Электрохромные окна – "солнечные очки" для зданий

Одними из крупнейших потребителей вырабатываемой многими индустриально развитыми и развивающимися странами энергии являются здания – без обогрева в холодное время года и включения кондиционеров/вентиляторов летом условия работы и проживания не отличались бы особым комфортом. Снизить затраты позволяет, например, использование возобновляемых и альтернативных источников энергии, но изначальные затраты на такие активные системы немалы, а их сложность (а следовательно подверженность возникновению неполадок) иногда также является ограничивающим фактором. Выход, по крайней мере частичный, может быть найден в модификации элементов самих сооружений. Американская Национальная лаборатория по возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) предлагает высокотехнологичный эквивалент "солнечных очков" для зданий – электрохромные окна, меняющие свои оптические свойства для регулирования внутренней температуры помещений и освещения.

Обычные окна с прозрачными стёклами слабо препятствуют проникновению нагревающих помещение до неприемлемого уровня солнечных лучей. Кроме решения этой проблемы, по словам исследователя NREL Дейна Джиллеспи (Dane Gillaspie), динамические окна могут сэкономить некоторое количество электричества, которое уходит на обеспечение работы осветительных приборов. В частности, в США повсеместная установка новой разработки потенциально сэкономит восьмую часть всей расходуемой зданиями энергии в течение года. Непосредственно технология изменяющих цвет (и соответственно уровень прозрачности) окон появилась более двух десятилетий назад, но до сих пор коммерческий успех достигнут не был. Квадратный метр стекла стоит до $1000, и приемлемыми такие цифры не назвать.

С 1980-х годов NREL протестировала множество вариантов технологии динамических окон и установила ряд стандартов в данной области. Обычно испытания проводятся в камерах, где количество циклов светло/темно составляет 20 тыс., что эквивалентно 20 годам эксплуатации. Условия также калибруются в части интенсивности света и температуры. Сами учёные называют установку "камерой пыток". Многие прототипы не выдерживали нагрузок и их способность менять цвет быстро деградировала. Среди прочих была проверена и разработка Sage Electrochromics. Компания обещает, что в течение следующих пяти лет вместе с усовершенствованием технологии и налаживанием производства стоимость снизится на 70%.

Изолирующие свет окна изготавливаются из нескольких слоёв стекла, а пространство между ними заполняется газом. В электрохромных окнах очень тонкий ряд динамических материалов расположен на внешней панели. Это три слоя: активный электрод и противоэлектрод (никель и оксиды вольфрама), разделённые ионным проводником (литий). Цвет меняется, когда прикладывается небольшое электрическое поле и ионы лития перемещаются в рабочие слои электродов. Процесс может быть инициирован сенсорами или ручным переключателем. Способность такого окна блокировать свет доходит до 98% прямых лучей. Изменение полярности напряжения вызывает миграцию ионов обратно в "свой" слой, и стекло вновь становится прозрачным. По словам Джиллеспи, оксиды металлов применяются из-за отсутствия эффекта деградации под воздействием света. Гарантия на разработку даётся 10-летняя, что для зданий более чем немного, но NREL намерена довести параметр до 20 лет и выше. Хотя электрохромные окна сами потребляют энергию, сэкономить они могут существенно больше. Стекло площадью 140 м² нуждается менее чем в 75 Вт. Благодаря регулированию микроклимата через окна внутренние системы нагрева, охлаждения и освещения могут быть менее мощными. Как показало компьютерное моделирование, энергопотребление на охлаждение снижается на 49%, пиковый расход мощности падает на 16%. Подробные условия не приводятся, поэтому в зависимости от конкретного здания цифры могут различаться, и существенно.

Динамические слои электрохромных окон напоминают солнечную ячейку. Они изготавливаются при помощи процесса вакуумного напыления, используемого при производстве фотоэлектрических преобразователей и полупроводников. Для сверхтонких покрытий это эффективный вариант, но он медленен и энергозатратен. Исследователи NREL рассчитывают осуществить переход на недорогие технологии печати и металлическую печатную краску. Сейчас рассматривается возможность получения электрохромных плёнок на гибких пластиковых подложках вместо стекла, а значит и производство "рулонным" методом, как в случае газет. Такие покрытия будут пригодны для установки на уже существующие окна. Стоимость при этом, очевидно, также снизится. Подключаемая обычно к электросети здания система может быть абсолютно автономной и получать питание от встроенных в то же окно небольших солнечных панелей.