Mikrospiegel-Arrays: Die Sonnenbrille in der Gebäudetechnik

Transkript

1 Nano- und Mikrotechnologien im Dienste der nachhaltigen Entwicklung Mikrospiegel-Arrays: Die Sonnenbrille in der Gebäudetechnik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid Dipl.-Phys. Volker Viereck

2 Problem: ungleiche Verteilung des Tageslichtes in einem Raum Lichtverteilung im Raum

3 deshalb schaltet man das Kunstlicht an nicht optimal für das menschliche Wohlbefinden

4 Konventionelles Fensterelement Bietet: Blendschutz Hitzeschutz Nutzung der solaren Einstrahlung (bedingt) Lichtlenkung (bedingt) Nachteile: mechanisch anfällig optisch auffällig

5 Notwendigkeit eines flexiblen Sonnen- und Wärmeschutzes Lösung: Millionen von Mikrospiegeln im Scheibenzwischenraum

6 Vorteile des Konzeptes elektrostatische Aktuation -> sehr geringer elekrischer Energieverbrauch Miniaturisierung -> sehr lange mechanische Lebensdauer, kein Materialverschleiß -> spart natürliche Materialressourcen Unterstützung der Klimatisierung (Kühlen/Heizen) -> spart wertvolle Energie Reduziert Kunstlichteinsatz -> unterstützt menschliches Wohlbefinden -> spart wertvolle Energie

7 Vorteile des Konzeptes elektrostatische Aktuation -> sehr geringer elekrischer Energieverbrauch Miniaturisierung -> sehr lange mechanische Lebensdauern, kein Materialverschleiß -> spart natürliche Materialressourcen Unterstützung der Klimatisierung (Kühlen/Heizen) -> spart wertvolle Energie Reduziert Kunstlichteinsatz -> unterstützt menschliches Wohlbefinden -> spart wertvolle Energie

8 Funktionalität einer Fensterscheibe mit integrierten Mikrospiegelarrays Winter, Abwesenheit von Personen Effekt: Wärmetransport in den Raum Winter, Anwesenheit von Personen Effekte: Wärmetransport in den Raum Lichtlenkung in den Raum

9 Funktionalität einer Fensterscheibe mit integrierten Mikrospiegelarrays Sommer, heißer Tag, Abwesenheit von Personen Effekt: Hitzeschutz Sommer, heißer Tag, Anwesenheit von Personen Effekte: Hitzeschutz und Blendschutz im unteren Bereich, Lichtlenkung an die Decke im oberen Bereich

10 Optischer Eindruck einer Fensterscheibe mit Mikrospiegelarrays Quelle: RWE Solar So könnte eine Scheibe mit Mikrospiegeln in Sichtschutzfunktion aussehen

11 Beispiele für die Anwendbarkeit Selbst wenn konventionelle Lösungen ausscheiden, können Aktive Fenster noch eingesetzt werden, z.b. in Glasfassaden und in denkmalgeschützten Gebäuden

12 Weitere Vorteile des Konzeptes Individuelle Spiegel können mit dem bloßen Auge nicht wahrgenommen werden Eine Sonnenbrille für die Fenster : Die Transmission kann stufenlos geregelt werden, zwischen komplett geöffnet und komplett geschlossen Optischer Eindruck: wie eine Scheibe mit variabler Tönung Lichtintensität, Richtung und Grad der Streuung wird den jahreszeitlichen und tageszeitlichen Erfordernissen angepasst Trägt den unterschiedlichen Sonnenständen im Laufe des Tages oder im Laufe des Jahres Rechnung Basiert auf Reflexion (gängige Systeme basieren auf Absorption)

13 Anwendungen von großflächigen Mikrospiegelarrays Tageslichtlenkung in Gebäuden (aktive Fenster) Entlastung der Klimatisierung in Gebäuden Kunstlichtlenkung in Räumen Es gibt zahlreiche Nutzanwendungen für großflächige Mikrospiegelarrays Sonnenlichtkonzentratoren für die Photovoltaik Gebäudefassaden als große Displays und vieles mehr

14 Anwendungen von großflächigen Mikrospiegelarrays Tageslichtlenkung in Gebäuden (aktive Fenster) Entlastung der Klimatisierung in Gebäuden Kunstlichtlenkung in Räumen Es gibt zahlreiche Nutzanwendungen für großflächige Mikrospiegelarrays Sonnenlichtkonzentratoren für die Photovoltaik Gebäudefassaden als große Displays und vieles mehr

