CC BY
27НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
NANOTECHNOLOGY FOR RENEWABLE ENERGY
Статья поступила в редакцию 16.10.09. Ред. рег. № 623 The article has entered in publishing office 16.10.09. Ed. reg. No. 623
УДК 666.157.8:666.157.9
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ «УМНОГО СТЕКЛА»
112 И.А. Макарян , О.Н. Ефимов , В. В. Куршева ,
2 3
Т.Н. Кондырина , С.А. Кондрашов
1Институт проблем химической физики РАН 142432, Черноголовка Московской обл., пр. Акад. Семенова, д. 1 Тел.: (496) 522-14-40; факс: (496) 517-89-10; e-mail: [email protected] 2ООО Научно-технический центр «ТАТА» 607183, г. Саров Нижегородской области, ул. Московская, д. 29 тел./факс (83130) 6-31-07; e-mail: [email protected] 3ФГУП «ВИАМ» ГНЦ 105005, Москва, ул. Радио, д. 17 e-mail: stasru [email protected]
Заключение совета рецензентов: 30.10.09 Заключение совета экспертов: 05.11.09 Принято к публикации: 10.11.09
Проведен анализ состояния и перспектив развития высокоэффективных энергосберегающих электрохромных устройств, выполненных с использованием регулируемого свето- и теплозащитного стекла (так называемые «умные стекла»). Рассмотрены разновидности «умных стекол» в качестве коммерчески-ориентированной продукции, дана их классификация, определены основные технологии получения и наиболее перспективные области практического применения. Отмечены конкурентные преимущества использования наноструктурированных гибких электрохромных панелей.
Изучены конъюнктурные особенности мирового рынка «умных стекол», его состояние и перспективы развития. Показано, что рынок находится в начальной стадии своего становления, а первые коммерчески успешные проекты осуществились на нем лишь в последнем десятилетии. Исследованы масштабы, динамика, ценовая политика и прогноз развития рынка на ближайшее будущее.
Определены основные компании по разработке, производству и поставкам «умного стекла». Проанализирована динамика спроса на «умные стекла» по основным областям их практического использования. Отмечена чрезвычайно высокая скорость роста спроса на электрохромные изделия, что связано как с расширением сфер их применения, так и с улучшением рабочих характеристик.
Рассмотрена экономическая эффективность и ограничения, препятствующие коммерциализации инновационных проектов по разработке энергосберегающих устройств и выходу их на международный и отечественный рынки.
Ключевые слова: «умные стекла», электрохромные устройства, оптические свойства, наноструктурированные слои, рынок, спрос/предложение.
STATUS AND PERSPECTIVES ON DEVELOPMENT OF ENERGY SAVING DEVICES ON THE BASIS OF "SMART GLASS"
I.A. Makaryan1, O.N. Efimov1, V.V. Kursheva T.N. Kondyrina2, S.A. Kondrashov3
'Institute of Problems of Chemical Physics RAS 1 Acad. Semenov av., Chernogolovka, Moscow reg., 142432, Russia Tel.: (496) 522-14-40; fax: (496) 517-89-10; e-mail: [email protected] 2Scientific Technical Centre "TATA" Post Box Office 683, Sarov, Nizhny Novgorod, 607183, Russia Tel./fax (83130) 6-31-07; e-mail: [email protected] 3All-Russian Institute of aviation materials 17 Radio st., Moscow, 105005, Russia e-mail: stasru [email protected]
Referred: 30.10.09 Expertise: 05.11.09 Accepted: 10.11.09
The state and possible development of high efficient energy-saving electrochromic devices using regulated light- and heat-protection glass ("smart glasses") have been analyzed. Kinds of smart glasses have been considered as commercially tailored product. They were classified, basic technologies for their production and the most promising fields of commercial application were determined. Competitive advantages of nanostructured flexible electrochromic panels were emphasized.
Features, current state and possible development of the world market of smart glasses were analyzed. It has been shown that the market is at its initial stage and the first commercially successful projects were realized in the past decade only. Scope, dynamics, price policy and possible development of market in nearest future were analyzed.
The main companies which develop, produce and sell smart glasses were determined. Demand for smart glasses in main fields of commercial application was analyzed. Extremely high growth rate of demand for electrochromic devices is observed due to widening fields of their commercial application and improved operating parameters.
Cost efficiency and restrictions which prevent from commercializing innovation projects on the development of energy-saving devices and their promotion to the international and national markets have been considered.
Введение
Многие сходятся во мнении, что в настоящий момент в мире наблюдается явный энергоэкологический кризис. Причем, если симптомы этого кризиса стали проявляться с 1970-х годов, то в XXI веке он приобрел уже четкую тенденцию к обострению [1]. В связи с этим перед многими развитыми странами остро ставится вопрос о необходимости обеспечения энергоэффективности и энергосбережения. В частности, это касается и такого аспекта социальной и бытовой жизни, как, например, проблема грамотного архитектурного и строительного остекления.
Применяемые в настоящее время материалы остекления различного назначения обладают широким спектром оптических и теплоизоляционных свойств. В первую очередь это относится к такой крупной области использования стекла, как архитектурное остекление, где уже успешно применяются низко-эмиссионные и спектрально-селективные стекла, а также стекла, тонированные в массе, которые обладают способностью к различному пропусканию солнечного света.
В то время как дизайнеры заинтересованы в модернизации фасадов зданий за счет декоративного остекления, население в большей степени думает об экономии коммунальных платежей за счет энергосбережения.
Не удивительно, что следующий этап в развитии остекления (и не только архитектурного) связан с разработкой и созданием регулируемого свето- и теплозащитного стекла. В последнее время на рынке появился ряд новых передовых технологий, позволяющих справиться с этой задачей за счет так называемых «умных стекол».
В настоящий момент практически во всех развитых странах мира ученые из академических и отраслевых научных подразделений, в том числе и в составе крупных компаний, работают над созданием новых технологий получения стекол, обладающих хорошо регулируемыми свето- и теплозащитными эксплуатационными характеристиками. Некоторые из этих разработок завершились созданием серийных производств по выпуску готовой энергосберегающей продукции.
Над созданием и усовершенствованием технологий получения регулируемого свето- и теплозащитного «умного стекла» трудятся и коллективы ряда академических и производственных подразделений нашей страны. В частности, решением этой проблемы занимаются в Научно-Техническом Центре «ТАТА» (г. Саров, Россия). По заказу Федерального агентства
по науке и инновациям здесь выполняются научно-исследовательские работы по созданию макета солнцезащитных энергосберегающих гибких панелей с улучшенными рабочими характеристиками, составные элементы которого будут включать нанострукту-рированные электрохромные слои на основе проводящих полимеров. Панели такого типа представляют собой коммерчески-ориентированную продукцию, имеющую широкий спектр применения.
Представило интерес изучить состояние разработок и перспективы развития энергосберегающих устройств на основе «умного стекла» у нас в стране и за рубежом с точки зрения их практической реализации.
«Умные стекла» как коммерчески-ориентированная продукция
«Умные стекла», технологии получения и классификация Впервые стекло было использовано для защиты световых проемов зданий еще в Древнем Риме. Помимо светопропускания, т.е. прозрачности, обычное стекло обладает и рядом других качеств, весьма привлекательных для строительной индустрии. Оно влагонепроницаемо, морозоустойчиво, химически инертно, не горит и обладает большой жесткостью, а единственный его недостаток - это хрупкость.
Так называемое «умное стекло» (smart glass) появилось на рынке значительно позже - уже в наше время и относится к категории технологически передовых продуктов. В последние годы к «умному стеклу» проявляется постоянный и быстро растущий интерес, что в первую очередь связано с расширением спектра областей его практического использования. Технологии получения «умного стекла» не случайно приравнены к категории «high-tech».
