مقاله شیشه و نانو تکنولوژی ( پنجره های هوشمند ) گامی در راستای بهینه سازی مصرف انرژی

بخشی از مقاله

چکیده

حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره ها هدر می رود. به همین دلیل تلاش برای کاهشمصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها متمرکز شده است. مطالعات زیادی برای یافتن روشهای ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخیره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجرههای شیشهای در ساختمانها به کار برده شود. این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد،در صنعت ساختمان سازی می توان از این شیشه برای پنجره های نمای ساختمان ،سرویس بهداشتی ،پنجر ه های فروشگاه ها و اسانسور استفاده نمود.

با وجود اینکه استفاده از این شیشه هنوز در ایران متداول نشده اما نمونه های زیادی در تمام دنیا وجود دارد و در کشورهای پیشرفته جهت بهینه سازی انرژی از این تکنولوژی استفاده می شود.در این تحقیق به بررسی پنجره های هوشمند و نحوه کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان ها و اماکن عمومی پرداخته و در می یابیم با استفاده از تکنولوژی نانو میتوانیم بدون استفاده بیش از حد از سیستم های تهویه گران قیمت ،دمای محیط را مطلوب نگه داشته و هزینه ها را به طور چشم گیری کاهش دهیم.

.1مقدمه :

شیشه هوشمند گونهای از شیشه و پنجره است که با استفاده از فناوریهای نوین میتوان با آن میزان جذب نور را در اینگونه از شیشهها تغییر داد. شیشههای آفتابگیر از انواع آن است.

مفهوم شیشه های ضد آفتاب در ساختمان به این معناست که این شیشهها میتوانند از جذب گرمای نامطلوب ناشی از تشعشع پرتوهای نور خورشید پیشگیری کنند .

بیشتر شیشهای که در ساختمان استفاده میشود، در جبهه بیرونی ساختمان قرار میگیرد و از این رو، کنترل نور و حرارت وارد شده به بنا از این راه انجام شده و شیشهها نقش بسیار مهم و پر رنگی در پایدار بودن - زیست محیطی - ساختمان ایفا خواهند کرد .تحقیقات انجام شده در راستای بهبود کیفی شیشهها، با بهره گیری از فناوری نانو، مشتمل بر چهار تصمیم کاربری است. نخست، پوششهایی به شکل فیلمهای بسیار نازک که به طیف خاصی از امواج حساسند. چنین پوششهایی، این پتانسیل را برای شیشه فراهم میاورند تا بسامدهای ناخواستهمادون قرمز که سبب گرم شدن فضا میشوند را فیلتر کرده و از ورود آنها به داخل ساختمان پیشگیری کنند.

اگرچه این رویکرد سبب میشود ساختمان، انرژی گرمایی کمتری از نور خورشید دریافت کند، اما این نگرش، نوعی نگرش منفعلانه قلمداد میشود. به عنوان یک راهکار فعال، روش دوم مبتنی بر فناوری گرمافامی - ترموکرومیک - است که به وسیله آن، شیشه به گرما واکنش نشان داده و نوعی سازوکار عایقبندی حرارتی را بر سر راه نور خورشید میسر میکند، در حالی که ساختمان از دریافت نور کافی محروم نخواهد شد. در حالت کلی، این سازوکار، مبتنی بر دریافت نور کافی بدون دریافت انرژی گرمایی است.

راهکار سوم، به نتیجه مشابهی اما با روش متفاوتی دست مییابد. در این روش که موسوم به فوتوکرومیک است، شیشه با افزایش جذب خود به تغییرات شدت نور واکنش نشان میدهد. روش آخر، استفاده از پوششهای برقفام - الکتروکرومیک - است که در آن، شیشه به وسیله یک لایه از تری اکسید تنگستن یا اکسید نیکل، به تغییر ولتاژ ایجاد شده واکنش نشان میدهد. در این روش به محض لمس یک دکمه بر تیرگی شیشه افزوده خواهد شد .

ظهور فناوری نانو، زمینه ساز استفاده از نوعی شیشه برقفام نوین در ساختمان شد. اولین و مهمترین وجه تمایز میان فراوردههای جدید و نمونههای قدیمی تر، در این است که در فراوردههای جدید، تنها فشار دادن یک دکمه برای ایجاد تغییر در میزان انتقال نور از شیشه و تغییر از وضعیتی به وضعیت دیگر کافی است و مانند نمونههای قدیمی، نیازی به برقراری دایم جریان الکتریکی - تا هنگامی که بخواهیم شیشه تیره بماند - نیست. به این معنا با فشار دادن یک کلید شیشه از حالت شفاف خارج شده و با فشار دکمه دیگر به وضعیت قبلی بازمیگردد.
از دیگر وجوه برتری نانو شیشههای آفتابگیر امکان برقراری سطوح مختلفی از انتقال پرتوها به وسیله میزان متفاوتی از تیرگی است.

