ΗΛΕΚΤΡΟΧΡΩΜΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΧΡΩΜΙΚΑ ΠΑΡΑΘΥΡΑ Γ. Λευθεριώτης, Επ. Καθηγητής, Τμ. Φυσικής, Παν/μιο Πατρών ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι ηλεκτροχρωμικές συσκευές είναι διατάξεις που εκμεταλλεύονται την ιδιότητα διαφόρων οξειδίων (οξείδιο του βολφραμίου, WO 3, του μολυβδαινίου MoO 3, ή του βαναδίου, V 2 O 5 ) να χρωματίζονται αντιστρεπτά με την εισαγωγή- εξαγωγή ευκίνητων ιόντων (υδρογόνου, Η +, λιθίου Li + ή νατρίου Na + ) στο πλέγμα τους. Με την εφαρμογή ηλεκτρικού δυναμικού (περί τα 3-5 Volt DC) οι ηλεκτροχρωμικές συσκευές χρωματίζονται με βαθύ μπλε χρώμα. Με αντιστροφή της πολικότητας της τάσης που εφαρμόζεται, επανέρχονται στην αρχική, διαυγή κατάσταση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «αντιστρεπτός χρωματισμός». Ηλεκτροχρωμική συμπεριφορά παρουσιάζουν τα οξείδια των μετάλλων που φαίνονται χρωματισμένα στον περιοδικό πίνακα του σχήματος 1. Το μπλέ χρώμα υποδηλώνει υλικά με «καθοδικό» χρωματισμό, δηλαδή χρωματισμό που εμφανίζεται όταν παρεμβάλλονται κατιόντα στη δομή, ενώ το πράσινο υποδηλώνει «ανοδικό» χρωματισμό: Σε αυτή την περίπτωση, το οξείδιο στην αρχική κατάσταση είναι χρωματισμένο και αποχρωματίζεται με την παρεμβολή κατιόντων. Το οξείδιο του βαναδίου (V 2 O 5 ) εμφανίζει και τα δύο είδη χρωματισμού. Σχήμα 1 : Ηλεκτροχρωμικά υλικά. Τα οξείδια των μετάλλων που φαίνονται με μπλε και πράσινο χρώμα παρουσιάζουν καθοδικό και ανοδικό χρωματισμό αντίστοιχα. Μια τυπική ηλεκτροχρωμική συσκευή έχει δομή 5 στρωμάτων, όπως φαίνεται στο σχήμα 2 και αποτελείται από: 1. Διαφανές και ηλεκτρικά αγώγιμο υμένιο (φιλμ), σε υπόστρωμα γυαλί. 2. Ηλεκτροχρωμικό υμένιο, που είναι το οπτικά ενεργό τμήμα της συσκευής (συνήθως WO 3 ). 3. Ηλεκτρολύτη με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα (πολυμερή ή στερεό). 4. Υμένιο αποθήκη ιόντων (V 2 O 5, NiO 2 και άλλα). 5. Ένα δεύτερο διαφανές και αγώγιμο υμένιο. 1

2 e - e - e - Εξαγωγή Li+ και e- από την αποθήκη ιόντων Γυαλί Διαφανής Αγωγός Αποθήκη ιόντων Ηλεκτρολύτης Ηλεκτροχρωμικό οξείδιο Διαφανής Αγωγός Γυαλί Li + Li + Li e - e - e - Ιόντα Li+ κινούνται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου Εισαγωγή Li+ και e- στο ηλεκτροχρωμικό υμένιο. Σχηματισμός Li y WO 3 ΗΛΕΚΤΡΟΧΡΩΜΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΧΡΩΜΑΤΙΣΜΟΥ Σχήμα 2 : Ηλεκτροχρωμική συσκευή Πρέπει να τονίσουμε ότι το πάχος των στρωμάτων αυτών είναι εξαιρετικά λεπτό, της τάξης των μερικών εκατοντάδων νανομέτρων (1 νανόμετρο = 10-9 μέτρα, ή ένα εκατομμυριοστό του χιλιοστού). Μια τέτοια συσκευή λειτουργεί ως εξής: με την εφαρμογή ηλεκτρικού δυναμικού μερικών Volt, και πολώνοντας αρνητικά το ηλεκτροχρωμικό υμένιο (WO 3 ), ιόντα Li + εξέρχονται από την αποθήκη ιόντων και μαζί με εκείνα που βρίσκονται στον ηλεκτρολύτη εισέρχονται στο υμένιο WO 3 σχηματίζοντας την ένωση Li x WO 3 η οποία έχει μπλε χρώμα. Επίσης, για ισοστάθμιση φορτίου είναι απαραίτητη η ταυτόχρονη εισαγωγή ηλεκτρονίων από το εξωτερικό κύκλωμα στο WO 3 μέσω του διαφανούς αγωγού. Η διαδικασία αυτή είναι πλήρως αντιστρεπτή: με την αντιστροφή της πολικότητας του εφαρμοζόμενου δυναμικού, αντιστρέφεται η φορά κίνησης των ιόντων με αποτέλεσμα τον αποχρωματισμό της συσκευής. Η παραπάνω διαδικασία μπορεί να παρασταθεί με μια αντίδραση οξειδοαναγωγής [1]: xli xe WO 3 Li xwo3 (1) Η αναγωγή του WO 3 προκύπτει από τη μεταβολή του σθένους του βολφραμίου από W 6+ σε W 5+ λόγω παρεμβολής του ιόντος Li +. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των συσκευών αυτών είναι ότι διαθέτουν «μνήμη ανοιχτού κυκλώματος», δηλαδή παραμένουν στην κατάστασή τους (χρωματισμένη ή διαυγή) όταν δεν εφαρμόζεται τάση στα άκρα τους. Έτσι, δε χρειάζονται συνεχή παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, παρά μόνο για την αλλαγή των ιδιοτήτων τους. Τον υπόλοιπο χρόνο δεν καταναλώνουν ενέργεια. 2

3 1 ΠΙΝΑΚΕΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ 2 ΚΑΘΡΕΠΤΗΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Δ ιά χυ τη α νά κ λα σ η Ση μ εια κ ή α νά κ λα σ η Λευκή χρωστική ουσί α Καθρέπτης Απ ο ρ ρ ό φ η σ η Απ ο ρ ρ ό φ η σ η 3 "ΕΞΥΠΝΟ" ΠΑΡΑΘΥΡΟ 4 ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ ΜΕΤΑΒΛΗΤΗΣ ΕΚΠΕΜΨΙΜΟΤΗΤΑΣ Δ ια π ερ α τό τη τα Εκ π ο μ π ή (Απ ο ρ ρ ό φ η σ η σ το υ π έρ υ θ ρ ο ) Μ η -εκ π ο μ π ή Απ ο ρ ρ ό φ η σ η (Ανά κ λα σ η σ το υ π έρ υ θ ρ ο ) Σχήμα 3 : Βασικές εφαρμογές των ηλεκτροχρωμικών διατάξεων Εφαρμογές των ηλεκτροχρωμικών συσκευών Υπάρχουν πολλές χρήσεις για υλικά των οποίων οι οπτικές ιδιότητες μεταβάλλονται αντιστρεπτά, με την εφαρμογή μίας χαμηλής τάσης. Στο Σχήμα 3 φαίνονται οι τέσσερις βασικές εφαρμογές των ηλεκτροχρωμικών συσκευών. Το τμήμα (1) αναφέρεται στην απεικόνιση πληροφοριών (information display). Αυτές οι συσκευές ενσωματώνουν ένα ηλεκτροχρωμικό υμένιο και μία χρωματισμένη επιφάνεια που λειτουργεί ως διάχυτος ανακλαστήρας. Με κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου της εφαρμοζόμενης τάσης μπορούν να εμφανιστούν διάφορα σχέδια στο ηλεκτροχρωμικό υμένιο. Είναι δυνατή η επίτευξη εξαιρετικών οπτικών χαρακτηριστικών με καλύτερη αντίθεση χρωμάτων σε σχέση με τις συσκευές υγρών κρυστάλλων ή άλλες συσκευές οπτικής απεικόνισης. Στο Σχήμα 3 (2) φαίνεται η χρήση μίας ηλεκτροχρωμικής διάταξης σε έναν καθρέφτη μεταβαλλόμενης ανακλαστικότητας. Εφαρμογή αυτών των διατάξεων γίνεται σε αντιθαμβωτικούς καθρέπτες για αυτοκίνητα, οι οποίοι βασίζονται σε υμένια ηλεκτροχρωμικών οξειδίων. Οι ηλεκτροχρωμικοί αντιθαμβωτικοί καθρέπτες 3

4 είναι ήδη σε εμπορική κυκλοφορία, σε πολυτελή αυτοκίνητα. Τελευταία, έχουν αρχίσει να τοποθετούνται και σε λιγότερο ακριβά αυτοκίνητα. Η σημαντικότερη εφαρμογή των ηλεκτροχρωμικών διατάξεων είναι τα "έξυπνα" παράθυρα, των οποίων η αρχή λειτουργίας φαίνεται στο Σχήμα 3 (3). Αυτά τα παράθυρα με μεταβαλλόμενη διαπερατότητα, δίνουν τη δυνατότητα στο χρήστη να ελέγχει δυναμικά το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στο εσωτερικό του κτηρίου. Τέτοια παράθυρα εξοικονομούν ενέργεια και δημιουργούν ευχάριστο κλίμα στο εσωτερικό των χώρων που τα χρησιμοποιούν. Με εφαρμογή συνεχούς τάσης μερικών βολτ αυτά τα παράθυρα μεταβάλλουν την διαπερατότητά τους και από διαφανή μετατρέπονται σε αδιαφανή. Τα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα έχουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με αντίστοιχες συμβατικές παθητικές συσκευές. Δεν εμποδίζουν την ορατότητα όπως οι κουρτίνες ή οι περσίδες, ενώ ταυτόχρονα προσφέρουν έλεγχο της οπτικής όχλησης που προέρχεται από τις διάχυτες ηλιακές ακτίνες και μπορούν να συμβάλουν στη δημιουργία κατάλληλου μικροκλίματος στον εσωτερικό χώρο των κτηρίων. Δεν έχουν κινητά μέρη και ως εκ τούτου, το κόστος συντήρησής τους είναι ελάχιστο. Απαιτούν μικρή κατανάλωση ενέργειας και ο έλεγχος της λειτουργίας τους μπορεί να ενσωματωθεί