Недавно появилось и другое понятие - так называемые чистые технологии (clean technology или «clean-tech»), которые определяются как инновационные технологии и инвестирующие их коммерче-ско-деловые модели, которые помогают в решении глобальных мировых проблем. В ближайшие пять лет развитие технологий «clean-tech» в мировом масштабе будет стимулироваться двумя основными движущими силами - увеличением стоимости энергии и задачей повышения эффективности ее использования, что напрямую связано с наблюдаемым глобальным энергоэкологическим кризисом. В связи с этим технологии получения «умных стекол» можно смело отнести к понятию «clean-tech» [2].
128 International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Исторически появление на свет «умного стекла» связывают с 1704 г., когда были открыты первые хромогенные материалы. К научным исследованиям этих материалов приступили только в 1800-х гг., а первые попытки использования их образцов на практике осуществились лишь в 1930-х гг.
Под термином «умное стекло» подразумевается группа хромогенных материалов, придающих стеклу способность изменять свою светопроницаемость в зависимости от воздействия электрического тока и иных внешних факторов. Такое стекло может переходить от полностью прозрачного до светонепроницаемого состояния и, наоборот, с помощью простого включения или выключения. «Умное стекло» также известно под названиями «умные окна» (smart windows), «переключаемое стекло» (switchable glass) или «разумное стекло» (intelligent glass).
Хромогенные материалы (chromogenic materials) обладают способностью изменять свои оптические свойства в ответ на воздействие электрического напряжения, изменение интенсивности светового потока, температуры и иных внешних воздействий. Технологии остекления на их основе получили название «регулируемых» или «умных» технологий (chromo-genic smart technologies).
Особым видом материалов, относящихся к «умным», являются так называемые регулируемые хро-могенные материалы, которые можно использовать для свето- и терморегулированного остекления зданий, автомобилей, самолетов и т.д., а также применять в различного рода индикаторных устройствах.
К таким регулируемым хромогенным материалам относятся:
• электрохромные материалы (electrochromic materials) неорганического и органического происхождения;
• жидкокристаллические материалы (liquid crystals);
• так называемые «взвешенные частицы» (suspended particles);
• термотропные материалы (thermotropics);
• фотохромные материалы (photochromics);
• газохромные материалы (gaschromics). Физические явления, запускающие процесс оптического переключения хромогенных устройств, обычно подразделяют на две категории: приводимые в действие электричеством (так называемые активные) и приводимые в действие непосредственно окружающими условиями (пассивные). С этой точки зрения хромогенные устройства можно классифицировать следующим образом (табл. 1).
Таблица 1
Классификация хромогенных устройств с точки зрения техники переключения оптических свойств
Table 1
Classification of chromogenic devices by optical properties change
Хромогенные устройства
Приводимые в действие с помощью электричества (активные) Приводимые в действие не с помощью электричества (пассивные)
• Электрохромные (EC или electrochromic) • Жидкокристаллические (LC или liquid crystal) • С «взвешенными частицами» (SPD или suspended particle device) • Термотропные (меняют оптические характеристики под воздействием температуры) • Фотохромные (меняют оптические характеристики под воздействием светового потока) • Газохромные (меняют оптические характеристики в газовой среде)
«Умные стекла» обычно классифицируют в соответствии с технологиями их получения, которые, в свою очередь, различаются по тем хромогенным материалам, которые лежат в их основе. Поэтому технологии получения «умных стекол» можно также классифицировать как электрохромные технологии, жидкокристаллические технологии и т.д., т.е в соответствии с данными табл. 1.
Жидкокристаллические технологии ЬС получения «умных окон» основаны на следующих моментах. Очень тонкий слой жидких кристаллов вставляется наподобие сэндвича между двумя прозрачными электрическими проводниками на тонкой пленке, и вся система ламинируется между двумя слоями стекла. При отключенном питании кристаллы ориентированы случайно и беспорядочно; они рассеивают солнечный свет, при этом стекло выглядит тонированным. Такой материал пропускает большую часть падающего света с рассеиванием, но теплопоступле-ние от солнечной радиации остается высоким.
При включении электрическое поле в устройстве задает необходимую ориентацию жидких кристаллов, и стекло становится полностью прозрачным за долю секунды, обеспечивая чистый обзор с обеих сторон стекла. Большинство таких устройств предусматривает только два состояния - прозрачное и тонирующее, а для сохранения их прозрачности необходимо непрерывное электропитание.
Достоинством жидкокристаллических устройств является то, что они не пропускают УФ-излучение. К недостаткам относят невозможность контролирования степени затемнения и необходимость применения специальных добавок и покрытий для контроля света и тепла.
Остекление с «взвешенными частицами» SPD фактически является аналогом жидкокристаллического остекления. Прозрачная пленка с электрическим питанием контактирует с тонким жидкостным слоем, в котором «взвешены» многочисленные микроскопические частицы. При отсутствии напряжения частицы ориен-
тированы хаотично и частично блокируют свет и видимость. Прозрачные электрические проводники позволяют воздействовать на частицы, упорядочивая их и увеличивая прозрачность. Такие стекла могут обладать частичной прозрачностью, а не только крайними состояниями, как жидкокристаллические. Достоинства: мгновенность переключения, точный контроль проходящего света и тепла. Недостатки: для фильтрации УФ-излучения нужны специальные покрытия, а в прозрачном состоянии необходим постоянный ток.
Наиболее перспективные и многообещающие технологии получения «умных стекол» в XXI веке, согласно прогнозам, будут основаны на электрохромных устройствах EC [3], о которых мы поговорим ниже.
Принцип действия электрохромных устройств
Именно тонкопленочные электрохромные устройства EC неорганического и органического происхождения рассматриваются как наиболее перспективный путь создания «умных стекол», способных контролировать потоки солнечного света и тепла в зависимости от изменения состояния окружающей среды.
Потенциал практической реализации и преимущества рабочих характеристик тонкопленочных электрохромных устройств настолько велики, что сделали исследования в этой области одним из самых быстро развивающихся направлений в мировой науке о материалах.
С начала 1970-х интенсивность использования электрохромных материалов во всем мире сильно возросла в связи со значительным расширением областей их практического использования. Это отразилось в лавинообразном появлении на свет большого числа патентов и научно-исследовательских работ, направленных на усовершенствование методик их получения и улучшение рабочих характеристик. Так, например, за последние 20 лет вышли в свет более 1000 патентов и свыше 1500 научных статей, в состав ключевых слов которых входят слова «electro-chromic windows» [4].
Большинство исследований направлено на разработку и изучение материалов изготовления «умных» электрохромных окон. Если же рассматривать эти работы с точки зрения практической реализации полученных результатов, то, как правило, многие из них заканчиваются лишь наработкой небольшого количества лабораторных образцов «умного стекла». В лучшем случае - разработкой опытного производственного стенда, и уж совсем редко - созданием пилотной установки для отработки разрабатываемой технологии в условиях, приближенных к условиям полупромышленной эксплуатации, не говоря уже о полномасштабном промышленном производстве. К сожалению, приходится констатировать, что в настоящий момент мировой рынок «умных стекол» пока еще представлен весьма ограниченным числом оригинальных разработок, ориентированных на промышленное производство.
Феномен электрохромных материалов заключается в обратимых изменениях их оптических свойств от прозрачного до окрашенного состояния, когда заданный материал подвергается воздействию приложенного электрического поля или напряжения.
Для типового электрохромного устройства верхний предел пропускания видимой области спектра составляет 70-50%, пропускание в полностью окрашенном состоянии - 25-10%. Коэффициент пропускания, характерный для электрохромных устройств, равняется 0,67-0,60 в обесцвеченном состоянии и 0,30-0,18 в полностью окрашенном. Достоинством устройства является то, что оно не пропускает УФ-излучение, точно контролирует проходящий свет и тепло, имеет три состояния (цветное, прозрачное и полупрозрачное) и обеспечивает точный контроль степени прозрачности. Ток здесь необходим только для переключения рабочих состояний.
