El vidrio inteligente, también conocido como vidrio conmutable , vidrio dinámico y vidrio tintado inteligente , es un tipo de vidrio que puede cambiar sus propiedades reflectantes para evitar que la luz solar y el calor entren en un edificio y también para brindar privacidad. El vidrio inteligente para la construcción tiene como objetivo proporcionar edificios más eficientes energéticamente al reducir la cantidad de calor solar que pasa a través de las ventanas de vidrio. [1]
Hay dos clasificaciones principales de vidrio inteligente: activo o pasivo. Las tecnologías de vidrio activo más comunes utilizadas en la actualidad son los dispositivos electrocrómicos , de cristal líquido y de partículas suspendidas (SPD). La termocrómica y la fotocrómica se clasifican como tecnologías pasivas. [2]
Cuando se instala en la envolvente de los edificios, el vidrio inteligente ayuda a crear estructuras de edificios que se adaptan al clima , [3] cuyos beneficios incluyen cosas como el ajuste de la luz natural, el confort visual, el bloqueo de rayos UV e infrarrojos , la reducción del uso de energía, el confort térmico y la resistencia a las condiciones climáticas extremas. condiciones y privacidad. [4] Algunas ventanas inteligentes pueden autoadaptarse para calentar o enfriar para conservar energía en los edificios . [5] [6] [7] Las ventanas inteligentes pueden eliminar la necesidad de persianas, cortinas o tratamientos para ventanas. [8]
Algunos efectos se pueden obtener laminando una película inteligente o una película conmutable sobre superficies planas usando laminados de vidrio, acrílico o policarbonato. [9] Algunos tipos de películas inteligentes se pueden aplicar a ventanas de vidrio existentes utilizando una película inteligente autoadhesiva o un pegamento especial. [10] También se están desarrollando métodos de pulverización para aplicar revestimientos transparentes que bloqueen el calor y conduzcan la electricidad. [11]
El término "ventana inteligente" surgió en los años 80. Fue presentado por el físico de materiales sueco Claes-Göran Granqvist de la Universidad Tecnológica de Chalmers , quien estaba intercambiando ideas para hacer que los materiales de construcción sean más eficientes energéticamente con científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California . Granqvist usó el término para describir una ventana responsiva capaz de cambiar dinámicamente su tono. [4]
La siguiente tabla muestra una descripción general de las diferentes tecnologías de vidrio inteligente conmutables eléctricamente:
Los dispositivos electrocrómicos cambian las propiedades de transmisión de la luz en respuesta al voltaje y, por lo tanto, permiten controlar la cantidad de luz y calor que los atraviesa. [12] En las ventanas electrocrómicas, el material cambia su opacidad . Se requiere una ráfaga de electricidad para cambiar su opacidad, pero el material mantiene su tono con poca o ninguna señal eléctrica adicional. [13]
Las antiguas tecnologías electrocrómicas tienden a tener un tono amarillo en sus estados claros y tonos azules en sus estados teñidos. El oscurecimiento se produce desde los bordes, moviéndose hacia adentro, y es un proceso lento, que oscila entre varios segundos y 20 a 30 minutos, según el tamaño de la ventana. Las tecnologías electrocrómicas más nuevas eliminan el tono amarillo en el estado transparente y tiñen a tonos de gris más neutros, tiñendo uniformemente en lugar de hacerlo de afuera hacia adentro, y aceleran la velocidad de tinte a menos de tres minutos, independientemente del tamaño del vidrio. El vidrio electrocrómico mantiene la visibilidad en su estado oscurecido y así preserva el contacto visual con el entorno exterior.
Los avances recientes en materiales electrocrómicos relacionados con los electrocrómicos de hidruros de metales de transición han llevado al desarrollo de hidruros reflectantes, que se vuelven reflectantes en lugar de absorbentes y, por lo tanto, cambian de estado entre transparente y similar a un espejo.