στο σύστημα κεντρικής διαχείρισης ενέργειας του κτηρίου. Μπορούν να έχουν άπειρες καταστάσεις ανάμεσα στη διαφανή και τη χρωματισμένη κατάσταση. Εμποδίζουν την είσοδο τόσο της άμεσης όσο και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας σε αντίθεση με τα παθητικά συστήματα σκίασης. Προσφέρουν δυνατότητα καλύτερης χρήσης του φυσικού φωτός ελαττώνοντας το κόστος για τεχνητό φωτισμό. Ένα ηλεκτροχρωμικό παράθυρο υπερτερεί σημαντικά σε σχέση με τα καλύτερα παράθυρα για εξοικονόμηση ενέργειας που υπάρχουν στην αγορά σήμερα και παρουσιάζει καλύτερη ενεργειακή συμπεριφορά κατά τη διάρκεια ενός έτους ακόμα και από έναν συμπαγή μονωμένο τοίχο. Τα ενεργειακά πλεονεκτήματα των ηλεκτροχρωμικών έχουν διαπιστωθεί τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά [3, 76-79]. Τα πρωτογενή ενεργειακά κέρδη είναι: μειωμένα ενεργειακά φορτία για ψύξη, θέρμανση και αερισμό, καθώς και η δυνατότητα ελάττωσης της ανάγκης για τεχνητό φωτισμό με κατάλληλη μεταβολή των οπτικών ιδιοτήτων του παραθύρου και διαχείριση του εισερχόμενου ηλιακού φωτός. Ως τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό πλεονέκτημα θα αναφέρουμε την αισθητική έλξη που προσφέρει η δυνατότητα ενός δυναμικά μεταβαλλόμενου μανδύα σε αρχιτεκτονικές εφαρμογές. Στο Σχήμα 3 (4) φαίνεται μία ακόμη εφαρμογή, η επιφάνεια με μεταβαλλόμενη εκπεμψιμότητα. Η εισαγωγή/εξαγωγή ιόντων κάνει αυτή την επιφάνεια να ανακλά ή να απορροφά στο υπέρυθρο. Η εκπεμπόμενη ενέργεια λόγω ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την εκπεμψιμότητα της επιφάνειας [80]. Επιφάνειες μεταβαλλόμενης εκπεμψιμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για έλεγχο θερμοκρασιών σε περιπτώσεις όπου κυριαρχεί η ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία, όπως για παράδειγμα στα διαστημόπλοια. Τεχνολογία παρασκευής ηλεκτροχρωμικών συσκευών. Για να κατασκευαστούν ηλεκτροχρωμικές συσκευές είναι απαραίτητος υψηλού επιπέδου εξειδικευμένος εξοπλισμός. Το Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής, Παν/μιου Πατρών, έχει μακροχρόνια εμπειρία στον τομέα αυτό και έχει συμμετάσχει σε πολλά ευρωπαϊκά και εθνικά ερευνητικά προγράμματα που αφορούν στην ανάπτυξη των ηλεκτροχρωμικών διατάξεων. Με τον εξοπλισμό που διαθέτει έχει κατασκευάσει ηλεκτροχρωμικά παράθυρα με διαστάσεις μέχρι 40 εκατοστά x 40 εκατοστά. Ένα τέτοιο παράθυρο φαίνεται στο Σχήμα 3, στη διαυγή κατάσταση και σε διάφορες φάσεις χρωματισμού. Πρέπει ένα τονίσουμε ότι ανάλογα με το χρόνο εφαρμογής της τάσης, το παράθυρο μπορεί να πάρει «άπειρες» αποχρώσεις του μπλε, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4. 4

5 LONG LAT Διαυγής 2 min 6 min 10 min Σχήμα 4: Ηλεκτροχρωμική συσκευή διαστάσεων 40x40 cm 2 σε διάφορες φάσεις χρωματισμού. Στο σχήμα 5 φαίνεται και τι βλέπουμε μέσα από ένα τέτοιο παράθυρο. Το χαρακτηριστικό μπλε χρώμα του, δεν περιορίζει τη θέα, ενώ μειώνει αισθητά την «αντηλιά». Σχήμα 5: Η θέα μέσα από ένα ηλεκτροχρωμικό παράθυρο. 70 cm Θέση απόθεσης των φιλμ Θέση απόθεσης των φιλμ Κρυοπαγίδα υγρού αζώτου Όργανο μέτρησης του πάχους 100 cm Όργανο μέτρησης του πάχους Κρυοπαγίδα υγρού αζώτου Ηλεκτρονικό πυροβόλο (e-gun) Ηλεκτρονικό πυροβόλο (e-gun) Αντλίες κενού Σχήμα 6: Εξοπλισμός παραγωγής ηλεκτροχρωμικών συσκευών. 5