Схематический вид типового электрохромного «умного окна» и его спектральные характеристики представлены на рис. 1 [5], а рабочие характеристики электрохромного устройства приведены в табл. 2.
-Общий спектр АМ 1.5
ГЦ .....Спектр пропускания
I Ч сквозь осветленное ЕС
I \ окно
I 1 ---Спектр пропускания
I : " \ и сквозь окрашенное ЕС | : \ . | Л а окно
1000 1400
Длина волны, им
Рис. 1. Схематический вид (а) и спектральные характеристики (b) типичного электрохромного окна Fig. 1. Schematic diagram of an electrochromic smart window (a); spectral characteristics (b) of a typical electrochromic window
a
в
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Таблица 2
Рабочие характеристики электрохромного устройства
Table 2
Characteristics of electrochromic devices in operation
Преимущества использования электрохромных окон и стеклопакетов:
• Терморегулирование и энергосбережение.
Среднее окно состоит на 95% из стекла и на 5%
из профиля (пластик, дерево, алюминий). Способность окна защищать от жары и холода на 95% зависит от характеристик используемого стекла.
Компьютерное моделирование использования электрохромных окон показало, что они позволяют:
- сократить расходы на кондиционирование;
- снизить пиковые нагрузки в сети;
- уменьшить затраты на освещение (в сравнении с тонированным стеклом);
- убрать эффект холодных стен (из окна не дует), на окне нет конденсата;
- сократить расходы на отопление.
Электрохромные окна потребляют не более 2 Вт/м2,
что в 37 раз меньше потребления электрической лампочки (75 Вт).
• Защита от шума. Звукоизоляция электрохромных стеклопакетов на 23-30% выше, чем у обычных стеклопакетов.
Снижение шума потока городского транспорта при применении
- обычного однокамерного стеклопакета - 25-28 дБ;
- электрохромного однокамерного стеклопакета -34-37 дБ.
• Комфортность и повышенная работоспособность. Электрохромные окна повышают работоспособность за счет терморегулирования и устранения бликов. Во время жары синий цвет затемнения идеален, так как вызывает чувство прохлады и покоя.
• Защита от УФ-излучения. В любом состоянии эксплуатации электрохромные окна не пропускают ультрафиолетового излучения, что защищает мебель, картины, обои и т. д. от выгорания и порчи.
• Безопасность эксплуатации. Электрохромные окна не таят в себе потенциальную опасность, обыч-
но связанную с электрическим током и высоким напряжением. Они работают от напряжения около 2 В и не опаснее обычной «пальчиковой» батарейки.
• Устойчивость к разрушению. Электрохромные окна отличаются повышенной прочностью, что позволяет устанавливать их в детской, спортивном зале или в мансарде. Это качество также помогает в случае возникновения различного рода природных катаклизмов, техногенных катастроф и пр.
• Простота конструкции. В электрохромный стеклопакет встроен электронный преобразователь, рассчитанный на необходимое напряжение. Внешне электрохромный стеклопакет отличается от обычного только наличием двух проводов, которые нужно подключить к электросети и снабдить выключателем.
Конкурентные преимущества наноструктурированных гибких электрохромных панелей
В НТЦ «ТАТА» осуществляется разработка макета солнцезащитных энергосберегающих высокоэффективных гибких электрохромных панелей, позволяющих уменьшить потери энергии на кондиционирование зданий и салонов транспортных средств, на основе исследования зависимостей электрохромных свойств проводящего полимерного нанокомпозита от его структуры, влияния технологических параметров процесса ионно-стимулированного осаждения на структуру и оптико-физические свойства прозрачных полупроводниковых наноразмерных оксидных покрытий.
В настоящее время в дизайне архитектурных строений и транспортных средств прослеживается явная тенденция к увеличению площади остекления.
Однако увеличение площади остекления приводит к повышению потока солнечной радиации, попадающего внутрь помещения, что неизбежно ведет к повышению температуры, а следовательно, к возрастанию расходов на кондиционирование. Использование тонированных затемненных стекол частично решает эту задачу, но тогда увеличиваются затраты на освещение помещений в условиях малого светового потока.
Решение проблемы состоит в использовании адаптивных светорегулирующих электрохромных стекол, которые в солнечный день затемняются, а вечером, при малом уровне освещенности, становятся прозрачными. Экспертные оценки показывают, что использование электрохромного остекления в современных архитектурных конструкциях может привести к экономии до 40% энергии, которая тратится на кондиционирование и освещение помещений. Кроме того, использование таких стекол позволяет увеличить производительность труда на 25% за счет создания комфортных условий в офисном помещении в жаркий солнечный день.
Использование адаптивного остекления в конструкции транспортных средств позволит снизить на 18-30% мощность устройств кондиционирования и
№ п/п Характеристика Значение
1 Оптическое пропускание, % 1,0-S0
2 Включающее напряжение, В 0,5-3,0
3 Время включения, с 0,1-60
4 Память сохранения, ч 1-24
5 Циклы включения 10000-500000
б Предполагаемый срок службы, лет до 20
7 Рабочая температура, ° С -30 - +70
S Общая толщина покрытия, ^ ~ 2
увеличит безопасность передвижения за счет создания комфортных условий для пассажиров и работы экипажа.
Предполагается, что светорегулирующая система в относительно дешевых многослойных светорегу-лирующих энергосберегающих электрохромных панелях на основе гибких полимерных пленок, которые разрабатываются в НТЦ «ТАТА», будет крепиться к уже существующему остеклению с помощью прозрачного клеевого слоя или специальных зажимов, что обеспечит быструю замену вышедшего из строя элемента.
Разработке электрохромных полимерных гибких панелей, которые можно крепить к уже эксплуатируемому стеклу, в последнее время стало уделяться большое внимание исследователей. Немаловажным является тот факт, что стоимость гибких электро-хромных конструкций, согласно предварительным оценкам, в 4 раза меньше по сравнению с выпускаемыми в настоящий момент электрохромными окнами.
Схематический вид наноструктурированных гибких электрохромных панелей приводится на рис. 2.
Рис. 2. Устройство наноструктурированных гибких электрохромных панелей (ЭХП) Fig. 2. Schematic construction of a flexible nanostructural electrochromic panel
Основные технические характеристики стандартных электрохромных гибких полимерных панелей представлены в табл. 3.
Таблица 3
Технические характеристики стандартных электрохромных гибких полимерных панелей
Table 3
Characteristics of a standard flexible polymer electrochromic panel
Наноструктурированные гибкие электрохромные панели, макет которых должен быть разработан в Научно-Техническом Центре «ТАТА», обладают целым рядом конкурентных преимуществ по сравнению как с обычными и тонированными, так и с существующими в настоящий момент электрохромными стеклами.
Преимущества ЭПХ по сравнению с обычными и тонированными стеклами:
• снижение затрат на освещение по сравнению с тонированными стеклами;
• снижение расхода электроэнергии до ~ 40% за счет уменьшения мощности кондиционирования в теплое время года;
• снижение расходов на отопление за счет повышенной теплоизоляции в холодное время года;
• высокая прозрачность (светопропускание ~ 7080%).
