סקירת זכוכיות חכמות
סקירה כללית
כיום הזכוכיות החכמות הדינמיות מאפשרות הן פרטיות והן חסימת קרינה, חום ואור.
הזכוכיות החכמות מגיעות במגוון צבעים ומרקמים, ניתן להזמין אותם בגדלים ועיצובים שונים ומשמשים למגוון רחב של מטרות.
ישנן מספר טכנולוגיות לזכוכית דינמית
-
זכוכית חכמה PDLC (זכוכית חשמלית), שקופה או חלבית, לפרטיות
-
זכוכית אלקטרוכרומית, חשמלית, מתכהה, מתאימה לקירות מסך עבור מעטפת הבניין בפרויקטים מסחריים
-
SPD, חשמלי, שינוי צבע, מוגבל בגודלו, מתאים לרכבים
-
זכוכית תרמוכרומית, חסימת קרינה ואור שמש, לקירות מסך בבתים ופרויקטים מסחריים
-
פילם פוטוכרומי, חסימת קרינה, בוהק וסנוור אור השמש, מיועד לקירות מסך בבתים ופרויקטים מסחריים
ניתן להפוך זכוכית שקופה לחלבית ולהיפך או להכהות את גוון הזכוכית על ידי שינויים בתנאי התאורה הטבעית בסביבה או מעבר חשמל במתח נמוך. תכונות אלה של זכוכית חכמה הופכות אותה לכלי יעיל וידידותי לסביבה הן לשמירה על הפרטיות והן לסינון חום ואור לבקרת אקלים יעילה יותר בחללים סגורים.
האפשרויות נרחבות מאוד וכוללות הזדמנויות חדשות לבתים חכמים ולמתחמים ציבוריים המציעים למשתמשים נוחות מרבית.
טכנולוגיות קיימות
כיום קיימות חמש טכנולוגיות עיקריות תחת קטגוריית זכוכית חכמה.
העיקרון המשותף לכולם הינו השימוש בחומרים שחשיפתם למתח חשמלי, לחום או לאור שמש משנה את הרכבם וכתוצאה מכך את צבעם ומרקם.
על ידי יצירת ציפויים מחומרים אלה והרכבתם על זכוכית, נוצרת זכוכית חכמה שתכונותיה ניתנות לשליטה.
ניתן לחלק את טכנולוגיות הזכוכית החכמה לשתי קבוצות:
פאסיבי
טכנולוגית זכוכית חכמה המופעלת על ידי גורם חיצוני ללא יכולת שליטה של המשתמש כגון חום או אור, דוגמת Thermochromic או Photochromic.
אקטיבי
טכנולוגית זכוכית חכמה המופעלת וניתנת לשליטת המשתמש (בדרך כלל על ידי הפעלת שדה חשמלי), דוגמת PDLC, Electrochromic או SPD
זכוכית חכמה לפרטיות
PDLC - Polymer Dispersed Liquid Crystal
טכנולוגיית פיזור אור בשליטה חשמלית ליישומים של פרטיות
זכוכית חכמה לפרטיות משמשת בעיקר בתחום הבנייה, אדריכלים מנצלים את תכונות הזכוכית כדי לקבל פרטיות בלחיצת כפתור. עשיית האדריכלות והתחבורה ליצירת מחיצות פנים וחוץ המאפשרות פרטיות בתוך החלל.
פתרון זה משמש בבתים פרטיים ובבתי מלון, מוסדות חינוך ורפואה, בתי מסחר ומשרדים. פתרון זה מאפשר לייצר אפילו מקלחות ושירותים שקופים למראה אסתטי ונקי אשר נאטם בשימוש לפרטיות.
כדי ליהנות מפתרון זה, אין צורך לרכוש חלון חדש או זכוכית חדשה, ניתן להחיל אותו ישירות על חלונות קיימים ולהחיל מעבר אור טבעי על פי דרישה, חסימה קבועה של קרינת UV מזיקה, וזאת על ידי מדבקה פילם חכם המודבקת על גבי הזכוכית ומאפשרת פרטיות.
באמצעות גבישים נוזליים ניתן לשנות את אופן פיזור האור בחומר על ידי יישום שדה חשמלי שמסדר את המולקולות בצורה אחרת.
הסידור החדש של הגבישים הנוזלים בחומר, גורם לקרני האור להשתקף בצורה שונה וכתוצאה מכך הזכוכית הופכת שקופה או חלבית בעת הלחיצה.