6 Τα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα παρασκευάζονται με τεχνικές κενού. Ένας χώρος στον οποίο γίνονται οι αποθέσεις των υλικών (όπως φαίνεται στο σχήμα 6, αντλείται από κατάλληλες αντλίες κενού και κρυοπαγίδες υγρού αζώτου, ώστε να αφαιρεθεί ο αέρας και η πίεση να γίνει περίπου ίση με το ένα εκατομμυριοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης. Αυτό είναι απαραίτητο για να πετύχουμε μεγάλη «καθαρότητα» στα φιλμ που παράγουμε, και να αποφύγουμε αυτά να περιέχουν εγκλωβισμένα αέρια μέσα τους. Όταν επιτευχθεί η απαραίτητη πίεση, αρχίζει η διαδικασία απόθεσης: Χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρονικό «πυροβόλο» (e-gun) με το οποίο μία δέσμη ηλεκτρονίων πέφτει πάνω στο υλικό, το θερμαίνει και αυτό «εξαχνώνεται», δηλαδή περνά από τη στερεή στην αέρια κατάσταση. Έτσι δημιουργείται ροή μορίων του υλικού (όπως φαίνεται και στο σχήμα 5) τα οποία καταλήγουν στο «υπόστρωμα», στη θέση απόθεσης. Κατά τη διάρκεια της απόθεσης, η διαδικασία ελέγχεται από ένα όργανο μέτρησης του πάχους των φιλμ και σταματά όταν επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος. Έτσι εξασφαλίζουμε την «επαναληψιμότητα» της διαδικασίας, δηλαδή να παράγουμε ίδια φιλμ με ίδιες συνθήκες, πράγμα απαραίτητο για τη μελέτη και ανάπτυξη κάθε είδους λεπτών φιλμ. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται με όλα τα υλικά της συσκευής, που αποτίθενται το ένα πάνω στο άλλο, μέχρι να ολοκληρωθεί η συσκευή των πέντε στρωμάτων του σχήματος 2. Άλλες μέθοδοι που επίσης εφαρμόζονται είναι οι «υγρές» ή χημικές μέθοδοι, οι οποίες είναι πιο φθηνές και δε χρειάζονται τόσο εξειδικευμένο εξοπλισμό. Με αυτές, τα ηλεκτροχρωμικά υμένια παράγονται από διαλύματα, που περιέχουν «πρόδρομες» ενώσεις. Οι ενώσεις αυτές δίνουν λεπτά φιλμ μετά από κατάλληλη χημική, ηλεκτρική ή θερμική κατεργασία (ηλεκτροαπόθεση, πυρόλυση κλπ). Στο σχήμα 7 φαίνεται μία διάταξη για την παραγωγή φιλμ οξειδίων του βολφραμίου με ηλεκτροαπόθεση καθώς και εικόνες της επιφάνειας των φιλμ που έχουν ληφθεί με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι δομές που μοιάζουν με «τσαμπιά σταφυλού» αποτελούνται από νανοσωματίδια του οξειδίου και βοηθούν στην αύξηση της απόδοσής του, καθώς αυξάνουν την «ενεργό επιφάνεια» και επιτρέπουν τη γρηγορότερη εισαγωγή των ιόντων λιθίου. Ηλεκτρόδια Διάλυμα Φιλμ σε γυαλί Σχήμα 7: Συσκευή ηλεκτροαπόθεσης οξειδίου του βολφραμίου και εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας της επιφάνειας των παραγόμενων φιλμ. 6

7 Οπτικά και θερμικά χαρακτηριστικά ηλεκτροχρωμικών παραθύρων Στο Σχήμα 8 φαίνεται η μεταβολή της οπτικής διαπερατότητας και η ροή θερμότητας κατά τη διάρκεια λειτουργίας ενός ηλεκτροχρωμικού παραθύρου. Όταν η διάταξη βρίσκεται στην αποχρωματισμένη κατάσταση ένα ποσοστό του ορατού φωτός διαπερνά το παράθυρο. Η τιμή της διαπερατότητας στην αρχική κατάσταση εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ηλεκτροχρωμικής διάταξης: είδος και πάχος υλικών, είδος ηλεκτρολύτη, είδος κρυστάλλου που χρησιμοποιείται κ.λ.π. Κατά το χρωματισμό της διάταξης η διαπερατότητα μειώνεται σημαντικά και ταυτόχρονα το ποσοστό του ορατού φωτός που διέρχεται από τη διάταξη μειώνεται. Το ποσοστό αυτής της ελάττωσης εξαρτάται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της ηλεκτροχρωμικής διάταξης και μπορεί να φτάσει μέχρι το 90% (μεταβολή της οπτικής διαπερατότητας από το 0,80 στο 0,10). Ένα ποσοστό της θερμικής ακτινοβολίας ανακλάται από τα υμένια και τα κρύσταλλα της διάταξης. Το ενεργό ηλεκτροχρωμικό υμένιο όταν βρίσκεται στη χρωματισμένη του