 Rand-Dichtungen 138 zu
bilden. In diesem Beispiel sind die vier RPEC-Zellen 18 in
Reihe verbunden, so daß insgesamt
etwas mehr als zwei Volt zum Ansteuern der EC-Zelle zur Verfügung steht,
wobei etwas mehr als ein Volt von dem zentralen Leiter 133 zur Verfügung steht.
Im Allgemeinen sind fünf
oder sechs in Reihe verbundene RPEC-Zellen bevorzugt, um eine ausreichende
Spannung zum Laden der Batterie und für die Steuerungseinheit zu
erzeugen.
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Bevor
die Scheiben des Fensters 100 wie vorangehend beschrieben
zusammengesetzt und abgedichtet werden, werden kleine Löcher in
den äußeren Scheiben 102 und 104 gebohrt,
um das Einführen geeigneter
Elektrolyte unter Vakuum und/oder mittels Kapillarwirkung zu erlauben.
Ein kleines Reservoir des Elektrolyts kann mit jeder Zelle verbunden
sein, um Änderungen
des Zellvolumens aufgrund von Wärmeausdehnung
und -schwund zu kompensieren. Die Gestaltung der Elektrolyten sowie
die genaue Gestaltung der Arbeits- und Gegenelektroden der RPEC-
und EC-Zellen bilden nicht einen Teil der Erfindung und sind den
bereits genannten Veröffentlichungen
von Graetzel und Bechinger entnehmbar. Ebenso ist der Betrieb jedes
Typs von Zellen bekannt und nicht Teil der Erfindung. Ferner ist
TiO2 als Gegenelektrode der EC-Zelle nicht
bevorzugt und die gängigere
VO5-Gegenelektrode kann statt dessen verwendet
werden, mit dem Nachteil, daß die
zentrale Scheibe 104 dann nicht auf beiden Seiten gleichzeitig
tauchbeschichtet werden kann und ihre Beschichtungen nicht in einem
einzelnen Brenn-Schritt ausgehärtet
werden können.
Ohne die Einschränkung
einer TiO2-Beschichtung auf beiden Seiten der zentralen
Scheibe 104 können
die Positionen der Arbeits- und
der Gegenelektroden der RPEC- und EC-Zellen gegenüber der
im vorangehend beschriebenen Beispiel angedeuteten Positionen verändert werden.
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Die 2 zeigt
ein Blockdiagramm, das ein einfaches Steuerungsmittel 150 darstellt,
welches auf einem manuellen doppelpoligen Drei-Positions-Schalter 152 basiert,
dessen Pole mit dem EC-Element 110 des intelligenten Fensters 100 verbunden
sind. Die drei Ausgänge 112, 113 und 124 der
in Reihe verbunden Zellen 118, welche das RPEC-Element 108 bilden,
stellen die Eingaben für das
Steuerungsmittel 150 bereit. Wenn die Pole des Schalters 152 in
der zentralen Position sind, ist das EC-Element 110 vom
RPEC-Element 108 isoliert. Wenn sie in der rechten Position
sind, verbinden sie die Leitungen 112 und 114 (volle
Spannung) mit dem EC-Element 110 mit einer positiven (Auflade-)
Polarität.
Wenn sie in der linken Position sind, verbinden sie die Leitungen 112 und 133 (halbe
Spannung) mit dem EC-Element mit einer negativen (Entlade-) Polarität. Obgleich
nicht dargestellt, kann ein drei-poliger Schalter verwendet werden,
um den Satz von Batterien für
die RPEC-Zellen 118 zu ersetzen. Dies erlaubt es dem EC-Element,
bei Nacht, wenn kein Licht auf das PE-Element 108 scheint,
gefärbt
oder gebleicht zu werden. Wahlweise kann vorgesehen sein, daß das PE-Element
die Batterie auflädt.
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Die 3 zeigt
ein komplexeres Mikroprozessor-basiertes Steuerungsmittel 200,
mittels dessen das intelligente Fenster 100 des ersten
Beispiels gesteuert werden kann, wobei das Fenster 100,
das RPEC-Element 108 und das EC-Element 110 zur Veranschaulichung
diagrammatisch dargestellt sind. Das Steuerungsmittel 200 umfaßt eine
Mikroprozessoreinheit 202, welche mit einem ersten EPROM 204,
welcher das Profil für
sicheres Laden (Nachschlagetabelle) für das EC-Element 110 speichert, und
mit einem zweiten EPROM 206 verbunden ist, welcher das
Profil für
sicheres Entladen (Nachschlagetabelle) für das Element 110 speichert.