№ п/п Характеристика Значение
1 Исходное светопропускание, не менее, % 60-70
2 Светопропускание в окрашенном состоянии, не более, % 10-15
3 Время окрашивания, не более, с 1-10
4 Энергетический коэффициент ослабления солнечной радиации, не менее, раз 2
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Преимущества ЭПХ по сравнению с существующими электрохромными стеклами:
• экономический эффект: «умные стекла» компаний SAGE (США) и TGE (Россия) стоят 12000 руб./м2, а стоимость многослойных электрохромных панелей на основе полимерных пленок, согласно расчетам, оценивается в ~ 3000 руб./м2;
• высокая скорость переключения из прозрачного состояния в затемненное на уровне ~ 1-10 с (обычно такое переключение происходит за 2-15 мин);
• возможность переключения во все цвета радуги (существующие на сегодня электрохромные стекла могут быть только синими, зелеными или бронзовыми);
• длительный срок службы ~ 1200000 циклов (обычно эта величина не превышает 100 000 циклов).
Преимущества практического использования наноструктурированных гибких электрохромных панелей (ЭХП):
• повышенная шумоизоляция (на ~ 23-30% выше по сравнению с обычными стеклопакетами);
• контроль степени затемнения ЭХП;
• устранение бликов и терморегуляция способствуют созданию комфортных условий для людей и повышению их работоспособности;
• защита мебели, обоев, картин и т.д. от выгорания благодаря фильтрации ультрафиолетового излучения;
• повышенная прочность гибкой панельной конструкции гарантирует безопасность при ее эксплуатации;
• возможность переключения ЭХП в небесно-голубой цвет позволяет использовать их для создания самолетов-невидимок;
• использование гибких ЭХП для хладодержащих емкостей дает возможность при необходимости достигать полного испарения охлаждаемой жидкости при переключении в режим прозрачности.
Области практического использования «умного остекления»
Рыночный потенциал изделий из «умных стекол» очень велик. Уже в настоящее время они стали достаточно активно использоваться в различных отраслях промышленности (рис. 3), при этом сферы их практического применения постоянно развиваются и расширяются.
Автомобилестроение
Области применения «умного стекла»
Электроника
Энергетика
Товары народного потребления
Рис. 3. Основные области применения «умного стекла» Fig. 3. Major applications of smart glass
Архитектура и строительство. Именно архитектурное и строительное применение «умного» остекления оказало наибольшее влияние на интенсивность научных исследований и разработок в изучаемой области. Грамотное остекление и регулирование потока солнечной энергии, проникающего в здания, позволяет создавать комфортные условия пребывания в помещении, способствует уменьшению потребления электрической энергии, имеет немаловажное значение и в наружном дизайнерском оформлении зданий с эстетической точки зрения.
Похоже на то, что в скором времени, согласно прогнозам, применение электрохромного остекления в архитектуре приведет к практически полной замене традиционных стеклянных и даже пластиковых окон
на электрохромные конструкции, которые смогут самостоятельно регулировать не только уровень освещенности в помещении, но и температурные параметры.
Объектами применения «умного остекления» в строительстве могут стать как офисные и административные здания, так и жилые и общественные сооружения. При этом речь идет как о внешнем интерьере этих строений (окна, двери, мансардные окна, витражи, витрины), так и о внутренних устройствах помещений (межкомнатные перегородки, перегородки в душевых и ванных комнатах, перегородки между рабочими местами и пр.).
Автомобильная промышленность. Здесь элек-трохромные материалы активно применяются при
изготовлении автомобильных стекол, автомобильных люков, зеркал заднего вида (внутренних и наружных) и различных внутренних перегородок.
Электрохромные материалы довольно часто и успешно используются в производстве противоблико-вых автомобильных зеркал. В середине 2000-х годов ежегодный объем мировых продаж таких регулируемых зеркал оценивался в 300 миллионов долларов, что составило приблизительно 10% от продаж общего рынка автомобильных зеркал.
Электрохромные зеркала в автомобилестроении -это регулируемый тип стекла, который получается с помощью магнетронного напыления в вакууме. Покрытия, нанесенные таким образом, хорошо отражают ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, что позволяет применять их в автомобильной промышленности, где очень важно соблюдать температурные режимы. Противоослепляющее действие электро-хромных зеркал основано на способности некоторых веществ изменять свою прозрачность под действием электрического поля.
Аэрокосмонавтика и авиация. Что касается авиации и аэрокосмонавтики, то эти отрасли крайне заинтересованы в применении электрохромного остекления для возможности контролирования ослепляюще яркого света в кабинах пилотов и непосредственно в салонах самолетов и космических кораблей (иллюминаторы, кабины, перегородки). В частности, компания Boeing объявила, что впредь все салоны своих новых самолетов она планирует оснащать именно регулируемым стеклом. В Boeing 787 Dreamliner уже используются электрохромные окна, которые заменяют заслонки самолетов. NASA также рассматривает возможность использования электро-хромного остекления с целью контролирования и управления температурой в новых космических кораблях Орион и Альтаир.
Гибкие электрохромные панели можно будет также применять и для создания самолетов-невидимок, покрытия которых смогут изменять свой цвет, принимая окраску небесно-голубого фона.
К электрохромным материалам давно проявляется интерес и со стороны военных, которым требуются электрохромные камуфляжные ткани, способные, как хамелеон, изменять свою окраску в зависимости от цветовой гаммы окружающей местности. Ранее для защиты военной техники и личного состава от световой вспышки при гипотетическом ядерном взрыве военные уже применяли электрохромные полимеры.
Кроме того, не следует забывать, что если десять лет назад в 1999 г. мировой парк воздушных судов составлял 13 тысяч, то согласно прогнозам, к 2018 г. эта цифра должна возрасти до 28 тысяч единиц. Необходимо также учитывать и степень изношенности воздушных судов (в течение последующих 20 лет планируется замена около 35% самолетного парка воздушных судов). В связи с этим авиационная промышленность будет заинтересована в больших масштабах остекления, и, скорее всего, для этого потре-
буются стекла нового поколения на основе электро-хромных материалов.
Электроника. Электрохромное остекление успешно применяется на рынке информационных дисплеев, в различных индикаторных устройствах и информационных табло коллективного и общественного пользования. Спектр такого применения обширен: дисплеи компьютерных мониторов, мобильных телефонов, номера маршрутов общественного транспорта, наружная реклама и пр.
Хорошее применение нашло использование гибких электрохромных пленок в так называемых средствах отображения информации. Привлекает простота изготовления гибких дисплеев, когда электро-хромные слои на основе проводящих полимеров можно наносить на стекло методами обычной трафаретной печати. Немаловажную роль играет также небольшое электропотребление и малый вес изделия.
Главным отличием работы электрохромных устройств по сравнению со светоизлучающими и жидкокристаллическими аналогами становится их высокая контрастность, независимость угла обзора от внешней освещенности и широкий диапазон температур.
Энергетика. Здесь применение электрохромных устройств в криогенных энергетических системах позволит усовершенствовать электровакуумную теплоизоляцию, принцип которой был заложен еще в середине XX века.
В наши дни возобновление интереса к электровакуумной теплоизоляции связано, в том числе, и с водородной энергетикой, которая рассматривается как перспектива выхода из энергетического кризиса в связи с ограниченностью мировых запасов нефти и природного газа. Развитие водородной энергетики, в свою очередь, предполагает хранение водорода в больших количествах (в основном в сжиженном состоянии), а для хранения таких больших запасов требуются очень эффективные криогенные резервуары, поверхность которых с целью снижения испаряемости можно будет покрывать полимерной металлизированной электрохромной пленкой. Известно, что испаряемость наиболее эффективных резервуаров обычно составляет 0,08-1% в сутки от общего количества хранящейся криогенной жидкости.
Товары народного потребления. Количество товаров народного потребления на основе электрохромных устройств растет день ото дня. К ним относятся и вышеупомянутые электрохромные дисплеи компьютерных мониторов. С помощью электро-хромных устройств теперь изготовляют дисплеи мобильных телефонов, циферблатов часов и т.п.