κατάσταση απορροφά σημαντικό ποσοστό της υπέρυθρης ηλιακής ακτινοβολίας και με αυτόν τον τρόπο θερμαίνεται. Έτσι ο συντελεστής θερμοπερατότητας του παραθύρου αυξάνεται σημαντικά, ενώ η υπερθέρμανση του υμενίου κυρίως τις θερμές καλοκαιρινές ημέρες μπορεί να οδηγήσει στην καταστροφή του. Έτσι η χρήση ειδικών επιστρώσεων χαμηλής εκπεμψιμότητας (είτε ως διάφανα ηλεκτρόδια ή ως προστατευτικά υμένια) θεωρείται απαραίτητη για την αύξηση της διάρκειας ζωής της διάταξης αλλά και τη μείωση των θερμικών κερδών μέσω του παραθύρου (κυρίως το καλοκαίρι). Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί (σε ερευνητικό επίπεδο) ηλεκτροχρωμικά με χρήση υπερλεπτών υμένων ευγενών μετάλλων (αργύρου ή χρυσού), στα οποία είναι δυνατή η ανάκλαση της μεγαλύτερης ποσότητας την υπέρυθρης ακτινοβολίας, ακόμα και στη χρωματισμένη κατάσταση [80,81]. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για περιοχές με θερμό κλίμα, που απαιτούν αυξημένη κατανάλωση ενέργειας για κλιματισμό το καλοκαίρι. Σχήμα 8 : Διαδικασία απορρόφησης θερμότητας κατά τη διάρκεια του χρωματισμού ενός ηλεκτροχρωμικού παραθύρου 7

8 Εμπορικές ηλεκτροχρωμικές διατάξεις πιλοτικές εφαρμογές Περί τις έξι εταιρείες ανά τον κόσμο παρασκευάζουν και εμπορεύονται ηλεκτροχρωμικά παράθυρα και άλλα συναφή προϊόντα. Παρακάτω δίνουμε τις ιστοσελίδες τους: Η πρώτη πιλοτική εφαρμογή ηλεκτροχρωμικών παραθύρων στην Ευρώπη έγινε το 1999 στην τράπεζα Dresden Stadsparkasse στη Δρέσδη στην οποία η εταιρεία Pilkington εγκατέστησε πρόσοψη από ηλεκτροχρωμικά παράθυρα. Η επιφάνεια της πρόσοψης αυτής ξεπερνά τα 200 m 2 και ο έλεγχος των οπτικών χαρακτηριστικών των παραθύρων γίνεται από αυτόματο κεντρικό σύστημα βελτιστοποίησης της ενεργειακής κατανάλωσης του κτηρίου. Ηλεκτροχρωμικά παράθυρα E-Control έχουν επίσης εγκατασταθεί σε πλήθος εφαρμογών μικρής κλίμακας (κυρίως σε κτήρια γραφείων) όπως φαίνεται και στο σχήμα 9. Σχήμα 9: Εφαρμογή του ηλεκτροχρωμικού παραθύρου E-Control σε γραφεία. Περισσότερες εφαρμογές της τεχνολογίας των ηλεκτροχρωμικών παραθύρων μπορούν να βρεθούν στις ιστοσελίδες των κατασκευαστών. Παρότι υπάρχουν οι παραπάνω εμπορικές εφαρμογές, η ενσωμάτωση των "έξυπνων" ηλεκτροχρωμικών παραθύρων στα κτήρια δεν είναι διαδεδομένη, καθώς το υψηλό κόστος των εμπορικών διατάξεων που προαναφέρθηκαν (Pilkington E-Control [3-4], Asahi Glass [5], STA Technologies [6]) το οποίο ανέρχεται στα /m 2, δεν επιτρέπει τη μαζική τους εφαρμογή. Για σύγκριση, το κόστος ενός σύγχρονου θερμομονωτικού παραθύρου με δύο κρύσταλλα φτάνει τα /m 2. Είναι λοιπόν απαραίτητη η περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση των διατάξεων αυτών ώστε να γίνει δυνατή η παρασκευή των παραθύρων σε γραμμή παραγωγής (με μεθόδους roll-to-roll) ώστε επιτευχθεί σημαντική μείωση του κόστους. Στον πίνακα 1 φαίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά των σύγχρονων state of the art ηλεκτροχρωμικών καθώς και τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να συγκεντρώνει ένα βελτιστοποιημένο ηλεκτροχρωμικό παράθυρο. 8