גבישים נוזליים (Liquid Crystal) פותחו בשנת 1888, אולם יישומי טכנולוגיית PDLC פותחו ונרשמו כפטנטים על ידי ד"ר ג'יימס פרגוסון רק בשנת 1984.
ד"ר פרגוסון מוכר כממציא הטכנולוגיה תחת הסימן המסחרי NCAP PDLC -
Nematic Curvilinear Aligned Phase.
טכנולוגיה זו היא טכנולוגיית הזכוכית החכמה מבוססת PDLC האיכותית ביותר לפרטיות מכיוון שייצורה מבוסס על פתרון LC במים ולא בממיסים, מה שהופך את הטכנולוגיה ליציבה ואמינה מאוד לאורך שנים רבות.
בשנת 2007, בעקבות פיתוח ושיפורים משמעותיים בטכנולוגיה, רכשו סמארט פילמס את מפעל הפטנטים והייצור הממוקם בעמק הסיליקון, קליפורניה.
זכוכית מתכהה אלקטרוכרומית
Electrochromic Glass
טכנולוגיה לשינוי גוון בשליטה חשמלית ליישומים של בקרת אקלים ובידוד תרמי
זכוכית אלקטרוכרומית משמשת למגוון יישומים. פתרון זה מגיע לחסימת 99% מאור השמש ונחשב לאחד מהיעילים ביותר מבחינה אנרגטית, תורם משמעותית לניקוד LEED.
פעולת ההתכהות אורכת כ- 5 דקות , במחצית הדרך הזכוכית מתכהה מעל 80%. שליטה בכניסת האור והחום עד 4 רמות כהות שונות - בלחיצת כפתור.
יתרון משמעותי נוסף של שיטה זו, היא כי ניתן הגדיר שליטה בחלקי החלון השונים ולחלקו לעוד שלושה אזורי כהות שונים ולשלוט בכל אחד מהם בנפרד.
על ידי שימוש בחיישנים ואפליקציות ייעודיות, ניתן לבצע התאמה מדויקת של מעבר האור האופטימלי ובאמצעים מקוונים. עם זאת, חשוב לזכור כי פתרון זה לא יספק פרטיות וכמו כן, לא ניתן ליישם את החומר על חלונות קיימים.
בדרך כלל, כאשר החלון שקוף בהיר, יוני הליתיום שוכנים באלקטרודה הפנימית ביותר (צד משמאל בתרשים). כאשר מפעילים מתח נמוך מאוד של 5 וולט על האלקטרודות, היונים "נודדים" דרך התווך לאלקטרודה החיצונית ביותר (צד ימין בתרשים), בשכבה זו הם כהים ובולעים את האור והחום.
טכנולוגיה אלקטרוכרומית הינה טכנולוגיה "ירוקה" מכיוון שצריכת האנרגיה מתבעת רק במעבר מדרגת כהות אחת לדרגת כהות אחרת. אין צורך בצריכת אנרגיה על מנת להחזיק את הזכוכית במצב מסוים.
החומרים האלקטרוכרומיים מתאפיינים משמשים לבידוד תרמי בשונה מטכנולוגיית ה-PDLC וה-SPD אשר השימוש בהן הוא עבור השגת פרטיות.
חומר אלקטרוכרומי נרשם כפטנט לראשונה כבר בשנת 1843 על ידי המהנדס הסקוטי אלכסנדר ביין.
עקרון הפעולה הבסיסי כולל יוני ליתיום טעונים במטען חיובי עם אלקטרונים חסרים הנודדים הלוך ושוב בין שתי אלקטרודות דרך תווך המפריד ביניהן.
כאשר יוני הליתיום שוכנים באלקטרודה הפנימית (הקרובה אל תוך המבנה) הם שקופים ומעבירים את אור השמש. כאשר מפעילים מתח של 5V, היונים "נודדים" דרך התווך לאלקטרודה החיצונית, בשכבה זו הם כהים ובולעים את אור וחום השמש.
SPD
Suspended Particle Devices
טכנולוגיה לשינוי גוון בשליטה חשמלית ליישומים של פרטיות עבור חלונות קטנים
טכנולוגיה המאפשרת התכהות מיידית של גוון הזכוכית ללא כל צורך באמצעי הצללה אחרים . טכנולוגיה זו מאופיינת בזכוכית בעלת גוון כחול, מיושמת בזכוכיות בגודל קטן (בדרך כלל עד 1 מ"ר) ומשמשת בעיקר בתעשיית הרכב כחלונות גג לרכבי יוקרה ולשמשות רכב חכמות.
