Struttura e funzione della pellicola per il controllo automatico della luce
L'Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate (AIST; Presidente:Ryoji Chubachi) e Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical; Presidente:Masakazu Tokura) hanno sviluppato un nuovo sistema di risparmio energetico, pellicola per il controllo automatico della luce. Questo è il risultato di un gruppo di ricerca composto da Kazuki Yoshimura (Leader), Gruppo Film Sottile Controllo Energetico, l'Istituto di Ricerca sui Materiali per lo Sviluppo Sostenibile (Direttore:Mamoru Nakamura) dell'AIST, e Laboratorio di ricerca sui prodotti chimici di base (Direttore:Yoshiaki Takeuchi) di Sumitomo Chemical.
Questa pellicola per il controllo della luce si basa sul fatto che c'è un cambiamento nell'angolo di incidenza della luce solare tra l'estate e l'inverno. La pellicola blocca la luce solare in estate utilizzando la riflessione totale ma la trasmette in inverno. A differenza di altre pellicole per il controllo della luce, il film può controllare la trasmissione della luce solare diretta, consentendo sempre alle persone all'interno di vedere la vista fuori dalla finestra. Senza modifiche intrinseche, il film controlla automaticamente la trasmissione della luce a seconda della stagione. La trasmissione della luce può essere controllata semplicemente attaccando la pellicola a una finestra esistente. Perciò, se il film può essere prodotto in modo efficiente, risparmierà energia riducendo sostanzialmente i carichi di raffreddamento e riscaldamento.
Questo film per il controllo della luce sarà esposto nello stand di Sumitomo Chemical all'Automotive Engineering Exposition 2013, che si terrà dal 22 al 24 maggio, 2013, al Pacifico Yokohama, Yokohama, Prefettura di Kanagawa.
Contesto sociale della ricerca
L'AIST ha sviluppato il risparmio di risorse, materiali da costruzione che migliorano l'ambiente che aiutano a ridurre le emissioni di CO2 dall'uso di energia a casa e al lavoro. Il raffrescamento e il riscaldamento rappresentano circa il 30% del consumo energetico a casa e al lavoro, e le finestre stanno costruendo componenti che incidono sostanzialmente sull'uso di energia per questi scopi. Lo scopo di una finestra è far entrare la luce. Il normale vetro della finestra trasmette calore, così come la luce visibile, e deteriora l'isolamento termico degli edifici. Perciò, il solo miglioramento dell'isolamento termico delle finestre consente di risparmiare sostanzialmente energia. Negli ultimi anni, il vetro a doppia lastra e il vetro basso emissivo (vetro ecologico) con elevate proprietà isolanti sono diventati ampiamente utilizzati. Il vetro per il controllo della luce stesso controlla la luce e il calore in entrata e in uscita per migliorare l'efficienza energetica bloccando efficacemente la luce solare, oltre all'isolamento termico.
Il bicchiere è tenuto a soddisfare due esigenze contrastanti:in estate, deve bloccare quanta più luce solare possibile per ridurre il carico di raffreddamento pur lasciando entrare un po' di luce dalla vista fuori dalla finestra. Per soddisfare questi requisiti, è stato commercializzato il vetro per il controllo della luce a risparmio energetico; tali tipi di vetro includono il vetro a bassa emissività che trasmette la luce visibile e riflette la luce nel vicino infrarosso, e vetro elettrocromico che può passare dallo stato bloccante a quello trasparente.
C'è un cambiamento stagionale nell'angolo di incidenza della luce solare su una finestra. La luce solare arriva con un angolo di incidenza maggiore in estate. Se una finestra può bloccare solo la luce con un ampio angolo di incidenza, sarebbe possibile bloccare la luce solare diretta e far entrare la luce dalla vista fuori dalla finestra. Però, occhiali e pellicole con questo tipo di funzione di controllo della luce non erano ancora stati sviluppati.
Storia della ricerca
L'AIST credeva che il vetro potesse essere sviluppato per controllare la trasmissione della luce in base all'angolo di incidenza della luce solare utilizzando la riflessione totale all'interfaccia tra due supporti trasparenti. Ha sviluppato un programma di ray-tracing specifico per analizzare la riflessione e la trasmissione della luce solare per ottimizzare la struttura di una pellicola per il controllo della luce. Ha trovato la struttura del film che può bloccare quanta più luce solare diretta possibile in estate lasciando entrare quanta più luce possibile dalla vista esterna.
Il metodo di fabbricazione di una pellicola per il controllo della luce con questa struttura è stata la chiave per la commercializzazione della pellicola. Sumitomo Chimica, che ha forti capacità nella tecnologia per la fabbricazione di pellicole trasparenti, sviluppato il processo di fabbricazione, ei ricercatori hanno sviluppato un prototipo di pellicola per il controllo della luce a riflessione totale.
Dettagli della ricerca
Figura 1:struttura di base della pellicola per il controllo della luce a riflessione totale
La figura 1 mostra la struttura di base della pellicola per il controllo della luce a riflessione totale sviluppata. Il film utilizza un supporto trasparente con le superfici anteriore e posteriore non parallele tra loro. Per esempio, quando un materiale acrilico (indice di rifrazione n =1,49) viene utilizzato come mezzo trasparente, con la superficie posteriore inclinata di 7°, e la luce proviene dall'aria sulla superficie del mezzo con un angolo di incidenza maggiore di 60°, la luce rifratta nel mezzo è incidente sulla superficie posteriore con un angolo maggiore dell'angolo critico e si verifica la riflessione totale. Però, se come vetro di una finestra viene utilizzata una pellicola trasparente con superfici non parallele, la luce dalla vista fuori dalla finestra viene rifratta e la vista sembra sospesa nell'aria. Per evitare ciò, un altro film con la stessa sezione trasversale viene sovrapposto al primo film. Di conseguenza, le rifrazioni della luce che attraversano le pellicole si annullano e la vista è la stessa di un'unica lastra di vetro trasparente. Mediante la stratificazione dei due film si forma automaticamente uno strato d'aria molto sottile.
