סקירה כללית

3d-rendering-business-meeting-and-workin

מגוון פתרונות הזכוכית כיום רחב מתמיד.

הם מגיעים במגוון צבעים ומרקמים, ניתן להזמין אותם בגדלים ועיצובים שונים ומשמשים למגוון רחב של מטרות.

 

כעת, ניתן להעלות את טווח השימושים בזכוכית לשלב הבא, ולשלוט בתכונותיה בהתאם לצרכים ולתנאים המשתנים בחלל ובסביבה.

ישנן חמש טכנולוגיות לזכוכית דינמית:

  • זכוכית PDLC, זכוכית חשמלית, שקופה או חלבית, לפרטיות

  • זכוכית אלקטרוכרומית, חשמלית, מחליפה צבע, מתאימה לקירות מסך

  • SPD, חשמלי, שינוי צבע, מתאים לרכבים

  • זכוכית תרמו-כרומית, חסימת קרינה ואור שמש, לקירות המסך

  • סרט פוטוכרומי, גוש קרינה ואור שמש, לקירות מסך

יישום חדשני לגילויים מדעיים המלווה אותנו שנים רבות, יוצר טכנולוגיה מהפכנית המציעה מגוון שימושים יעילים. טכנולוגיות זכוכית חכמות, או זכוכית מתחלפת, מאפשרות לשנות את מאפייני העברת האור של הזכוכית בנפרד ובמועדים הנדרשים.

על ידי שינויים בתנאי התאורה הטבעית בסביבה או שינויים יזומים בשדה החשמלי סביב הזכוכית, ניתן להפוך זכוכית שקופה לחלבית ולהיפך או להחשיך את גוון. תכונות אלה של זכוכית חכמה הופכות אותה לכלי יעיל וידידותי לסביבה לשמירה על הפרטיות וסינון חום ואור לבקרת אקלים יעילה יותר בחללים סגורים.

האפשרויות נרחבות מאוד וכוללות הזדמנויות חדשות לבתים חכמים ולמתחמים ציבוריים המציעים למשתמשים נוחות מרבית.

 

טכנולוגיות קיימות

766324486.JPG

כיום קיימות חמש טכנולוגיות מפתח להתאמת פתרונות זכוכית חכמה. חלקם קיימים למעלה מ -100 שנה ורק היום מיושמים ביעילות וחלקם מבוססים על תגליות מודרניות.

 

העיקרון המשותף לכולם - 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 טמפרטורה 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

 

משמשים בעיקר בתעשיית האדריכלות והתחבורה ליצירת מחיצות פנים וחוץ המאפשרות חלוקה סלקטיבית שהופכת לשקופה או אטומה לפי דרישה.

 

פתרון זה משמש בעיקר בבתים פרטיים ובבתי מלון, מוסדות חינוך ורפואה, עסקים קמעונאיים ומשרדים. פתרון זה מאפשר לייצר אפילו מקלחות ושירותים שקופים למראה אסתטי ונקי שייאטם רק בשימוש לפרטיות.


כדי ליהנות מפתרון זה, אין צורך לרכוש חלון חדש, ניתן להחיל אותו ישירות על חלונות קיימים ולהחיל מעבר אור טבעי על פי דרישה, חסימה קבועה של קרינת UV מזיקה, פרטיות לפי דרישה ללא צורך בווילונות, ואמין תוצאות לטווח ארוך עם תחזוקה מינימלית.

באמצעות גבישים נוזליים ניתן לשנות את אופן פיזור האור בחומר על ידי יישום שדה חשמלי שמסדר אותם בצורה אחרת.

 

הסידור החדש של הגבישים הנוזלים בחומר, גורם לקרני האור להשתקף בצורה שונה וכתוצאה מכך הכוס הופכת שקופה או חלבית בעת הלחיצה.

גבישים נוזליים (LC) הומצאו כבר בשנת 1888, אולם יישומי טכנולוגיית PDLC פותחו ופטנטו על ידי ד"ר ג'יימס פרגוסון בשנת 1984. ד"ר פרגוסון מוכר כממציא הטכנולוגיה תחת הסימן המסחרי (Nematic) (Curvilinear Aligned Phase Phase). NCAP-PDLC).

 

טכנולוגיה זו היא טכנולוגיית הזכוכית החכמה האיכותית ביותר לפרטיות מבוססת PDLC מכיוון שהייצור מבוסס על פתרון LC במים ולא בממיסים, מה שהופך את הטכנולוגיה ליציבה ואמינה מאוד לאורך שנים רבות. בעקבות פיתוח ושיפורים משמעותיים בטכנולוגיה, רכשו סמארט פילמס את מפעל הפטנטים והייצור הממוקם בעמק הסיליקון, קליפורניה בשנת 2007.

זכוכית אלקטרוכרומית

Electrochromic Glass

 

ד"ר פרגוסון הבין ששילוב של גביש נוזלי LC שבו המולקולות מסודרות לכיוון אחד, עם פתרון על בסיס מים מאפשר הפקת סרט חכם. התמיסה הוחלה בין שתי יריעות פלסטיק עם שכבת מוליך שקופה על בסיס תחמוצת אינדיום. תחמוצת האינדיום הדק (ITO).

 

בשנת 1987 פיתחה אוניברסיטת קנט סטייט פטנט על טכנולוגיית PDLC המבוססת על "הפרדת פאזה". מיוצר לראשונה תערובת הומוגנית של פולימר וגביש נוזלי.