Los avances recientes en películas nanocristalinas porosas modificadas han permitido la creación de pantallas electrocrómicas. La estructura de visualización de sustrato único consta de varias capas porosas apiladas impresas una encima de otra sobre un sustrato modificado con un conductor transparente (como ITO o PEDOT:PSS ). Cada capa impresa tiene un conjunto específico de funciones. Un electrodo de trabajo consta de un semiconductor poroso positivo, como el dióxido de titanio, con cromógenos adsorbidos . Estos cromógenos cambian de color mediante reducción u oxidación. Se utiliza un pasivador como negativo de la imagen para mejorar el rendimiento eléctrico. La capa aislante sirve para aumentar la relación de contraste y separar eléctricamente el electrodo de trabajo del contraelectrodo . El contraelectrodo proporciona una alta capacitancia para contrarrestar las cargas insertadas/extraídas en el electrodo SEG (y mantener la neutralidad de carga en todo el dispositivo). El carbono es un ejemplo de película de depósito de carga. Normalmente se utiliza una capa de carbono conductora como contacto posterior conductor para el contraelectrodo. En el último paso de impresión, la estructura monolítica porosa se sobreimprime con un electrolito líquido o de gel de polímero, se seca y luego se puede incorporar en diversas encapsulaciones o recintos, según los requisitos de la aplicación. Las pantallas son muy delgadas, a menudo de 30 micrómetros. El dispositivo se puede encender aplicando un potencial eléctrico al sustrato conductor transparente con respecto a la capa de carbono conductor. Esto provoca una reducción de las moléculas de viológeno (coloración) dentro del electrodo de trabajo. Al invertir el potencial aplicado o proporcionar una ruta de descarga, el dispositivo se blanquea. Una característica única del monolito electrocrómico es el voltaje relativamente bajo (alrededor de 1 voltio) necesario para colorear o blanquear los viológenos . Esto puede explicarse por los pequeños sobrepotenciales necesarios para impulsar la reducción electroquímica de los viológenos/cromógenos adsorbidos en la superficie.
La mayoría de los tipos de películas inteligentes requieren voltaje (por ejemplo, 110 VCA) para funcionar y, por lo tanto, dichos tipos de películas inteligentes deben encerrarse dentro de laminados de vidrio, acrílico o policarbonato para brindar seguridad eléctrica a los usuarios. [ cita necesaria ]
En los dispositivos de cristal líquido dispersos en polímeros (PDLC), los cristales líquidos se disuelven o dispersan en un polímero líquido seguido de la solidificación o curado del polímero. Durante el cambio del polímero de líquido a sólido, los cristales líquidos se vuelven incompatibles con el polímero sólido y forman gotitas por todo el polímero sólido. Las condiciones de curado afectan el tamaño de las gotas que a su vez afectan las propiedades operativas finales de la "ventana inteligente". Normalmente, la mezcla líquida de polímero y cristales líquidos se coloca entre dos capas de vidrio o plástico que incluyen una capa delgada de un material conductor transparente seguido del curado del polímero, formando así la estructura sándwich básica de la ventana inteligente. Esta estructura es, en efecto, un condensador.
A los electrodos transparentes se colocan electrodos de una fuente de alimentación. Sin voltaje aplicado, los cristales líquidos se disponen aleatoriamente en las gotas, lo que provoca la dispersión de la luz a medida que pasa a través del conjunto de ventana inteligente. Esto da como resultado una apariencia translúcida de "blanco lechoso". Cuando se aplica voltaje a los electrodos, el campo eléctrico formado entre los dos electrodos transparentes en el vidrio hace que los cristales líquidos se alineen, permitiendo que la luz pase a través de las gotas con muy poca dispersión y dando como resultado un estado transparente. El grado de transparencia puede controlarse mediante el voltaje aplicado. Esto es posible porque a voltajes más bajos, solo unos pocos cristales líquidos se alinean completamente en el campo eléctrico, por lo que solo una pequeña porción de la luz pasa mientras que la mayor parte de la luz se dispersa. A medida que aumenta el voltaje, quedan menos cristales líquidos desalineados, lo que da como resultado que se disperse menos luz. También es posible controlar la cantidad de luz y calor que pasa cuando se utilizan tintes y capas interiores especiales.