Die Einheit 202 ist normalerweise ein einzelner Chip, welcher den
Mikroprozessor 208 selbst, eine Analog/Digital (A/D)-Signalschnittstelle 210 und
eine Digital/Analog (D/A)-Signalschnittstelle 212 umfaßt. Der
Signalwandler 212 ist über
eine Zelltreiberschaltung 214 mit der EC-Zelle 110 gekoppelt.
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Die
Leistung für
den Treiber 214 wird von einer Batterie 216 und/oder
dem Ausgang einer Spannungsregulier- und einer Batterieladeeinheit 218 bereitgestellt,
welche wiederum die Leistung von den RPEC-Zellen 108 erhält, wenn
sie beleuchtet werden. Die Einheit dient auch dazu, die Zellen 108 von der
Batterie zu isolieren, wenn die Zellen nicht beleuchtet werden.
Die in der Lade-/Isolier-Einheit 218 verwendeten Schaltungen
und die Treiber-Schaltung 214 sind einem Fachmann bekannt.
Die Entwicklung derartiger Schaltungen bildet nicht einen Teil der
Erfindung. In diesem Beispiel werden der A/D-Schnittstelle 210 drei
kontinuierliche Eingangssignale zugeführt: Die Batterie-Spannung
auf der Leitung 220, die über das EC-Element 110 anliegende Spannung
auf der Leitung 222 und der von oder zu dem EC-Element
fließende
Strom auf der Leitung 224, wobei das Stromsignal in der
Treiberschaltung 214 abgeleitet wird. Zusätzlich ist
der A/D-Treiber 210 so verbunden, daß er Befehlssignale von einer
externen Befehlseinheit 226 erhält, welche als manuelle Steuerungseinheit
oder Schalter dargestellt ist, jedoch ein Eingang eines zentralen
Gebäude-Steuerungssystem
sein kann.
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In
diesem Beispiel wird die mittels des EC-Elements gespeicherte oder
dem EC-Element zugeführte
Gesamtladung mittels der Mikroprozessoreinheit 208 kontinuierlich
berechnet, indem der Stromfluß zu
oder von der Zelle zeitlich integriert und die kürzlich vergangene Vorgeschichte
der Lade- und Entlade-Ereignisse gespeichert wird. Es ist jedoch auch
vorgesehen, daß eine
Schaltung im Treiber 214 ein die zugeführte oder entnommene Gesamtladung anzeigendes
Signal ableiten und das Signal der A/D-Schnittstelle 210 zuführen kann.
Es ist auch vorgesehen, daß die
Mikroprozessoreinheit 208 eine Übersicht über die Anzahl der Zyklen,
welche die Zelle 110 durchlaufen hat stellvertretend für die Alterung der
Zelle, führt.
Zusätzlich
führt die
Mikroprozessoreinheit 208 vorzugsweise eine Übersicht über die
Anzahl partieller Verdunklungs- oder Bleichungs-Schritte, welche
seit der letzten vollständigen
Bleichung durchgeführt
wurden und erzielt eine vollständige Bleichung
in regelmäßigen Intervallen – vorzugsweise
nach jeweils fünf
bis zehn partiellen Befehlen-, um die Zelle auf „Null" zu setzen, ehe auf einen neuen Befehl
reagiert wird. Gleichermaßen
ist es bevorzugt, den Mikroprozessor zu programmieren, um sicherzustellen,
daß die
Zelle auf Basis regelmäßiger Zeiten vollständig gebleicht
wird. Vorzugsweise wenigstens einmal alle 24 Stunden. Hierdurch
wird sichergestellt, daß die
in der Zelle gehaltene Ladung genau der mittels des Prozessors berechneten
Ladung entspricht, welche in der Zelle gehalten werden soll.
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Typische
empirisch hergeleitete Profile für
sicheres Laden (Färben/Verdunkeln)
und Entladen (Bleichen) sind mittels der Kurven in der 4 dargestellt.