این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشهای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. می توان از این شیشه برای پنجره خانه - در حالت نیاز به ایجاد عدم دید - ، برای جلوی فروشگاه ها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی، هنوز در ایران متداول نشده است اما نمونه های زیادی در تمام دنیا وجود دارد. اما پنجرههای هوشمند موجود، از پنجره های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، همگی به کمک ما شتافته تا به طریق هوشمند به کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان ها و اماکن عمومی کمک کند.

تصور کنید که در یکی از گرم ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیماً به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق در ساعات اوج تابش ندارید اما این پنجره ها باعث کاهش میزان انتقال نور و کاهش میدان دید در دیگر ساعات روز می شوندهمچنین شیشه های دودی با توجه به مکانیزم تیره کردن شیشه باعث جذب میزان بیشتری از حرارت در روز می شوند.

.2انواع شیشه ها

2,1شیشه های الکتروکروماتیک

دسته ای از شیشه ها هوشمند از الکتروکروماتیک ها بهره می برند. الکتروکروماتیک ها موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر می کنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد می شود و کاری می کند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشه های پنجره استفاده می شود. نور خورشید به شیشه ها می تابد، اما از طرفی جریان الکتریکی برقرار شده، سبب می شود تا یون ها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده و به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را شفاف نمایند. با قطع الکتریسته فرآیند برعکس عمل کرده شیشه مجدداً تیره می شود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که می توان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد.
 
متشکل از دو لایه شفاف قلع به عنوان الکترودمی باشد که لایه ای از کریستال مایع بین آنها ،ساندویچ شده است. هنگامی که نیروی الکتریکی وجود ندارد مولکولهای کریستال مایع دارای تصادفی و رندوم می باشد که بدلیل پراکندگی نور شیشه حالت مات دارد و با بر قراری جریان الکتریکی مولکول هم جهت شده و یدلیل عبور نور شیشه شفاف می گردد.

شکل -2 نمایش نحوه عملکرد شیشه های الکتروکرومیک - انواع فیلم کریستال مایع -

سابقه شیشه های هوشمند کریستال مایع و فیلم آن به - 1994 1990 باز می گردد و کاربرد تجاری و امروزی آن از سال 2001صورت پذیرفت . مشخصات فیزیکی ،عایق صوتی و قابلیت محیطی مناسب این نوع شیشه ها ضخامتهای 8-25میلیمتر در دمای 6- 10درجه سانتیگراد سبب کاربرد زیاد در صنایع ساختمانی و سالنهای اجتماعات گردیده است که امروزه شاهد استفاده از این شیشه ها در خودروهای سواری و اتوبوس های بین شهری هستیم.

شکل-1 تصویر شبیه سازی شده از شیشه های الکتروکرومیک - انواع ذخیره سازهای یونی [4 ] -

2,2شیشه های هوشمند کریستال مایع

یکی از روش های ساخت شیشه های هوشمند تکنولوژی کریستال مایع می باشد.در این نوع شیشه هوشمند نور مستقیم خورشید را پراکنده نموده و 99 درصد اشعه ماورای بنفش و مادون قرمز را حذف می نماید. این تکنولوژی بر اساس پخش کنترل شده نور از طریق نیروی الکتریکی عمل می نماید.تکنولوژی تولید شیشه های هوشمند همچون تکنولوژی تولید تلویزیون LEDو صفحه نمایش رایانه های شخصی بوده و ساختمان درونی این شیشه های هوشمند

شکل -3 حالت کدر و شفاف برای شیشه الکتروکرومیک که با زدن یک کلید تغییر می کند.[ 5 ]