Figura 2:Caratteristiche di trasmissione della luce della pellicola di controllo della luce a riflessione totale (singolo passaggio)
Figura 3:Modifica dell'angolo del profilo su una finestra esposta a sud (a Nagoya, a 35,1°N) Al mattino e alla sera in estate, il sole è sul lato nord della stanza e non colpisce il lato sud.
Figura 4:Struttura di una pellicola per il controllo della luce a riflessione totale a più fasi e caratteristiche di trasmissione della luce del vetro per il controllo della luce a riflessione totale con quattro fasi
Però, una pellicola con la struttura in Fig. 2 non può essere utilizzata sul vetro della finestra senza modifiche. Se il film fosse di 1 metro quadrato, il suo spessore sarebbe di circa 10 cm. Però, se la sezione è simile a quella di Fig. 1, la dipendenza dall'angolo di incidenza della trasmissione della luce rimane invariata. Perciò, come mostrato in Fig. 4, un film di controllo della luce a più fasi con caratteristiche di riflessione totale simili può essere realizzato accorciando la lunghezza verticale del gradino e fornendo più gradini. Se la lunghezza L di un gradino è 10 cm, la larghezza W può essere di 1 cm. Se L è 1 cm, W può essere 1 mm. Una pellicola per il controllo della luce con tali dimensioni può essere fissata al vetro della finestra per ottenere caratteristiche di riflessione totale simili a una pellicola a passaggio singolo. Se l'angolo del fondo di un gradino rispetto alla verticale è inferiore a 42°, la luce in direzione orizzontale passa e la vista è la stessa del vetro trasparente.
Un'indagine sulle caratteristiche di trasmissione della luce di una pellicola per il controllo della luce a riflessione totale a più fasi mostra che la luce incidente esce con lo stesso angolo quando l'angolo incidente è inferiore a 60°, come con il film a passaggio singolo. Quando l'angolo di incidenza è 60° o maggiore, avviene la riflessione totale. Però, a differenza del film a passaggio singolo, la luce non è completamente bloccata; Invece, circa il 75% è bloccato. La Figura 5 mostra un modello acrilico trasparente del film di controllo della luce con una tale struttura. Quando l'angolo di incidenza della luce solare è di 60° o superiore, si creano ombre.
Tutte queste caratteristiche di trasmissione della luce solare sono quelle della luce solare diretta. Nelle applicazioni reali, bisogna considerare sia la luce solare diretta che quella indiretta. Il gruppo di ricerca ha eseguito un test sul campo per determinare le prestazioni di blocco della luce della pellicola a riflessione totale in un ambiente reale.
Figura 5:Modello acrilico di una pellicola per il controllo della luce a riflessione totale Sebbene il modello sia trasparente, le ombre vengono create perché una notevole quantità di luce viene bloccata quando l'angolo di incidenza della luce solare è di 60° o superiore.
Figura 6:trasmissione della luce solare attraverso pellicole a riflessione totale attaccate al vetro della finestra, misurato in una situazione di vita reale
La Figura 6 mostra la dipendenza dal tempo della quantità di luce solare trasmessa attraverso pellicole acriliche per il controllo della luce a riflessione totale a una e quattro fasi (12 × 12 cm) fissate a una finestra esposta a sud. Le misurazioni sono state effettuate a settembre e quindi mostrano la performance dei film in estate. La pellicola di controllo della luce a riflessione totale in un unico passaggio ha bloccato quasi tutta la luce solare diretta e ha trasmesso solo la luce solare indiretta. La trasmittanza solare è stata determinata integrando l'intensità della luce solare diretta e indiretta trasmessa e dividendo la quantità totale di luce solare trasmessa in un giorno per la quantità totale di luce solare diretta verticale incidente su una superficie esposta a sud. La trasmittanza della luce solare è del 23% per la pellicola di controllo della luce a riflessione totale a passaggio singolo e del 38% per la pellicola di controllo della luce a riflessione totale a quattro passaggi. La trasmittanza della luce solare della pellicola per il controllo della luce a riflessione totale in quattro fasi è dell'80% in inverno, indicando che il film in quattro fasi può bloccare automaticamente il passaggio di circa il 40% dell'energia solare.
Le misurazioni delle caratteristiche di controllo della luce sono state effettuate su un prototipo di pellicola per il controllo della luce a riflessione totale. Il film ha mostrato la capacità di controllare automaticamente la trasmissione della luce prima e dopo l'equinozio di primavera. Sebbene questa capacità non abbia ancora raggiunto il livello teoricamente previsto, è stato dimostrato per la prima volta che è possibile realizzare un film di controllo della luce con una tale struttura.
Progetti futuri
Per commercializzare la pellicola per il controllo della luce a riflessione totale, la struttura mostrata in Fig. 4 deve essere fabbricata con precisione a un passo abbastanza breve (cioè lunghezza del passo) ed in modo efficiente. Il gruppo di ricerca sta sviluppando un efficiente processo di produzione del film basato sulla formazione continua di resina termoplastica fusa utilizzando uno stampo di precisione.
Con l'obiettivo della commercializzazione entro pochi anni, il processo di fabbricazione sarà migliorato da Sumitomo Chemical per migliorare le sue prestazioni di blocco della luce e sarà sviluppato un metodo migliore per applicare la pellicola al vetro della finestra.