Недавно ученые из Университета Вашингтона (University of Washington) разработали и изготовили прототипы светозащитных очков на основе электрохромных полимерных линз. При соответствующей регулировке электронного устройства, встроенного в оправу таких очков, уровень поглощения светового излучения в них может составлять от 55 до 95%. В отличие от хорошо известных очков-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
хамелеонов, самостоятельно темнеющих на ярком свету, «умные очки» (smart sunglasses) делают это по желанию хозяина. При этом напряжение требуется лишь в момент переключения (полный переход от светлых стекол к темным занимает секунду, в обратную сторону - около пары секунд), а в остальное время заряд батарейки не расходуется. Установленный кнопкой желаемый уровень затемнения сохраняется без подвода питания в течение 30 дней; одна же батарейка от часов, вставленная в оправу, обеспечивает тысячу переключений таких «умных очков».
Положение на рынке «умных стекол»
Основные компании по разработке, производству и поставкам «умного стекла»
Первые коммерчески успешные проекты по выработке и продаже конечной продукции были реализованы на рынке «умного стекла» лишь в последнем десятилетии. При этом дело, как правило, заканчивалось не созданием крупномасштабных производств, а серийным выпуском прототипов готовой продукции, предназначенных не только для продажи конкретным покупателям, но и для рекламных инсталляций с целью продемонстрировать рыночную привлекательность этой новой продукции.
Следует различать компании, где собственно были разработаны и коммерциализированы технологии получения «умных стекол» (патентовладельцев технологий), число которых очень мало, и компании, закупившие у них лицензии и производящие конечную товарную продукцию по этим технологиям (их на рынке значительно больше). Как правило, эти компании работают в тесном сотрудничестве, часто организовывая совместные предприятия и целые корпорации, имеющие многочисленные географически разбросанные филиалы.
Анализ собранной технико-коммерческой информации показал, что самым крупным игроком на формирующемся мировом рынке производителей «умных» окон в настоящее время является американская компания SAGE, которая, по всей видимости, пока остается единственным разработчиком и производителем электрохромных окон на американском рынке.
В последние годы на мировом рынке «умного стекла» наблюдается острая конкуренция за лидерство в разработке и создании окон именно по электро-хромной технологии. Так, если к концу 2000 г. компания SAGE владела лишь 9 патентами в этой области исследований, то в целом по миру имелось уже около 1800 патентов по аналогичной тематике, из них держательницей 1500 патентов была Япония.
Помимо США и Японии, попытками разработки электрохромных технологий в настоящий момент занимаются в странах Европы, Юго-Восточной Азии, а также в Австралии и в России. Например, не так давно ученые из Monash University (Австралия) в рамках выполнения пятигодичного проекта в разме-
ре 3 млн долларов ударными темпами осуществляли разработку энергетически эффективных «умных» окон. Под эгидой Australian Science and Technology Administration по результатам этих исследований в стране намечался запуск серийного производства продукции.
Россию на рынке электрохромных окон представляет единственная компания TechnoGlass Engineering (TGE), выпускающая электрохромные устройства под названием TGE-Electrochrome по собственной запатентованной технологии.
Американская компания Research Frontiers Inc., в отличие от электрохромной технологии, специализируется на разработке и промышленном внедрении технологии производства «умных стекол» на основе «взвешенных частиц» SPD торговой марки SPD-SmartGlass™ (контроль солнечной энергии) и LC-SmartGlass™ (обеспечение конфиденциальности). Технология SPD в достаточной степени растиражирована и успешно применяется на практике различными компаниями после приобретения соответствующих лицензий.
Следует упомянуть и международную компанию Gentex Corporation, которая разрабатывает, производит и продает на рынке свою собственную электрооптическую продукцию, включая автоматически затемняемые электрохромные автомобильные зеркала заднего вида под торговой маркой Night Vision Safety™ Доход от продаж таких зеркал составляет около 92% от общего дохода компании.
Что касается компаний, являющихся продуцентами (по закупленным лицензиям) и поставщиками «умного стекла» на рынок, то можно отметить такие известные компании, как международная компания SmartGlass International Inc. (SGI), которая, начиная с 2008 г., уже осуществила продажи «умных стекол» в 37 стран по всему миру и продолжает расширять сферы своего влияния; компания Flabeg GmbH (Германия), являющаяся лидирующим поставщиком на мировом рынке автомобильных электрохромных зеркал, а также зеркал для солнечных батарей и солнечных электростанций (около 100% ныне существующих установок по использованию солнечной энергии оснащены электрохромными зеркалами Flabeg); международная технологическая группа SCHOTT Glass Group; Nippon Sheet Glass Co. Ltd. (NSG) (Япония); Saint-Gobian SA (Франция); Innovative Glass Corp. (США) и ряд других.
Ниже приводятся более подробные сведения о деятельности компаний SAGE (США) и TechnoGlass Engineering (Россия).
Sun Active Glass Electrochromics, Inc (SAGE). Компания создана в 1990 г. в США (Piscataway, New Jersey), была очень маленькой и специализировалась на разработке стеклянных покрытий [6]. Годом позже было организовано совместное предприятие с компанией 3M Corporation и группой ученых из Rutgers University's Center for Ceramic Research. Это совместное предприятие получило грант по про-
грамме ATP (Advanced Technology Program) от National Institute of Standards and Technology, NIST, Gaithersburg, MD (USA) на выполнение проекта по разработке передовых электрохромных материалов и процессов их получения.
До получения гранта наработка электрохромных материалов осуществлялась лишь в лабораторных масштабах. Поскольку площадь получаемых в таких условиях образцов стекла не превышала 2 кв. дюймов, то не представлялось возможным хорошо изучить электрохромные свойства таких крошечных образцов.
Выделение гранта АТР значительно интенсифицировало научно-исследовательскую деятельность компании SAGE, что позволило ей достичь больших результатов. К моменту окончания проекта компания SAGE уже могла производить прототипы «умных окон» с размерами на уровне 1 кв. фута. Прототипы полученных образцов SAGE успешно прошли независимое тестирование в Национальной лаборатории возобновляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory) и в Berkley National Laboratory. Это послужило основой для создания новой патентоспособной технологии, а в дальнейшем обеспечило устойчивый спрос на производимые компанией «умные окна» со стороны архитектурного рынка, продолжающийся до сих пор.
По окончании проекта компания SAGE была готова приступить к выполнению следующего этапа: масштабированию своих образцов до полноразмерных электрохромных окон с целью их применения при строительстве жилых, офисных и общественных помещений. Начиная с 1998 г., SAGE стала заключать договоры с ведущими производителями, распространителями и установщиками высококачественных стекол на американском архитектурном рынке (речь идет об известных компаниях Apogee, Viracon, Honeywell, Velux, Pella and Four Seasons Solar Products Corp., Solarex и ряде других). Была успешно запущена пилотная установка по производству «умных» окон, включающая промышленные системы для покрытий стекла, на которой стали серийно производиться переключаемые окна большого размера с площадью до пяти кв. футов. С конца 2002 г. SAGE в содружестве с рядом вышеупомянутых компаний приступила уже практически к полномасштабному производству «умных» окон.