15 Konventioneller Einsatz von Kunstlicht

16 Neuartige aktive Lampenreflektoren zur dynamischen Lichtsteuerung In Kombination mit Gebäudeautomation: konstante Lichtverteilung in Abhängigkeit der Tageslichtsituation, Konzentration auf Arbeitsplatz, Kombination mit Fensterelement

17 Anwendungen von großflächigen Mikrospiegelarrays Tageslichtlenkung in Gebäuden (aktive Fenster) Entlastung der Klimatisierung in Gebäuden Kunstlichtlenkung in Räumen Es gibt zahlreiche Nutzanwendungen für großflächige Mikrospiegelarrays Sonnenlichtkonzentratoren für die Photovoltaik Gebäudefassaden als große Displays und vieles mehr

18 Fokussierende Systeme Hohlspiegel Solar-Turm-Kraftwerk mechanisch komplex windanfällig

19 Lichtlenkung an Solarzellen Licht Vorteile : erneuerbare Energien Solarzelle Lichtlenkung und Konzentration auf kleinflächige effiziente Solarzellen Mikrospiegelarray

20 Lichtlenkung an Solarzellen 30 Solarzelle Fenster Mikrospiegelarray Mikrospiegelarray

21 Vorteile des Konzeptes elektrostatische Aktuation -> sehr geringer elekrischer Energieverbrauch Miniaturisierung -> sehr lange mechanische Lebensdauern, kein Materialverschleiß -> spart natürliche Materialressourcen Unterstützung der Klimatisierung (Kühlen/Heizen) -> spart wertvolle Energie Reduziert Kunstlichteinsatz -> unterstützt menschliches Wohlbefinden -> spart wertvolle Energie

22 Skalierungsphänomen : gibt es optimale Größenbereiche?

23 Skalierung von einem Staubkorn Zimmerdecke Staub Partikel

24 Funktionsprinzip eines auslenkbaren Mikrospiegelelementes Lichteinfall Lichteinfall Voll aktuierter Zustand: teils Transmission, teils Reflexion Nicht oder nur teilweise aktuierter Zustand: gezielte Lichtlenkung in den Raum

25 Mikrospiegel: Modell und Realität unter dem Elektronenmikroskop

26 Drittes Design: große Spiegelgruppen

27 Drittes Design: große Spiegelgruppen

28 große Spiegelgruppen: Videoaufnahme

29 große Spiegelgruppen: Videoaufnahme

30 Durchsicht durch ein Mikrospiegelarray

31 CINSaT

32 Danksagung Universität Kassel, Institut für Nanotechnologie und Analytik () H. Hillmer, J. Ackermann, Q. Li, A. Jäkel, S. Werner, N. Dharmarasu, I. Kommallein, M. Bartels, D. Gutermuth, I. Wensch Universität Kassel, Institut für Elektrische Energietechnik erneuerbare Energien (IEE-RE) A. Schwank, I. Stadler, S. Araújo, U. Neumann von Waitzische Beteiligungen GbR Fhr. F. v. Waitz, Fhr. H. v. Waitz

33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

35 Funktionsprinzip eines auslenkbaren Mikrospiegelelementes Lichteinfall Lichteinfall Voll aktuierter Zustand: Teils Transmission, teils Reflexion Nicht oder nur teilweise aktuierter Zustand: Gezielte Lichtlenkung in den Raum

36 Schichtaufbau für einen auslenkbaren Mikrospiegel gezielt verspannte SiN x - SiO-Schichten Spiegelauslenkung reflektierende Einfachmetallschicht (Alum.) Opferschicht (Photolack) ITO Glassubstrat

37 Prozessschritte (schematisch): ITO-beschichtetes Glas- bzw. PEN-Substrat

38 Aufbringen einer Opferschicht (Photolack AZ 1505)

39 Strukturierung der Opferschicht

40 Aufbringen einer gradientenverspannten Siliziumnitrid / Siliziumoxid-Bischicht

41 Aufdampfen einer SiO / SiNx Kompensationsschicht sowie einer Einfachmetallschicht (Aluminium)

42 Strukturierung des Schichtsystems (Reaktives Ionenätzen)

43 Entfernen der Opferschicht im Sauerstoffplasma, dadurch Aufrichten der Spiegel