En los dispositivos de partículas suspendidas (SPD), una película delgada laminada de partículas nanométricas en forma de varilla se suspende en un líquido y se coloca entre dos piezas de vidrio o plástico, o se une a una capa. Cuando no se aplica voltaje, las partículas suspendidas se organizan aleatoriamente, bloqueando y absorbiendo la luz. Cuando se aplica voltaje, las partículas suspendidas se alinean y dejan pasar la luz. Variar el voltaje de la película varía la orientación de las partículas suspendidas, regulando así el tinte del acristalamiento y la cantidad de luz transmitida. Los SPD se pueden "sintonizar" manual o automáticamente para controlar con precisión la cantidad de luz, deslumbramiento y calor que los atraviesa.
Las micropersianas controlan la cantidad de luz que pasa en respuesta al voltaje aplicado. Las micropersianas están compuestas por finas persianas metálicas enrolladas sobre cristal. Son muy pequeños y, por tanto, prácticamente invisibles a la vista. La capa de metal se deposita mediante pulverización catódica con magnetrón y se modela mediante un proceso de láser o litografía. El sustrato de vidrio incluye una capa delgada de una capa de óxido conductor transparente (TCO). Se deposita un fino aislante entre la capa de metal laminado y la capa de TCO para la desconexión eléctrica. Sin tensión aplicada, las micropersianas se enrollan y dejan pasar la luz. Cuando hay una diferencia de potencial entre la capa de metal enrollado y la capa conductora transparente, el campo eléctrico formado entre los dos electrodos hace que las micropersianas enrolladas se estiren y bloqueen así la luz. Las micropersianas tienen varias ventajas, incluida la velocidad de conmutación (milisegundos), la durabilidad de los rayos UV y la apariencia y transmisión personalizadas. La tecnología de las micropersianas fue desarrollada en el Consejo Nacional de Investigación (Canadá) .
El polímero de cambio de fase (PCP) muestra una transición de fase reversible entre estados amorfos y semicristalinos. [14] Este cambio de fase está dominado por el cambio de temperatura en la aplicación de vidrio inteligente termocrómico, lo que lo hace completamente automático sin costo de electricidad. La estructura del PCP a menudo consta de dos componentes principales: un polímero componente que cambia de fase (llamémoslo P1) reticulado con otro polímero (P2) que está fuertemente separado en fases del primero debido a su diferente hidrofilicidad . Por lo tanto, P1 y P2 son capaces de formar una separación de fases a nivel de micras después del curado. Cuando la temperatura es inferior a la temperatura de transición de fase (Tp) de P1, P1 es semicristalino y su índice de refracción coincide con el de P2, lo que hace que toda la estructura sea transparente a la luz visible. [15] Cuando la temperatura supera Tp, P1 se funde y pasa a una fase amorfa que exhibe un gran desajuste en el índice de refracción con P2, lo que resulta en una apariencia opaca. [15] Al seleccionar inteligentemente el material para P1, se puede observar un efecto inverso del cambio de transmitancia. Por ejemplo, si por debajo de Tp el índice de refracción del semicristalino P1 no coincide con el de P2, la película es opaca; Si el P1 amorfo coincide con P2 con respecto al índice de refracción por encima de Tp, entonces la película es transparente a temperatura elevada. Una aplicación distintiva sería recubrir con PCP la ventana de vidrio de un almacén donde el PCP se vuelve opaco durante los días calurosos para bloquear la radiación excesiva y enfriar la habitación, ahorrando así energía necesaria para hacer funcionar el aire acondicionado. [dieciséis]
La expresión vidrio inteligente puede interpretarse en un sentido más amplio, incluyendo también acristalamientos que cambian las propiedades de transmisión de luz en respuesta a una señal ambiental como la luz o la temperatura.
Este tipo de acristalamientos no se pueden controlar manualmente. Por el contrario, se puede hacer que todas las ventanas inteligentes conmutadas eléctricamente adapten automáticamente sus propiedades de transmisión de luz en respuesta a la temperatura o el brillo mediante la integración con un termómetro o fotosensor , respectivamente.