Суть технологии SAGE заключается в следующем. Электрохромные окна SAGE состоят из серии тонких проводящих слоев, которые меняют свои оптические свойства под действием электрического тока. Каждый из этих слоев тоньше листа бумаги, а вместе они обеспечивают перенос электронов и ионов. Один слой пленки (бесцветный оксид лития) действует как отрицательный электрод. Когда подается электрический ток, ионы лития начинают переноситься с положительного электрода к отрицательному. Путем химического переноса ионов оксид вольфрама превращается в вольфрамат лития (свето-адсорбирующее серо-голубое соединение). Чем
дольше прикладывается электрический ток, тем большее количество ионов переносится и тем более темным становится стекло. В ходе протекания процесса керамические тонкопленочные слои, содержащие электроды, путем вакуумного нанесения с большой точностью осаждаются прямо на бесцветном субстрате. Затем полученное таким образом многослойное электрохромное устройство устанавливается в традиционную стеклянную раму. Проводящие слои соединяются с электрической подводкой, контролируемой с помощью выключателя. Этот выключатель позволяет части ионов (т.е. какому-то количеству света), проходя через электрохромную пленку, обеспечивать требуемый для потребителя уровень света и тепла. Степень затемнения стекла контролируется простым включением или выключением кнопки либо автоматической системой, запускаемой в действие с помощью сенсоров или иных устройств.
Департамент энергии США (Department of Energy, DOE) в 2007 г. выделил компании SAGE финансовый кредит в размере 65 млн долларов на строительство нового завода компании по производству «умных стекол». Конечно, вливания со стороны Department of Energy не смогут покрыть стоимость нового завода, однако часть из них вложится в производство, а другая пойдет на активизацию деятельности компании на международных рынках, на разработку новых продуктов, развитие производства, продажи и маркетинг. В том же 2007 г. группа инвесторов (Good Energies, Applied Ventures и Bekaert) также выделила SAGE 16 млн долларов на развитие производства.
Кредит от Department of Energy, безусловно, станет наиболее крупным вложением в создание нового производства. Пока еще не раскрывается, насколько большим будет новый завод, однако полагают, что его стоимость составит около 120 млн долларов. Компания все еще не определилась с его месторасположением, при этом очевидно, что он будет построен непосредственно в США. В 2009 г. был подписан контракт с фирмой, занимающейся подборкой строительных площадок для новых объектов, что поможет в решении вопроса об окончательном выборе места строительства.
TechnoGlass Engineering. Наша отечественная компания TechnoGlass Engineering является единственным российским представителем на рынке элек-трохромных устройств.
Компания начала свою исследовательскую работу еще в 1975 г., а с конца 1990-х занимается разработкой органических электрохромных материалов и технологий их получения. В результате проведенных исследований было разработано и запатентовано в России (2000 г.) и ряде других стран (2002 г.) электрохромное устройство TGE-Electrochrom, обеспечивающее изменение освещенности стекол под воздействием электрического тока, и способ его изготовления, основанный на технологии с использованием органических электрохромных материа-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
лов [7]. В июне 2003 г. в компании был создан первый коммерческий продукт - электрохромное окно для архитектурного и строительного рынка.
В простейшем виде устройства TGE-Electro-chrom представляют собой два скрепленных по периметру оптически прозрачных электрода (два стекла с покрытием и две пленки). Межэлектродное пространство в устройстве заполняется активной электрохромной композицией. Принцип действия таков: при подаче постоянного тока низкого напряжения (до 2 В) происходит электролиз, в результате чего прозрачные анодная и катодная компоненты электрохромной композиции приобретают окраску и светопропускание композиции (а значит, и всего TGE-Electrochrom устройства) в целом снижается.
В 2004 г. с целью коммерциализации разработанной технологии была создана компания ООО «Электрохромные окна», наладившая мелкосерийный выпуск «умных» окон, благодаря чему на российский рынок был выпущен новый продукт -электрохромные окна TGE.
В настоящее время компания TechnoGlass Engineering на основе своей технологии TGE-Electrochrom выпускает на рынок триплекс с регулируемым светопропусканием под торговой маркой «Электрохромное стекло TGE». Основа изобретения - использование активного полимерного слоя внутри триплекса при производстве стекла TGE. В его структуре содержится целый комплекс органических соединений, который специально подобран для улучшения рабочих характеристик. Изменяя состав активного слоя, можно достичь семи различных оттенков синего цвета, а присутствующие в стекле органические соединения нетоксичны и безопасны для человека и домашних животных. Партнером «TechnoGlass Engineering» по изготовлению и выпуску оконных конструкций со стеклами и стеклопакетами TGE является российская производственная компания «Абсолют».
Преимущества электрохромной технологии TGE:
• электрохромные поверхности большого размера и любой формы, поскольку природа электро-хромного слоя TGE позволяет производить большие электрохромные поверхности (до 2x1 м) разнообразной формы;
• стабильные цветовые характеристики;
• широкий диапазон рабочих температур (-20 -+60° С), благодаря чему технология идеально подходит для наружного применения;
• широкий диапазон пропускания света: 79-2% (до 1% для непрозрачного стекла);
• высокая устойчивость к ультрафиолетовому облучению (остекление внешних фасадов);
• низкое рабочее напряжение: до 2 В, что важно при использовании в автомобилях;
• в выключенном состоянии стекло прозрачное, т.е. при отсутствии электропитания стекло не затемняется, что является проблемой для продукции по другим технологиям;
• в стекло TGE можно вставить любой логотип или картинку, которые становятся видными во включенном состоянии;
• высокая контрастность под любым углом зрения и при любом уровне освещенности.
На основе технологии TGE-Electrochrom можно производить архитектурное и автомобильное остекление с регулируемым светопропусканием, зеркала транспортных средств (уменьшение негативного воздействия ослепляющего эффекта), элементы остекления самолетов, вертолетов, космических кораблей, морских судов и пр.
Масштабы, динамика и прогноз развития рынка
«Умное стекло» относится к стеклам нового поколения, и его можно рассматривать с точки зрения принадлежности к рынку обычного плоского стекла в целом, частью которого оно, собственно, и является.
В 1998 г. рынок плоского стекла (flat glass) в Северной Америке распределялся по областям применения следующим образом: 55% - строительство и архитектура, 28% - автомобилестроение, 17% - прочее.
Производство стекла в целом по миру в 2004 г. составляло 4,1 млрд кв. метров и приблизительно оценивалось в 40 млрд долларов. Территориально наиболее крупные производители стекла были в то время сосредоточены в Азии (1,76 млрд кв. м), Северной и Южной Америке (972 млн кв. м) и Европе (906 млн кв. м).
Мировой спрос на стекло в 2005 г. по областям применения распределился следующим образом: строительный рынок - 59,3%; транспортный рынок в целом - 26,5%; рынок специального стекла - 14,2%.
В табл. 4 представлено распределение мирового спроса на плоское стекло по различным странам и регионам в 2005 и 2007 гг.
В 2007 г. мировое производство плоского стекла оценивалось в 5,5 млрд м2 (~ 56,3 млрд кв. футов). Из этого количества приблизительно 44 млн т (~ 4,4 млрд м2) приходилось на стекло толщиной в 4 мм.
За достаточно небольшой промежуток времени на рынке произошли серьезные изменения: в мировые лидеры выбился Китай, который теперь стал представлять самый большой рынок стекла в мире (34% мирового рынка стекла в целом в 2007 г. против 18,2% в 2005 г.).
Из данных табл. 4 следует, что в сумме доля Китая, Европы и Северной Америки в мировом спросе на стекло в 2007 г. составляла около 80% [8].
Если говорить о среднегодовом потреблении стекла на душу населения, то в целом по миру он составляет 6 кг, хотя по регионам этот показатель сильно различается. Так, если в Индии в среднем приходится менее 1 кг стекла на душу населения в год, то в Западной Европе эта величина достигает 18 кг (Китай пока находится на уровне 11 кг).
Таблица 4
Региональное распределение мирового спроса на плоское стекло в 2005 и 2007 гг.
Table 4
Global flat glass demand by region
2005 г. 2007 г.
