Structure et fonction du film de contrôle automatique de la lumière
L'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST ; Président :Ryoji Chubachi) et Sumitomo Chemical Co., Ltd. (Sumitomo Chemical ; Président :Masakazu Tokura) ont développé un nouveau système d'économie d'énergie, film de contrôle automatique de la lumière. C'est l'aboutissement d'un groupe de recherche composé de Kazuki Yoshimura (Leader), Groupe de couche mince de contrôle de l'énergie, l'Institut de recherche sur les matériaux pour le développement durable (Directeur :Mamoru Nakamura) de l'AIST, et Laboratoire de recherche sur les produits chimiques de base (Directeur :Yoshiaki Takeuchi) de Sumitomo Chemical.
Ce film de contrôle de la lumière est basé sur le fait qu'il y a un changement dans l'angle d'incidence de la lumière solaire entre l'été et l'hiver. Le film bloque la lumière du soleil en été en utilisant la réflexion totale mais la transmet en hiver. Contrairement à d'autres films de contrôle de la lumière, le film peut contrôler la transmission de la lumière directe du soleil tout en permettant toujours aux personnes à l'intérieur de voir la vue à l'extérieur de la fenêtre. Sans aucun changement inhérent, le film contrôle automatiquement la transmission de la lumière en fonction de la saison. La transmission de la lumière peut être contrôlée simplement en fixant le film à une fenêtre existante. Par conséquent, si le film peut être produit efficacement, il économisera de l'énergie en réduisant considérablement les charges de refroidissement et de chauffage.
Ce film de contrôle de la lumière sera exposé sur le stand de Sumitomo Chemical à l'Automotive Engineering Exposition 2013, qui se tiendra du 22 au 24 mai, 2013, au Pacifico Yokohama, Yokohama, Préfecture de Kanagawa.
Contexte social de la recherche
AIST a développé des économies de ressources, des matériaux de construction respectueux de l'environnement qui contribuent à réduire les émissions de CO2 dues à l'utilisation de l'énergie à la maison et au travail. Le refroidissement et le chauffage représentent environ 30% de la consommation d'énergie à la maison et au travail, et les fenêtres sont des éléments de construction qui affectent considérablement la consommation d'énergie à ces fins. Le but d'une fenêtre est de laisser entrer la lumière. Le verre de fenêtre normal transmet la chaleur, ainsi que la lumière visible, et détériore l'isolation thermique des bâtiments. Par conséquent, l'amélioration de l'isolation thermique des fenêtres permet à elle seule d'économiser substantiellement de l'énergie. Dans les années récentes, le verre à double vitrage et le verre à faible émissivité (verre écologique) avec des propriétés isolantes élevées sont devenus largement utilisés. Le verre de contrôle de la lumière contrôle lui-même la lumière et la chaleur entrantes et sortantes pour améliorer l'efficacité énergétique en bloquant efficacement la lumière du soleil, en plus de l'isolation thermique.
Le verre doit répondre à deux exigences contradictoires :en été, il doit bloquer autant de lumière du soleil que possible pour réduire la charge de refroidissement tout en laissant entrer un peu de lumière de la vue à l'extérieur de la fenêtre. Pour répondre à ces exigences, le verre de contrôle de la lumière à économie d'énergie a été commercialisé; ces types de verre comprennent le verre à faible émissivité qui transmet la lumière visible et réfléchit la lumière proche infrarouge, et le verre électrochrome qui peut basculer entre les états de blocage et transparent.
Il y a un changement saisonnier de l'angle d'incidence de la lumière du soleil sur une fenêtre. La lumière du soleil arrive à un angle d'incidence plus important en été. Si une fenêtre ne peut bloquer que la lumière avec un grand angle d'incidence, il serait possible de bloquer la lumière directe du soleil et de laisser entrer la lumière de la vue à l'extérieur de la fenêtre. Cependant, verres et films avec ce type de fonction de contrôle de la lumière n'avaient pas été développés jusqu'à présent.
Histoire de la recherche
L'AIST pensait que le verre pouvait être développé pour contrôler la transmission de la lumière en fonction de l'angle d'incidence de la lumière solaire en utilisant la réflexion totale à l'interface entre deux supports transparents. Il a développé un programme de traçage de rayons spécifiquement pour analyser la réflexion et la transmission de la lumière solaire afin d'optimiser la structure d'un film de contrôle de la lumière. Il a trouvé la structure du film qui peut bloquer autant que possible la lumière directe du soleil en été tout en laissant entrer autant de lumière de l'extérieur que possible.
La méthode de fabrication d'un film de contrôle de la lumière avec cette structure a été la clé de la commercialisation du film. Sumitomo Chimique, qui a de fortes capacités en technologie pour la fabrication de films transparents, développé le processus de fabrication, et les chercheurs ont développé un prototype de film de contrôle de la lumière à réflexion totale.
Détails de la recherche
Figure 1 :Structure de base du film de contrôle de la lumière à réflexion totale
La figure 1 montre la structure de base du film de contrôle de la lumière à réflexion totale développé. Le film utilise un support transparent dont les surfaces avant et arrière ne sont pas parallèles l'une à l'autre. Par exemple, lorsqu'un matériau acrylique (indice de réfraction n =1,49) est utilisé comme support transparent, avec la surface arrière inclinée à 7°, et la lumière vient de l'air sur la surface du milieu à un angle d'incidence supérieur à 60°, la lumière réfractée dans le milieu est incidente sur la surface arrière à un angle plus grand que l'angle critique et une réflexion totale se produit. Cependant, si un film transparent à surfaces non parallèles est utilisé comme vitre, la lumière de la vue à l'extérieur de la fenêtre est réfractée et la vue semble suspendue dans l'air. Pour éviter cela, un autre film avec la même section transversale est superposé à l'envers sur le premier film. Par conséquent, les réfractions de la lumière traversant les films s'annulent et la vue est la même qu'avec une seule vitre transparente. Une très fine couche d'air se forme automatiquement en superposant les deux films.