 

טיפות הגביש הנוזלי נוצרות לאחר מכן על ידי תהליך הפרדה המתרחש באחת מהדרכים הבאות: פילמור, חום או ממסים חמורים. הייצור על ידי ממיסים הוא הנפוץ ביותר כאשר היתרון בשיטה זו הוא עלות ייצור נמוכה יותר אך יחד עם זאת, המוצר אינו מושלם מבחינת יציבות לטווח הארוך.

על ידי טעינת יוני ליתיום במתח חשמלי של 5 וולט, הם מתכהים ובולעים את חום השמש. 
כאן, יש לנו שליטה מלאה ולמגוון יישומים. פתרון זה, אשר יכול להגיע אף לחסימת 99% מאור השמש, נחשב לאחד מהיעילים ביותר מבחינה אנרגטית ותורם משמעותית לניקוד LEED במתחמים. פעולת ההתכהות לוקחת רק מספר דקות ומאפשרת שליטה בכניסת האור והחום בלחיצת כפתור.


יתרון משמעותי נוסף של שיטה זו, היא כי ניתן הגדיר שליטה בחלקי החלון השונים ולחלקו לעד שלושה אזורים שונים ולשלוט בכל אחד מהם בנפרד. על ידי שימוש בחיישנים ואפליקציות ייעודיות, נוכל 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, (בצד ימין בתרשים) כאשר הם בשכבה זו, הם כהים ובולעים את האור והחום. 

טכנולוגיה אלקטרו-כרומית הינה טכנולוגיה "ירוקה" מכיוון שצריכת האנרגיה מתבעת רק במעבר מדרגת כהות אחת לאחרת, ואין צורך בצריכת אנרגיה על מנת להחזיק את הזכוכית במצב. 

החומרים האלקטרו-כרומיים מתאפיינים באיכות בידוד תרמי בשונה מטכנולוגיית ה-PDLC וה-SPD אשר להן אין איכויות בידוד חום.

EC Glass-01.jpg

חומר אלקטרו-כרומי נרשם כפטנט לראשונה כבר בשנת 1843 על ידי המהנדס הסקוטי אלכסנדר ביין. הייצור הינו על ידי בנייה של שכבות של ננו חומר בתהליך הקרוב יותר למוליכים למחצה.

עקרון הפעולה הבסיסי כולל יוני ליתיום טעונים במטען חיובי עם אלקטרונים חסרים הנודדים הלוך ושוב בין שתי האלקטרודות דרך תווך המפריד ביניהן.

SPD

 

Suspended Particle Devices

טכנולוגיה המאפשרת התכהות מיידית של גוון הזכוכית ללא כל צורך באמצעי הצללה אחרים ובצמצום משמעותי של פתרונות בקרת אקלים. טכנולוגיה זו, המאופיינת בזכוכית בעלת גוון כחול, משמשת בעיקר בתעשיית הרכב ומשמשת כחלונות גג לרכבי יוקרה ולשמשות רכב חכמות.

 

פתרון זה צורך מתח גבוה ולכן בעייתי ליישום במשטחים בעלי שטח גדול. כמו כן, הוא משמש כפתרון הצללה בלבד ואינו מספק פרטיות כמו כן, אין אפשרות ליישם אותו על חלון קיים. בנוסף, המחיר הגבוה מהווה חסם שוק משמעותי.

תהליך הייצור של זכוכית חכמה בטכנולוגיית ה-SPD מתחיל בייצור התמיסה עם הננו חלקיקים, יישום בין שתי יריעות פלסטיק כאשר על כל יריעת פלסטיק יש שכבה מוליכה שקופה המבוססת תחמוצת אינדיום.

טכנולוגיית SPD בעלת גוון כחול כהה ובמתח של כ-100 וולט הגוון ייתבהר. על מנת לשמור על הזכוכית במצב שקוף נדרשת צריכת אנרגיה במשך כל זמן השימוש. 

בשונה מחומרים אלקטרו-כרומיים, אשר להם איכות בידוד חום לחלקיקי ה-SPD כמו גם לטכנולוגיית PDLC אין איכויות בידוד חום.

מיליוני חלקיקים המיושמים בתמיסת ג’ל. החלקיקים מסננים את האור ויוצרים כתוצאה מכך גוון תמיסה כהה. המתח החשמלי, גורם לחלקיקים להסתדר במבנה ישר ומאפשר מעבר אור. כך נעשית הזכוכית בהירה יותר ומתאפשרת שליטה בדרגת כהות הזכוכית.

PDLC

בשנת 1965 החל פיתוח של זכוכית חכמה המבוססת על התופעה כאשר עקרון הפעולה הינו תנועה של ננו-חלקיקים כתגובה לשדה חשמלי, כאשר הננו-חלקיקים בגודל של פחות ממיקרון נמצאים בתוך נוזל, ובעלי תכונה של פיזור אור. 

זכוכית תרמוכרומית

Thermochromic Glass

 

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. 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.

SPD.jpg

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

 

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. 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. 

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.

כאשר חומר פוטו-כרומי נחשף לאור אולטרה סגול (UV) 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. 

שינוי צבע על ידי פוטונים הומצא בשנת 1842 על ידי סר ג'ון פרדריק וויליאם הרשל באנגליה. יריעה פוטו-כרומית משנה את הרכב הצבעים שלה בחשיפה לקרינת גלי אולטרה סגול, בדרך כלל של קרינת אור השמש.

זכוכיות חכמות - השוואה טכנולוגית

השוואה זכוכיות חכמות
 

Electrochromic vs SPD

השוואה SPD אלקטרוכרומית

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

chart.png
 
 

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. 

events.JPG