Sie setzen den sicheren Strom in mA mit der in dem EC-Element 110 vorhandenen
Ladung in Coulomb in Beziehung. Die Daten aus der Färbungs-Kurve
sind als Lade-Nachschlagetabelle in dem EPROM 204 gespeichert,
während
die Daten aus der Bleich-Kurve als eine Entlade-Nachschlagetabelle
in dem EPROM 206 gespeichert sind. Während die Form dieser Kurven
im Allgemeinen auf jede EC-Zelle mit den gleichen Arbeits- und Gegenelektroden
zutrifft, hängt
der Betrag des sicheren Stromes von der Größe der Zelle/des Fensters ab.
Dementsprechend muß,
wenn ein Fenster und sein Steuerungsmittel zum ersten Mal installiert
werden, dem Mikroprozessor die Größe und die Art des Fensters „mitgeteilt" werden, mit welchem
er verbunden ist. Dies wird leicht durchgeführt, indem Konfigurationsschalter oder
dergleiches am Zeitpunkt der Installation gesetzt werden. Derartige
Schalter sind diagrammatisch unter 228 in der 2 dargestellt.
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Im
Betrieb, wenn das EC-Element 110 des Fensters 100 in
seinem vollständig
gebleichten Zustand ist, das Fenster belichtet ist und die Steuerungseinheit 226 eingestellt
ist, um anzuzeigen, daß das
Fenster gebleicht bleiben soll, wird die Ausgabe des RPEC-Elements 108 verwendet,
um die Batterie 216 zu laden, und es wird keine Spannung
mittels des Treibers 214 an die EC-Zelle 110 angelegt.
Wenn die Steuerungseinheit 226 anschließend eingestellt wird, um anzuzeigen,
daß vollständige Verdunklung benötigt wird,
liefert der Mikroprozessor 208 einen Kode, welcher dem
Lade-EPROM 204 null Ladung anzeigt, der infolge dessen
einen Kode ausgibt, der den sicheren Anfangsstrom (ungefähr 750 mA)
und die Ladung anzeigt, die bereitzustellen sind. Da das Element 110 vollständig entladen
ist, ist der Anfangsstrom der absolut maximale sichere Strom, welchen das
Element 110 tolerieren kann, und der Treibereinheit 214 wird
signalisiert, dem EC-Element 110 diesen Strom zu liefern.
Der Strom und die Spannung, welche tatsächlich geliefert werden (angezeigt
auf der Leitung 224 bzw. 222), werden mittels
des Mikroprozessors beobachtet, wobei der Strom zeitlich integriert
wird, um die zugeführte
Ladung herzuleiten. Alle wenige Sekunden gibt der Mikroprozessor
einen die bis dahin zugeführte
Ladung anzeigenden Kode in den EPROM 204 ein und bewirkt
einen Ausgabe-Kode aus der Nachschlagetabelle, der den einzustellenden
neuen sicheren Strom anzeigt. Dieser Prozeß setzt sich fort, bis entweder
die benötigte
Ladung zugeführt
wurde oder bis ein minimaler Strompegel erreicht worden ist, so
daß dann
das Element 110 von der Versorgungsquelle gelöst wird.
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Wenn
nach einem Teil des Lade-Prozesses oder nachdem der Lade-Prozeß vervollständigt wurde,
die Steuereinheit 228 ein Signal empfängt, welches anzeigt, daß ein partielles
Bleichen erforderlich ist, interpretiert der Mikroprozessor 208 die
Anweisung in der Weise, daß eine
im Element 110 zu verbleibende Rest-Zielladung eingestellt
wird, und berechnet die abzuführende
Ladung. Eine entsprechende Eingabe wird der Entlade-Nachschlagetabelle
im EPROM 206 zugeführt,
um einen neuen Kode zu erzeugen, welcher den einzustellenden sicheren Lade-Strom
anzeigt, und die D/A-Einheit 212 steuert die Treiberschaltung 214 entsprechend.
Erneut wird die Rest-Ladung im Element 110 alle wenige
Sekunden berechnet und dem EPROM 206 zugeführt, um einen
neuen sicheren Strompegel zu erzeugen. Dieser Prozeß setzt
sich fort, bis der Mikroprozessor berechnet, daß die Rest-Ladung gleich der
Ladung ist, welche dem vom Benutzer gesetzten Färbungspegel entspricht.