פתרון זה צורך מתח גבוה וקבוע של 100 וולט, ולכן בעייתי ליישום במשטחים בעלי שטח גדול. לרכבים נדרש Inverter כדי לקבל את המתח הנדרש.
מחיר זכוכית מבוססת SPD הינו גבוה במיוחד הואיל והטכנולוגייה אינה מבוססת ונפוצה.
תהליך הייצור של זכוכית חכמה בטכנולוגיית ה-SPD מתחיל בייצור תמיסה עם חלקיקים בגודל ננו, יישום בין שתי יריעות פלסטיק כאשר על כל יריעת פלסטיק יש שכבה מוליכה שקופה מבוססת תחמוצת אינדיום (ITO).
טכנולוגיית SPD הינה בעלת גוון כחול כהה ובמתח של כ-100 וולט הגוון ייתבהר. על מנת לשמור על הזכוכית במצב שקוף נדרשת צריכת אנרגיה זהה במשך זמן השימוש. בשונה מחומרים אלקטרוכרומיים, המתאפיינים בבידוד חום , לחלקיקי ה-SPD כמו גם לטכנולוגיית PDLC אין איכויות בידוד חום אלא רק פרטיות.
כדי לקבל פרטיות, מיליוני החלקיקים המיושמים בתמיסת ג’ל מסננים את האור ויוצרים כתוצאה מכך גוון תמיסה כהה ואטומה. המתח החשמלי, גורם לחלקיקים להסתדר במבנה ישר ומאפשר מעבר אור. כך נעשית הזכוכית בהירה יותר ומתאפשרת שליטה בדרגת כהות הזכוכית.
תופעת אלקטרופורזה (הפרדת חומרים כימית) Electrophoresis נצפתה לראשונה בשנת 1807 על ידי הפרופסור הרוסי פיטר איונוביץ. עיקרון הפעולה מבוסס על Diffusion (נדידת חלקיקים) בתוך תמיסת ג'ל אורגנית.
מיליוני חלקיקים קטנים (כל חלקיק קטן ממיקרון) מושהים בתוך תמיסת ג'ל אשר שומרת על יציבות החלקיקים. ללא שדה חשמלי החלקיקים המושהים מפזרים את האור ובהפעלת שדה חשמלי הם מסתדרים באופן שמעביר את האור.
זכוכית מתכהה תרמוכרומית
Thermochromic Glass
שינוי גוון מבהיר לכהה המופעל על ידי קרינת חום השמש
העובדה כי מדובר בפתרון שאינו צורך חשמל כלל, הופך אותו לחסכוני וירוק במיוחד ומייתר שימוש במיזוג. טכנולוגיה זו מיושמת במגוון רחב של פתרונות – מחלונות רכב (פוטו כרומי) ועד למחיצות חוץ במרחבים פרטיים ומסחריים כאחד (פוטו כרומי).
על אף שמדובר בפתרון שיכול לחסוך משמעותית בהוצאות האנרגיה במרחבים מסחריים, גם כאן העובדה כי מדובר בפתרון פאסיבי פוגעת ביכולת השליטה שלנו בקרינת השמש ומאחר והוא מגיב אך ורק לאור או חום, בנוסף טכנולוגיות אלו אינן מגיעות לחסימה מלאה של אור מסנוור.
זכוכית חכמה תרמו-כרומית מורכבת משתי זכוכיות אשר מודבקות באמצעות PVB כאשר חלקיקים תרמו-כרומיים כבר מיושמים בשכבת ה-PVB. זכוכית חכמה תרמו-כרומית מוצעת במבנה של בידודית על מנת לייצר שכבת חום אחידה ובידוד חום איכותי.
משטחים אלו משנים את הרכבם הכימי בתגובה לאור או חום השמש וכתוצאה מכך את צבעם. גוון הזכוכית יתכהה ככל שאור השמש או חום השמש מתעצם.
חומרים תרמו-כרומיים התחילו להתפתח במעבדות כבר בשנות השישים. חומר תרמו-כרומי מאופיין בפיגמנט בעל תכונה של שינוי צבע בשל שינוי בטמפרטורה.
פילם פוטוכרומי
Photochromic Film
שינוי גוון המופעל על ידי אור קרני השמש ליישומים של בקרת אקלים ובידוד תרמי
טכנולוגיה זו מיושמת במגוון רחב של פתרונות – מחלונות רכב (פוטו כרומי) ועד למחיצות חוץ במרחבים פרטיים ומסחריים כאחד (פוטו כרומי).