Figure 2 :Caractéristiques de transmission lumineuse du film de contrôle de la lumière à réflexion totale (étape unique)
Figure 3 :Changement d'angle de profil sur une fenêtre orientée au sud (à Nagoya, à 35,1°N) Le matin et le soir en été, le soleil est du côté nord de la pièce et ne frappe pas le côté sud.
Figure 4 :Structure d'un film de contrôle de la lumière à réflexion totale à plusieurs étapes et caractéristiques de transmission de la lumière d'un verre à contrôle de la lumière à réflexion totale avec quatre étapes
Cependant, un film avec la structure de la figure 2 ne peut pas être utilisé sur du verre à vitre sans modification. Si le film faisait 1 m², son épaisseur serait d'environ 10 cm. Cependant, si la section transversale est similaire à celle de la Fig. 1, la dépendance de l'angle d'incidence de la transmission lumineuse reste inchangée. Par conséquent, comme le montre la figure 4, un film de contrôle de la lumière à plusieurs étapes avec des caractéristiques de réflexion totale similaires peut être réalisé en raccourcissant la longueur verticale de l'étape et en fournissant plus d'étapes. Si la longueur L d'une marche est de 10 cm, la largeur W peut être de 1 cm. Si L est de 1 cm, W peut être de 1 mm. Un film de contrôle de la lumière avec de telles dimensions peut être fixé au verre à vitre pour obtenir des caractéristiques de réflexion totale similaires à celles d'un film en une seule étape. Si l'angle du bas d'une marche par rapport à la verticale est inférieur à 42°, la lumière dans le sens horizontal passe à travers et la vue est la même qu'avec du verre transparent.
Une étude des caractéristiques de transmission de la lumière d'un film de contrôle de la lumière à réflexion totale à plusieurs étapes montre que la lumière incidente sort sous le même angle lorsque l'angle incident est inférieur à 60°, comme avec le film en une seule étape. Lorsque l'angle d'incidence est de 60° ou plus, une réflexion totale se produit. Cependant, contrairement au film en une seule étape, la lumière n'est pas complètement bloquée; au lieu, environ 75% est bloqué. La figure 5 montre un modèle acrylique transparent du film de contrôle de la lumière avec une telle structure. Lorsque l'angle d'incidence de la lumière solaire est de 60° ou plus, des ombres sont créées.
Toutes ces caractéristiques de transmission de la lumière solaire sont celles de la lumière directe du soleil. Dans les applications réelles, la lumière directe et indirecte doit être prise en compte. Le groupe de recherche a effectué un test sur le terrain pour déterminer les performances de blocage de la lumière du film à réflexion totale dans un environnement réel.
Figure 5 :Modèle acrylique d'un film de contrôle de la lumière à réflexion totale Bien que le modèle soit transparent, des ombres sont créées parce qu'une quantité considérable de lumière est bloquée lorsque l'angle d'incidence de la lumière du soleil est de 60° ou plus.
Figure 6 :Transmission de la lumière solaire à travers des films à réflexion totale fixés sur les vitres, tel que mesuré dans une situation réelle
La figure 6 montre la dépendance temporelle de la quantité de lumière solaire transmise à travers des films acryliques de contrôle de la lumière à réflexion totale en une ou quatre étapes (12 × 12 cm) fixés à une fenêtre orientée au sud. Les mesures ont été faites en septembre et montrent donc les performances des films en été. Le film de contrôle de la lumière à réflexion totale en une seule étape bloquait presque toute la lumière directe du soleil et ne transmettait que la lumière indirecte. La transmission de la lumière solaire a été déterminée en intégrant l'intensité de la lumière solaire directe et indirecte transmise et en divisant la quantité totale de lumière solaire transmise en une journée par la quantité totale de lumière solaire directe verticale incidente sur une surface orientée au sud. Le facteur de transmission de la lumière solaire est de 23 % pour le film de contrôle de la lumière à réflexion totale en une seule étape et de 38 % pour le film de contrôle de la lumière à réflexion totale en quatre étapes. La transmission de la lumière du soleil du film de contrôle de la lumière à réflexion totale en quatre étapes est de 80% en hiver, indiquant que le film en quatre étapes peut automatiquement empêcher environ 40 % de l'énergie solaire de le traverser.
Les mesures des caractéristiques de contrôle de la lumière ont été effectuées sur un prototype de film de contrôle de la lumière à réflexion totale. Le film a montré la capacité de contrôler automatiquement la transmission de la lumière avant et après l'équinoxe de printemps. Bien que cette capacité n'ait pas encore atteint le niveau théoriquement prévu, il a été démontré pour la première fois qu'un film de contrôle de la lumière avec une telle structure peut être réalisé.
Plans futurs
Pour commercialiser le film de contrôle de la lumière à réflexion totale, la structure représentée sur la figure 4 doit être fabriquée avec précision à un pas assez court (c'est-à-dire une longueur de pas) et d'une manière efficace. Le groupe de recherche développe un procédé de fabrication de film efficace basé sur la formation continue de résine thermoplastique fondue à l'aide d'un moule de précision.
Avec l'objectif d'une commercialisation d'ici quelques années, le processus de fabrication sera amélioré par Sumitomo Chemical pour améliorer ses performances de blocage de la lumière et une meilleure méthode d'application du film sur le verre à vitre sera développée.