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Ein
Gegensteuern gegen die Zellalterung kann auf mehrere Weisen mittels
der Verwendung des Mikroprozessor-Steuerungsmittels 200 vorgesehen
sein. Beispielsweise kann ein alterndes EC-Element mittels eines
ungewöhnlichen
Anstiegs der Spannung erkannt werden, welcher benötigt wird,
um den anfänglichen
vollständigen
Ladungsstrom zu liefern, wenn das Element vollständig geladen ist. Oder es kann
gezählt
werden, wie oft das Element einen Zyklus durchlaufen hat. Alterungskompensation
kann ebenfalls auf mehreren Weisen erfolgen. Beispielsweise kann
der Mikroprozessor programmiert sein, um die aus den Nachschlagetabellen
ausgelesenen Ströme
um einen Faktor zu vermindern. Oder er kann programmiert sein, um
einen neuen Satz von Nachschlagetabellen in den EPROMs zu verwenden. Letzteres
ist bevorzugt, da im Allgemeinen die Alterung die Form der sicheren
Strom-Profile verändert. Beispielsweise
können
bei jedem Alter minimale Abschalt-Ströme für die Zelle beibehalten werden,
während
Anfangs-Ladungsraten mit der Zellalterung vermindert werden.
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Bezugnehmend
auf die 5 wird das zweite Beispiel eines
intelligenten PEC-Fensters beschrieben. Diese Vorrichtung ist ein
doppelscheibiges intelligentes Fenster 300, welches ein
einzelliges RPEC-Element 302 mit einem einzelligen EC-Element 304 kombiniert.
Das Element 302 ist, wie vorangehend beschrieben, auf der
TCO-beschichteten inneren Oberfläche
einer Scheibe 306 mittels Auftragen einer Schicht 308 aus
einem porösen
nanokristallinen TiO2 auf der TCO-Beschichtung 310 und
anschließendem
Imprägnieren
mit einem geeigneten Elektrolyt (nicht dargestellt) gebildet. Um
das Elektrolyt an seinem Ort abzudichten, wird eine Schicht 312 aus
einem ionendurchlässigen
aber elektronenundurchlässigen
Material auf die TiO2-Schicht 308 aufgetragen,
wobei derartige Materialien von Graetzel offenbart sind. Eine dünne Schicht 314 aus
Pt wird dann auf die Oberfläche
der Schicht 312 aufgetragen, und ein abschließender Leiter 316 (beispielsweise
ein leitende Polymer) wird über
dem Pt aufgetragen, um als eine stromführende Elektrode zu dienen.
Die Elektrode ist mit einer Leitung 318 verbunden, welche
zum externen Verbinden aus dem Fenster 300 geführt ist,
wobei eine zweite Leitung 320 aus der TCO-Beschichtung 310 der
Scheibe 306 geführt ist.
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Das
EC-Element 304 ist zwischen der zentralen Elektrode 316 und
der zweiten Scheibe 322 gebildet, welche das intelligente
Fenster 300 bilden, wobei die Innenfläche der Scheibe 322 eine
TCO-Beschichtung 324 aufweist, auf welcher eine Vanadiumoxid-Gegenelektrode 326 gebildet
ist. Die Arbeitselektrode des Elements 304 ist eine Schicht 328 aus Wolframoxid,
welches auf der Rückseite
der zentralen Elektrode 316 gebildet ist. Der zwischenliegende Raum
wird dann mit einem ein Redoxpaar (beispielsweise ein auf Lithium
basiertes) umfassenden Elektrolyt gefüllt. Schließlich wird eine elektrische
Leitung 322 mit der TCO-Schicht 326 verbunden,
um das Versorgen der Zelle 304 mit Strom von außerhalb
des Fensters 300 zu erlauben. Die Leitung 322 ist
zusammen mit den Leitungen 318 und 320 durch die
Randversiegelungen 334 geführt.
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Es
ist ersichtlich, daß das
PEC-Fenster aus der 5, die RPEC-Zelle 302 und
die EC-Zelle 304 sich eine gemeinsame Elektrode oder einen
gemeinsamen Leiter (316) teilen, aber nicht beide Elektroden.
Hierdurch kann die Polarität
des der EC-Zelle zugeführten
Stromes extern zugeführt
und umgekehrt werden, ohne die REPC-Zelle zu beeinflussen. Es hat
auch den wichtigen Vorteil, daß die
Zellen keine Elektrolyten gemeinsam verwenden.
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Obgleich
das vorangehend beschriebene zweite Beispiel, das der Erfindung
zugrunde liegende Problem löst
und die gewünschten
Vorteile aufweist, wird ein Fachmann erkennen können, daß viele Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne den mittels der Ansprüche
definierten Bereich der Erfindung zu verlassen.