.3انواع پنجره ها

1,3پنجرههای هوشمند - آرایههای نانوسیمی پلیآنیلین -

اخیرا دانشمندان، موفق به ساخت پنجرههایی شدند که در آن از ابرخازنها استفاده شده بود. این ابرخازنها درون پنجرههای الکترونیکی قرار داده شدهاند؛ پنجره هایی که قادر به تغییر رنگ هستند. زمانی که تابش نور خورشید شدید است، این پنجرهها نور را جذب کرده و در خود ذخیره میکنند، زمانی که ظرفیت این پنجرهها تکمیل شد، شیشهها تاریک شده و عبور نور را محدود میکند. با این کار مقدار نور ورودی به خانه و دمای آن تحت کنترل در میآید و از سوی دیگر انرژی ذخیره شده در آن را میتوان برای استفاده در ادوات الکترونیکی دیگر نظیر نمایشگرهای تلویزیونی به کار گرفت. با مصرف انرژی ذخیره شده در پنجره هوشمند توسط دیگر ادوات، خازنها تخلیه شده و دوباره با جذب دوباره با جذب نور خورشید شارژ می شوند.

این پنجرههای هوشمند از آرایههای نانوسیمی پلیآنیلین ساخته میشوند که روی یک فیلم شفاف رسوب داده شدهاند؛ فیلمهای شفاف، خود توسط لایههای رسانا پوشانده شدهاند. این نانوسیمها به وسیله یک ژل الکترولیتی پوشانده میشوند تا به عنوان الکترود مورد استفاده قرار گیرند. دو الکترود به صورت ساندویچی دور هم پیچیده میشوند تا یک ساختار جدید ایجاد شود.

شیشههای رنگی تشکیل شده از سلول خورشیدی، در مصارف خانگی و صنعتی کاربرد پیدا کرده است که نه تنها تولید کننده انرژی هستند، بلکه در رنگ های مختلف، کاربردهای تزیینی نیز در نمای ساختمان دارد. این محصول، پانل هایی چند لایه ی کدر تا نیمه شفاف، که به رنگ های نقره ای، برنزی، طلایی، تا رنگ های اصلی، قرمز، سبز، و سرخابی می باشد را شامل می شود که از پلی کریستال ها تشکیل شده اند. تفاوت رنگی آنان به دلیل تفاوت ضخامت در پوشش ضدانعکاس آنها می باشد.

شکل - 5 شیشه های تشکیل شده از پلی کریستال که با لایه ضدانعکاس پوشیده شده اند.

به عنوان مثال در شیشه های تولید شده با این تکنولوژی، رنگ آبی دارای ضخیم ترین پوشش ضدانعکاس است. که مصرف انرژی آن بسیار کم است. نقره ای هم دارای نازک ترین پوشش است. که از نظر مصرف انرژی بهینه نیست. این نوع می تواند در مواردی که نیاز به گرفتن کمتری از انرژی خورشید می باشد به کار رود.

3,3پنجره های هوشمند: استفاده از نانوبلورهایی با قابلیت انتقال نور مرئی و رد نور نزدیک مادون قرمز

محققان آزمایشگاه برکلی در حال ساخت پنجره هوشمندی هستند که میزان حرارات وارد شده به اتاق و همچنین نور محیط را تنظیم میکند. ساخت نوعی پوشش که شامل لایه نازکی از نانوبلورها با قابلیت انتقال نور مرئی و رد نور نزدیک مادون قرمز است می تواند گام مهمی در این رابطه به حساب آید.

حالت انتقال دهنده نور نزدیک به مادون قرمز نانوبلورها را میتوان با اعمال چند ولت پتانسیل فعال ساخت. در یک روز سرد، هر دو نور مرئی و نزدیک به مادون قرمز برای انتقال گرما میتوانند وارد محیط شوند؛ اما در روزهای گرم چند ولت الکتریسیته بر این نانوبلورها اعمال شده تا پنجره تنها به نور مرئی اجازه ورود بدهد.

شکل-4 شیشه هایی که نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کرده و در ابر خازن ذخیره می کنند.

2,3پنجره های هوشمند:کنترل رنگ و شفافیت شیشه های خورشیدی

نور خورشید مدت زیادی است که به عنوان منبع تولید الکتریسیته و جایگزینی برای سوخت های فسیلی مورد توجه بوده است. اما اخیرا محصولات خورشیدی علاوه بر جذب انرژی خورشیدی، دارای کاربرد تزئینی نیز شده اند.

شکل -6 عدم اجازه ورود به نور ماورا بنفش و مادون قرمز به درون ساختمان در یک روز گرم[4]

دانشمندان همچنان به تلفیق اکسید قلع ایندیوم در شکل نانو بلور می پردازند. این بلورها در مایعات و حلالها از هم جدا شده و میتوان از آنها برای پوشش دادن به شیشه استفاده کرد.