על אף שמדובר בפתרון שיכול לחסוך משמעותית בהוצאות האנרגיה במרחבים מסחריים, גם כאן העובדה כי מדובר בפתרון פאסיבי פוגעת ביכולת השליטה שלנו בקרינת השמש ומאחר והוא מגיב אך ורק לאור או חום, בנוסף טכנולוגיות אלו אינן מגיעות לחסימה מלאה של אור מסנוור.
התפתחויות אחרונות משלבות ננו חומרים קרמיים על מנת להתאים את טווח דחיית קרני השמש ליישומים של זכוכית חכמה לבידוד תרמי. בשילוב ננו חומרים מבוססי כסף ניתן לשלב גם חסימת קרני אינפרא אדום (IR) על ידי החזר קרני השמש.
משטחים אלו משנים את הרכבם הכימי בתגובה לאור או חום השמש וכתוצאה מכך את צבעם. גוון הזכוכית יתכהה ככל שאור השמש מתעצם. העובדה כי מדובר בפתרון שאינו צורך חשמל כלל, הופך אותו לחסכוני וירוק במיוחד ומייתר שימוש במיזוג.
שינוי צבע על ידי פוטונים הומצא בשנת 1842 על ידי סר ג'ון פרדריק וויליאם הרשל באנגליה. יריעה פוטוכרומית משנה את הרכב הצבעים שלה בחשיפה לקרינת אולטרה סגול (UV) של אור השמש.
כאשר חומר פוטוכרומי נחשף לאור אולטרה סגול המבנה המולקולרי משתנה כתוצאה מהפחתת חמצון, במהלך תגובה כימית זו מתחמצן כלור ליצירת אטומים ואלקטרונים ואילו אלקטרון חופשי מועבר ליוני כסף. כתוצאה מכך החומר הפוטו-כרומי מתכהה וסופג את האור והחום הנוצרים מקרני השמש.
זכוכיות חכמות - השוואה טכנולוגית
Electrochromic vs SPD
קצוות נסוגים - תופעה הנקראת Edge Clearing בה החומר הפעיל מתחיל לסגת כלפי פנים הזכוכית כאשר האזורים עם התופעה נשארים שקופים ללא יכולת להכהות אותם, התופעה מואצת בעקבות אורך זמן ההפעלה הרצופה, טמפרטורה ועוד.
סקירת שוק
שוק הזכוכית החכמה הוערך ב- 3.5 מיליארד דולר בשנת 2019 וצפוי להיות מוכפל עד 2025 עם לגודל שוק של 7 מיליארד דולר. גודל השוק כולל זכוכית פנים לפרטיות וזכוכית חוץ לבקרת אקלים ובידוד חום וקור.
זכוכית חכמה מיושמת במספר רב של מגזרים כגון, דירות מגורים, משרדים, בתי מלון, מרפאות ובתי חולים, מבני ציבור ומשרדי ממשלה. היישומים העיקריים מתמקדים בענף הבנייה והתחבורה כאשר גורמי הצמיחה העיקריים הם:
-
ענף הבנייה - תקנים ותקנות לבנייה ירוקה מעודדים בעלי בניינים להשקיע בפתרונות לחיסכון באנרגיה כגון זכוכית חכמה לקירות מסך וחלונות.
-
ענף הרכב - במיוחד רכבים שיתופיים, בהם יתאפשר לחסום קרני שמש מחממות ומסנוורות ולפרטיות.
-
ענף התעופה - חברות כמו בואינג ואיירבוס תאמצנה באופן נרחב את הזכוכיות החכמות ליישום גם בדגמים נפוצים ולא רק בדגמי היוקרה.
-
ענף השיט - יישומים ימיים כגון ספינות שייט ויאכטות יאמצו זכוכיות חכמות לשיפור נוחות הנוסעים וחיסכון באנרגיה.
זכוכיות חכמות על פני זמן
פתרונות זכוכיות חכמות
מבט לעתיד
יהיו הפתרונות בהם נבחר אשר יהיו, זכוכיות חכמות הינן בשורה מהפכנית בתחום פתרונות הפרטיות ובקרת האקלים והיא נכנסת לשימוש תכוף יותר ויותר בידי אדריכלים ומעצבי פנים כדי לספק נוחות מרבית וחיסכון משמעותי באנרגיה.