El vidrio inteligente se puede utilizar para calentar y enfriar edificios con ahorro de energía controlando la cantidad de luz solar que pasa a través de una ventana. Una película de control de temperatura transparente o neblina hace que la película inteligente entre en un estado de neblina cuando hace sol y la temperatura interior es alta. Cuando hace sol y la temperatura interior es baja, el cristal inteligente entra en un estado transparente.
En la oficina:
Decoración interior de residencia:
Exhibición de productos y publicidad comercial:
El vidrio inteligente se puede utilizar como pantalla de proyección conmutable en el escaparate de una tienda para publicidad. La película inteligente de tercera generación [ se necesita aclaración ] es buena para la proyección frontal y trasera, y las imágenes proyectadas se pueden ver desde ambos lados. [ cita necesaria ]
Los usos para otras ocasiones especiales incluyen:
La Torre Eureka en Melbourne tiene un cubo de vidrio que se proyecta 3 m (10 pies) desde el edificio con los visitantes en el interior, suspendidos a casi 300 m (984 pies) sobre el suelo. Cuando uno entra, el vidrio se vuelve opaco a medida que el cubo sale por el borde del edificio. Una vez extendido completamente sobre el borde, el vidrio se vuelve transparente.
El Boeing 787 Dreamliner cuenta con ventanas electrocrómicas que reemplazaron las persianas abatibles de los aviones existentes. [19]
La NASA está estudiando el uso de la electrocrómica para gestionar el entorno térmico experimentado por los vehículos espaciales Orion y Altair recientemente desarrollados .
El vidrio inteligente se ha utilizado en algunos automóviles de pequeña producción, incluido el Ferrari 575 M Superamerica . [20]
Los trenes de alta velocidad ICE 3 utilizan paneles de vidrio electrocrómico entre el habitáculo y la cabina del conductor.
Los ascensores del Monumento a Washington utilizan cristales inteligentes para que los pasajeros puedan ver las piedras conmemorativas del interior del monumento.
El baño de la ciudad en la plaza Museumplein de Ámsterdam cuenta con vidrio inteligente para determinar fácilmente el estado de ocupación de un cubículo vacío cuando la puerta está cerrada y luego para mayor privacidad cuando está ocupado.
Bombardier Transportation tiene ventanas borrosas inteligentes en el Bombardier Innovia APM 100 que opera en la línea Bukit Panjang LRT de Singapur , para evitar que los pasajeros miren el interior de los apartamentos mientras el tren está en movimiento [21] y planea ofrecer ventanas que utilicen tecnología de vidrio inteligente en su Flexity . 2 vehículos de tren ligero . [22]
El fabricante chino de teléfonos OnePlus presentó un teléfono cuyas cámaras traseras están colocadas detrás de un panel de vidrio electrocrómico. [23]
Los baños públicos de Tokio utilizan esta tecnología para abordar cuestiones de seguridad y privacidad. Las personas que se acercan a un baño pueden confirmar que está vacío porque pueden ver el interior mientras la puerta está abierta. Una vez que la puerta del baño ocupado está cerrada, las paredes de la habitación quedan opacas. [24] [25]
El Volkswagen ID.7 tiene un techo corredizo panorámico de cristal inteligente, que se puede cambiar eléctricamente de transparente a opaco. [26]
[27]
Los trenes Bombardier INNOVIA APM100 (C801) son la primera variante de vagones LRT de Singapur, que opera en la línea LRT Bukit Panjang de 14 estaciones operada por SMRT Light Rail Ltd. Fueron desarrollados por primera vez por Adtranz como CX-100, que luego fue adquirido por Transporte Bombardier y renombrado en 2001.
Esta tecnología de ventanas regulables electrónicamente proporciona un aislamiento térmico insuperable: SPD-SmartGlass rechaza sustancialmente el calor solar que ingresa a través de las ventanas.
En comparación con el vidrio para automóviles convencional, Mercedes-Benz informó que el uso de SPD-SmartGlass redujo significativamente la temperatura dentro del vehículo hasta 18 °F/10 °C.
Esto aumenta el confort de los pasajeros y reduce las cargas de aire acondicionado, ahorrando así combustible y reduciendo las emisiones de CO2.