9 Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά των ήδη υπαρχόντων ηλεκτροχρωμικών παραθύρων και των βελτιστοποιημένων διατάξεων Ήδη υπάρχουσες εμπορικές διατάξεις Τιμές στόχοι για τη βελτιστοποιημένη ηλεκτροχρωμική συσκευή Εύρος μεταβολής της διαπερατότητας στο ορατό φάσμα Χρόνος χρωματισμού/ 3,3:1 [9], 4:1 [12], 7:1 [7, 11] 8:1 ή T lum : 0,80 έως 0,10 Αποχρωματισμού [λεπτά/m 2 ] Θερμοκρασίες λειτουργίας ( C) U-value [W/m 2 K] Αναμενόμενος χρόνος ζωής [έτη] 8 [9] 5 < t < έως έως 90 Μέχρι 1.1 [9] [9], 10 [12] > 10 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. C.G. Granqvist, "Handbook of inorganic electrochromic materials", 1995 Elsevier. 2. Selkowitz S.E., Rubin M., Lee E.S. and Sullivan R., "A review of electrochromic window performance factors", Lawrence Berkeley National Laboratory, presented at the SPIE International Symposium on Optical Materials Technology for Solar Energy Conversion XIII, Freiberg, Germany, Mardaljevic, J., Nabil, A., Lighting Research and Technology 40 (2008) δικτυακός τόπος της εταιρείας Pilkington E-Control: Pilkington E-Control: Product details 5. Asahi Glass Ltd δικτυακός τόπος της εταιρείας STA Technologies δικτυακός τόπος της εταιρείας SAGE. 8. Daneo A., Macrelli G., Polato P., Poli E., Solar Energy Materials and Solar Cells 56 (1999) Pilkington Presseinformation PR/15/00, 16 February Pilkington E-Control, Product and Functional description 11. Sbar N., Badding M., Budziak R., Cortez K., Laby L., Michalski L., Ngo T., Schultz S., Urbanik K., Solar Energy Materials and Solar Cells 56 (1999) J. Nagai, G.D. Mc Meeking and Y. Saitoh, Solar Energy Mater. and Solar Cells 56 (1999)

10 13. Nagai J., Mizuhashi M. and Kamimori T., "Large area chromogenics: materials and devices for transmittance control", edited by C.M. Lampert and C.G. Granqvist, SPIE Opt. Engr. Press, Bellingham, USA, 1990, Vol. IS4, pp Cowie J.M.G. in Polymer Electrolyte Reviews -1 edited by J.R. MacCallum and C.A. Vincent (Elsevier Appl. Sci., London 1987), pp O. Bohnke, C. Rousselot, Gillet P.A., C. Truche, J. Electrochemical Society, 139, No. 7, , (1992). 16. G. Frand, C. Rousselot, O. Bohnke, SPIE 1728, 157, (1992) 17. O. Bohnke and C. Bohnke, J. Electrochem. Soc. 138, No 12, 3612 (1991). 18. S. Passerini, B. Scrosati, A. Gorenstein, A. M. Andersson and C. G. Cranqvist, J. Electrochem. Soc. 136, No 11, pp.3394 (1989). 19. Huggins R.A., Mater. Sci. Res. 9, 155 (1975). 20. Eda K., J. Solid State Chem. 98, 350 (1992). 21. Deb, S.K. Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) Farrington G. C. and Briant J.L., J. Electrochem. Soc. 137, 1337 (1990). 23. Roth W.L. and Farrington G.C., Science 196, 1332 (1977). 24. Huggins R.A., Electrochim. Acta 22, 773 (1977). 25. Anderson A.M., Granqvist C.G. and Stevens J.R., Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Engr. 1016, 41 (1988). 26. Anderson A.M., Granqvist C.G. and Stevens J.R., Appl. Opt. 28, 3295 (1989). 27. Tada H., Bito Y., Fujino K. and Kawahara H., Solar Energy Mater. 16, 509 (1987). 28. Tada H., Bito Y., Fujino K. and Kawahara H., J. Polymer Sci. A, Polymer Chem. 25, 3015 (1987). 29. Bierwagen G.P., Electrochim. Acta 37, 1471 (1992). 30. O. Bohnke, C. Rousselot, Gillet P.A., C. Truche, J. Electrochemical Society, 139, No. 7, , (1992). 31. G. Frand, C. Rousselot, O. Bohnke, SPIE 1728, 157, (1992) 32. Gallego J., Hutchins M. G., Own J. and Andersson S., Proceedings of 4th European Conference on Architecture, Berlin March 1996, pp J. Scarminio, A. Talledo, A.A. Andersson, S. Passerini and F. Decker, Electrochimica Acta 38, No 12, 1637 (1993). 34. Leftheriotis G., Yianoulis P., Sol. En. Mater. Sol. Cells 58, 185 (1999). 