Страна/Регион % Страна/Регион %
Северная Америка 25,8 Китай 34
Западная Европа 23,6 Западная Европа 17
Китай 18,2 Северная Америка (с Мексикой) 14
Япония 8,8 Азиатско-Тихоокеанский регион 14
Другие 23,4 Восточная Европа 6
Центральная Европа 5
Южная Америка 4
Ближний Восток 3
Турция 2
Африка 1
Итого: 100 Итого: 100
В 2008 г. мировое производство стекла увеличилось до 6,1 млрд м2 (~ 65,7 млрд кв. футов), что соответствовало скорости среднегодового роста в 5,2% [9].
На рис. 4 представлена динамика мирового спроса на плоское стекло и прогноз развития в период 2000-2015 гг.
Согласно прогнозам, спрос на плоское стекло на мировом рынке с 2005 г. по 2015 г. должен возрасти на 53%.
Наряду с развитием мирового рынка обычного стекла расширяется и рынок «умного стекла», на котором ведущие компании по его разработке и производству чувствуют себя весьма уверенно. Поставляемое ими на мировой рынок стекол «умное стекло» представляет собой одну из разновидностей стекол нового поколения.
Рис. 4. Динамика мирового спроса на плоское стекло и прогноз развития в период 2000-2015 гг. (по материалам Research Frontiers Inc.) Fig. 4. World smart glass demand (2000-2015) (Research Frontiers Inc.)
Стекла нового поколения (advanced glass) на мировом рынке представлены следующими категориями:
• стекла для защиты и безопасности (safety and security glass);
• стекла, контролирующие солнечную энергию, т.е. «умные стекла» (smart glass);
• другие виды стекла, например самоочищающееся стекло (self-cleaning glass).
В самое ближайшее время в целом по миру будет наблюдаться чрезвычайно высокий рост спроса на стекла нового поколения.
На рис. 5 отражена динамика спроса на рынке США на стекла нового поколения и прогноз развития до 2015 г.
Согласно прогнозам, в период с 2005 по 2015 г. спрос на стекла нового поколения на рынке США вырастет на 72%.
Рис. 5. Динамика спроса на рынке США на стекла нового поколения и прогноз развития до 2015 г. (по материалам Research Frontiers Inc.) Fig. 5. US advanced glass demand (1995-2015) (Research Frontiers Inc.)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Рис. 6. Динамика спроса на «умные стекла» на рынке США и прогноз развития до 2015 г. (по материалам Research Frontiers Inc.) Fig. 6. US demand for smart glass (1995-2015) (Research Frontiers Inc.)
Динамика спроса на «умные стекла» на рынке США и прогноз развития до 2015 г. даны на рис. 6.
Ожидается, что спрос на «умное стекло» в США будет расти приблизительно со скоростью 16% в год и в 2010 г. достигнет значения в 795 млн долларов. Если же рассматривать период 2005-2015 гг., то спрос на него в 2015 г. по сравнению с 2005 г., согласно прогнозам, должен возрасти на 250% (!!!), что, конечно, впечатляет.
Таким образом, согласно прогнозам, в период с 2005 по 2015 г. будет наблюдаться следующее увеличение спроса на различные виды стекла: на плоское стекло в целом по миру - 53%; на стекла нового поколения на рынке США - 72%; на «умное стекло» на рынке США - 250%.
Что касается ценовой политики, то технологии по получению «умного стекла» до сих пор относят к высокостоимостным технологиям, что, пожалуй, остается одним из основных препятствий на пути продвижения этих технологий на рынок.
Проблема по снижению стоимости стоит и перед основными игроками, уже действующими на рынке «умных стекол». Ею занимаются специальные рабочие группы и даже целые подразделения, задачей которых является модернизация технологий с точки зрения не только улучшения качества производимой продукции, но и снижения ее стоимости.
Не стоит забывать, что в принципе стоимость любой продукции зависит от масштабов производства и производственных издержек. Снижение стоимости электрохромных изделий станет ощутимым, когда их производство приобретет массовый крупномасштабный характер, чего в настоящий момент пока не наблюдается. В качестве примера можно привести тот факт, что еще в 2002 г., согласно прогнозам Министерства энергетики США, должен был начаться промышленный выпуск большеформатных электрохромных стекол, стоимость которых в случае их массового производства не должна была превышать 15-20 долларов за кв. метр.
Данные о стоимости электрохромных изделий, почерпнутые из разных источников, заметно различаются, при этом они сильно зависят от особенностей тех региональных рынков, на которых эти изделия продаются. Известно, что на российском рынке стоимость электрохромных окон как зарубежного, так и отечественного производства составляет приблизительно 12 тыс. руб./м2. Согласно предварительной оценке, в случае организации отечественного производства по выпуску многослойных электро-хромных панелей на основе полимерных пленок их цена может быть снижена до ~ 3 тыс. руб./м2.
Экономическая эффективность и ограничения в использовании «умных стекол»
В целом рынок «умного стекла» еще чрезвычайно молод и находится на ранней стадии своего становления и развития. На нем практически отсутствуют крупномасштабные производства, поставленные на поток.
В основном речь идет о разработке мелкосерийных прототипов электрохромных устройств по индивидуальным заказам со стороны потребителей этой продукции. Такие прототипы часто служат демонстрационной моделью для привлечения внимания со стороны потенциальных заказчиков продукции. Немаловажную роль здесь играет и грамотная маркетинговая политика компаний по рекламированию, распространению и поставкам указанных товаров на рынок. Прежде чем новые товары в лице «умных стекол» поступят в серийное производство, они должны пройти целый ряд серьезных проверок и испытаний.
Что касается выхода на рынок нового товара в виде «умных» архитектурных окон, то в самое ближайшее время они, по всей видимости, смогут привести даже к массовой замене окон из обычного стекла.
Начальные исследования показали, что «умные окна» принесут значительную выгоду для общественных и жилых помещений с точки зрения энергосбережения, поскольку именно расходы на освещение, охлаждения и обогрев составляют значительную часть эксплуатационных расходов. Расширяя использование дневного освещения и снижая нагрузку по холоду и теплу, они не только снизят годовые расходы энергии, но и уменьшат расходы на пиковую нагрузку электрических сетей.
Согласно данным аналитических оценок, такая полномасштабная замена может снизить пик нагрузки по освещению, обогреву и охлаждению по сравнению с высококачественными стеклянными окнами на уровне 60% (если же сравнивать с однослойными стеклянными окнами, то снижение составит до 85%). В зависимости от окружающей среды «умные» элек-трохромные окна позволяют уменьшить трансмиссию света и тепла в диапазоне от 30 до 96%.
Американские экономисты подсчитали, что использование даже не очень совершенных «умных» окон, созданных еще на ранних стадиях их разработки, в тех климатических районах США, где строятся здания с интенсивным охлаждением, приведет к экономии в 0,21 доллара на кв. фут при стоимости электроэнергии в 0,08 долл./кВтчас. Таким образом, для административных зданий среднего размера (около 100 кв. футов), где оконное остекление занимает 60% внешней поверхности здания, замена на «умные» окна даст экономию порядка 21 тыс. долл. в год. С учетом продолжительности жизни таких окон на уровне 25 лет, экономия может составить 365 тыс. долл.
Стоимостный анализ, включающий прямые энергетические расходы, начальные инвестиции в охлаждение и экономию освещения, показал, что установка «умных» окон при их начальной стоимости в 161 долл./м2 окупит себя менее чем за 4 года.
Недавние исследования, проведенные American Society of Heating, Refrigeration and Airconditioning Engineers (ASHRAE), показали, что электрохромные окна могут обеспечить энергетическую эффективность, сравнимую с функционированием высокоизолированных стен. Результаты исследований для зданий, расположенных в жарких климатических районах, свидетельствуют, что «умные» окна значительно снижают тепло- и энергетические затраты на охлаждение. Испытания ASHRAE позволили также обнаружить, что могут значительно уменьшиться расходы на освещение, поскольку «умные» окна при обесцвечивании пропускают в помещение больше света, чем обычные окна.