35. Leftheriotis G., Yianoulis P. and Patrikios D. Thin Solid Films Vol. 306, pp 92-99, Leftheriotis G., Papaefthimiou S. and Yianoulis P., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 61 (2000) Braig A. and T. Meisel, Dornier Post (1992)(2), The PASSYS Service, Summary Report, Vandaele L. and Woulters P. (Eds.), (1994), European Commission, DGXII, Brussels. 39. Kosny J.,Jeffrey E. C., Desjarlais A. O., Kossecka E.and Berrenberg L. (1998) Performance Check Between Whole Building Thermal Performance Criteria and Exterior Wall Measured Clear Wall R-Value, Thermal Bridging, Thermal Mass, and Airtightness. ASHRAE Trans 104, Fazio P., Athienitis K. A., Marsh C. and Rao J. (1997) Environmental chamber for investigation of building envelope performance. Journal of Architectural Engineering 3, Leftheriotis G. and Yianoulis P. (2000) Thermal properties of building materials evaluated by a dynamic simulation of a test cell. Solar Energy 69, ISO 8990 (1994), Thermal insulation- Determination of steady-state thermal transmission properties-calibrated and guardet hot box. First Edition δικτυακός τόπος της εταιρείας GENTEX. 44. "Stadtsparkasse Dresden: The first controllable facade" Pilkington reference PR/83/ Czanderna A.W., Lampert C.M., "Evaluation criteria and test methods for electrochromic windows", SERI/TP July 1990, Solar energy Research Institute. 46. Czanderna A.W., Benson D.K., Jorgensen G.J., Zhang J.G., Tracy C.E. and Deb S.K., Solar Energy Materials and Solar Cells 56, 419 (1999). 47. Wittkopf H., "Electrochromics for variable solar controll windows", IME-2, San Diego, Kamimori T., Nagai J., Mizuhashi M., SPIE 653, 2 (1986). 49. ISO Environmental Management-Life Cycle Assessement Part 1: Principles and Frameworks. ISO. (1997). 50. Chevalier J.L. and Le Teno J.F., «Requirements for an LCA-based Model for the Evaluation of the Environmental Quality of Building Products», Building and Environment 31(5), 487 (1996). 51. Josson A., «Tools and methods for environmental assessment of building products-methodological analysis of six selected approaches», Building and Environment 35, 223 (2000). 52. Peuportier B.L.P «LCA applied to the comparative evaluation of single family houses in the French context», Energy and Buildings 33, 443 (2001). 53. Weir G. and Muneer T., «Energy and environmental impact analysis of double-glazed windows», Energy Covers. Mgmt 39(3/4), 243 (1998). 54. Citherlet S., Gulielmo F. and Gay J.B. «Window and advanced glazing systems LCA», Energy and Buildings 32(3), 225 (2000). 55. Syrrakou H. and Yianoulis P. «Life Cycle Analysis in Photovoltaic Systems». In Proceedings of 5th Int. Conf. On Environmental Pollution, Thessaloniki, 918 (2000). 56. Lampert C. M. "Chromogenic smart materials" Materias Today 7(3), 28 (2004). 57. Deb S. Dye-sensitized TiO2 thin-film solar cell research at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) Solar Energy Materials & Solar Cells 88 (2005) Deb S. Opportunities and challenges in science and technology of WO3 for electrochromic and related applications Solar Energy Materials & Solar Cells 92 (2008) Georg A, Georg A, Graf W, Wittwer V. Switchable windows with tungsten oxide Vacuum 82 (2008) Gregg B. Photoelectrochromic cells and their Applications Endeavour Vol. 21(2) (1997)

11 61. Hauch A., Georg A., Baumgartner A, Krašovec U. O., Orel B.New photoelectrochromic device Electrochimica Acta 46 (2001) Hauch A., Georg A., Krašovec U. O., Orel B. Comparison of Photoelectrochromic Devices with Different Layer Configurations Journal of The Electrochemical Society, 149 (9), (2002) H159-H Norma R. de Tacconi N.R., Chenthamarakshan C.R., Wouters K.L.,MacDonnell F.M., Rajeshwar K. Composite WO3 TiO2 films prepared by pulsed electrodeposition: morphological aspects and electrochromic behavior Journal of Electroanalytical Chemistry 566 (2004) Ohno T., Tanigawa F., Fujihara K., Izumi S., Matsumura M. Photocatalytic oxidation of water on TiO2-coated WO3 particles by visible light using Iron(III) ions as electron acceptor Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 118 (1998) Li X.Z., Li F.B., Yang C.L., Geb W.K. Photocatalytic activity of WOx-TiO2 under visible light irradiation Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 141 (2001) Hsu C.Y, Lee K.M, Huang J.H., Thomas K.R, Lin J.T., Ho K.C. A novel photoelectrochromic device with dual application based on poly(3,4-alkylenedioxythiophene) thin film and an organic dye Journal of Power Sources 185 (2008) Grätzel M. Photoelectrochemical cells Nature 414 (2001) Bechinger C., Ferrere S., Zaban A., Spraque J., Gregg B. Photoelectochromic windows and displays Nature 383 (1996) Krašovec U. O., Topic M., Georg A.,Georg A., Drazic G. Preparation and Characterisation of Nano-Structured WO3-TiO2 Layers for Photoelectrochromic Devices Journal of Sol-Gel Science and Technology 36 (2005) Georg A., Krašovec U. O. New Photoelectrochromic Window Proceedings of the 5th ICCG, Saarbruecken, Krašovec U. O., Georg A., Georg A., Wittwer V., Luther J., Topic M. Performance of a solid-state photoelectrochromic device Solar Energy Materials & Solar Cells 84 (2004) Teowee G., Gudgel T., McCarthy K., Agrawal A., Allemand P., Cronin J. User controllable photochromic (UCPC) devices Electrochimica Acta 44 (1999) Georg A., Krašovec U. O. Photoelectrochromic window with Pt catalyst Thin Solid Films 502 (2006) C. G. Granqvist, Oxide electrochromics: An introduction to devices and materials, Solar Energy Materials and Solar Cells, 99 (2012) C.G. Granqvist, "Electrochromics for smart windows: Oxide-based thinfilms and devices", Thin Solid Films (2014), 76. L.L. Fernandes, E.S. Lee, G. Ward "Lighting energy savings potential of split-pane electrochromic windows controlled for daylighting with visual comfort", Energy and Buildings 61 (2013) A. Aldawoud "Conventional fixed shading devices in comparison to an electrochromic glazing system in hot, dry climate", Energy and Buildings 59 (2013) N. DeForest, A. Shehabi, G. Garcia, J. Greenblatt, E. Masanet, E. S. Lee, S. Selkowitz, D. J. Milliron "Regional performance targets for transparent near-infrared switching electrochromic window glazings" Building and Environment 61 (2013) S. H.N. Lim, J. Isidorsson, L. Sun, B. L. Kwak, A. Anders "Modeling of optical and energy performance of tungsten-oxide-based electrochromic windows including their intermediate states" Solar Energy Materials & Solar Cells 108 (2013) G. Leftheriotis, E. Koubli, and P. Yianoulis, Combined electrochromic-transparent conducting coatings consisting of noble metal, dielectric and WO3 multilayers, Solar Energy Materials and Solar Cells, 116 (2013) E. Koubli, S. Tsakanikas, G. Leftheriotis, G. Syrrokostas, P. Yianoulis, Optical properties and stability of near-optimum WO3/Ag/WO3 multilayers for electrochromic applications, Solid State Ionics 272 (2015)