В климатических областях, требующих обогрева зданий, «умные» окна могут повысить вклад солнечного тепла по сравнению со стандартными окнами, уменьшая стоимость обогрева зимой и охлаждения летом. В США, например, энергетические потери через окна зданий оцениваются в ~ 20 млрд долларов в год, что составляет более 5% от общего потребления энергии в год.
В целом полная замена окон в офисных зданиях на «умные» может обеспечить экономию энергии от 11,5 до 22,5 млрд долл. в год. Несмотря на то, что такая замена в ближайшее время явно не произойдет, «умные» окна должны оказать значительное воздействие на оконный и энергетический мировые рынки, поскольку представляют собой высокоэкономичный коммерческий продукт, пользующийся растущим спросом. Кроме снижения расходов энергопотребления, не следует забывать и о том, что солнечный свет является важным фактором в жизнедеятельности человека: он может поднять производительность труда, уменьшить ошибки в работе и сократить дни вынужденного простоя по болезни.
Согласно оценкам специалистов National Institute of Standards and Technology (США), применение «умных» окон снижает расход энергии при строительстве зданий на 30-40% (по другим оценкам, до 50%),
при этом электрохромные окна обеспечивают такую гибкость контроля светового потока и тепла, которые не могут предоставить фотохромные или термо-хромные окна.
Перспективы развития и использования электро-хромных технологий в различных отраслях мировой экономики очень велики. Согласно прогнозам экспертов рынка, уже в ближайшие пять лет может начаться широкомасштабная коммерциализация производства электрохромных окон, при этом будут разрабатываться инновационные технологии их промышленного получения, которые позволят устранить даже малейшие дефекты, возникающие в электро-хромных слоях.
При разработке электрохромных устройств различного назначения возникают большие проблемы, связанные с масштабированием и получением их более крупных образцов. Проблемы эти связаны с тем, что с увеличением размеров электрохромных устройств обычно происходит более замедленное и неравномерное переключение между просветленным и затемненным состоянием (этот эффект известен под названием «эффекта радужной оболочки»). В настоящий момент предпринимаются различные попытки для обеспечения более равномерного переключения и окрашивания «умных стекол» по упрощенной схеме.
Отметим, что установка электрохромных окон более сложна по сравнению с традиционными окнами, поскольку требует определенных навыков техники монтажа и специального подвода электрического тока, то есть установщикам таких окон потребуется некоторое время для приобретения должного опыта.
Стоит также обратить внимание и на стоимость электрохромного остекления, которая в настоящее время продолжает оставаться довольно высокой. Правда, благодаря усилиям разработчиков, электро-хромные технологии постоянно совершенствуются, что должно сказаться и на снижении стоимости конечной продукции.
Как правило, маленьким и среднего размера компаниям, занимающимся разработкой технологий получения электрохромной продукции, не хватает собственных средств на проведение научных исследований на соответствующем уровне, тестирование прототипов своей продукции (не говоря уже об организации полномасштабных производств), рекламу и пр., что способствовало бы выходу продукции на рынок.
В любом случае для поддержки инновационных проектов, направленных на получение коммерчески-ориентированной энергосберегающей продукции, необходимы финансовые вливания со стороны соответствующих государственных структур и частного капитала, что сейчас, благодаря приведению в действие специальных государственных программ и фондов, происходит во многих развитых странах.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Заключение
Проведенные исследования по изучению положения на мировом и российском рынках «умного стекла» показали, что эти рынки еще очень молоды и находятся в стадии своего становления. Тем не менее, они уже активно и успешно функционируют и, что самое главное, имеют большие перспективы развития.
Возможно, сейчас еще рано говорить о конкурентоспособности разрабатываемых в НТЦ «ТАТА» гибких электрохромных конструкций, однако уже прослеживаются явные конкурентные преимущества такой коммерчески-ориентированной продукции, с которой можно и должно выходить на российский, а в дальнейшем и на мировой рынок «умного стекла». Масштабы практического использования ожидаемых результатов проводимых исследований трудно переоценить. Гибкие энергосберегающие электрохромные панели разрабатываемого типа смогут применяться для придания солнцезащитных и теплозащитных свойств остеклению любого размера и различного назначения (жилые и административные здания, транспортные средства и т.п.).
Список литературы
1. Кузык Б.Н. Вызов XXI века: энергоэкологический кризис и альтернативная энергетика // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2008. № 10. С. 10-25.
2. 2008 Clean Technology Proceeding, June 1-5, 2008. Hynes Convention Center, Boston, Massachusetts, USA. P. 201-204.
3. Carmody J., Selkowitz S., Heschong L. Residential windows: a guide to new technologies and energy performance. New York, 2000.
4. Pavlicka A. Development of electrochromic devices // Recent Patents on Nanotechnology. 2009. Vol. 3, No. 3. P. 177-181.
5. Satyen K. Deb. Photovoltaic-integrated electrochromic device for smart-window applications. NPEL. World Renewable Energy Congress VI, Brighton, UK, July 1-7, 2000.
6. Smart-window technology. Sage and 3M Corporation. http://statusreports.atp.nist.gov
7. http://www.tge.ru
8. AGC Flat Glass Group: Glass Market. http://www.agc-flatglass.com
9. The smart glass industry: advanced light-control for global mass markets // Research Frontiers Inc., September 13, 2007. http://www.SmartGlass.com
МЕЖДУНАРОДНАЯ ОТРАСЛЕВАЯ ВЫСТАВКА ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ, МОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ЭНЕРГИИ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МОБИЛЬНОСТИ MOBILITEC 2010
М obi Li Тес
Время проведения: 19.04.2010 - 23.04.2010
Место проведения: Германия, Ганновер
Темы: Автомобильная промышленность, Аккумуляторы и батареи, Высокие технологии, инновации
HANNOVER MESSE представляет под одной крышей все актуальные технологии для электромобилей
- Новая отраслевая выставка MobiliTec выходит на старт
- Коллективный стенд, посвященный водородному топливу и энергетическим ячейкам, в павильоне 27
- Возобновляемые источники энергии объединяются
С 19 по 23 апреля на предстоящей HANNOVER MESSE под одной крышей, в павильоне 27 будут централизованно представлены все актуальные технологии для мобильности будущего. Там разместится новая выставка MobiliTec -международная отраслевая выставка технологий для гибридных и электрических двигателей, мобильных аккумуляторов энергии и альтернативных технологий мобильности.
Связь между электромобильностью и возобновляемыми видами энергии
Решающим фактором для экологической выгодности электромобильности служит, тем не менее, перестройка энергосистемы, вплоть до получения электроэнергии из возобновляемых источников. Поэтому важный раздел выставки Energy, получивший наименование Renewables, располагается в непосредственной близости от MobiliTec, в том же самом павильоне. Здесь будут представлены все возобновляемые формы энергии, от твердых, жидких и газообразных биологических энергоисточников до фотовольтаики, энергии Солнца, геотермии и, конечно, энергия ветра и воды.
Водородное топливо и технологии энергетических ячеек дополняют спектр предложений
HANNOVER MESSE отдает должное этому направлению развития и впервые организует крупнейший в Европе коллективный стенд, посвященный водородному топливу и энергетическим ячейкам. Он будет размещаться в непосредственной близости от новой отраслевой выставки MobiliTec важного выставочного раздела Renewables. Среди экспонентов будут предприятия малого и среднего бизнеса, исследовательские центры, международные концерны. Все они представят продукты и инновации для производства водородного топлива, компонентов для изготовления энергетических ячеек, стационарных, подвижных и мобильных энергетических ячеек. Также будут демонстрироваться примеры применения энергетических ячеек, системы для их тестирования, а также инфраструктуры и оборудование для транспортировки и хранения водородного топлива.
