Nano- und Mikrotechnologien im Dienste der nachhaltigen Entwicklung Mikrospiegel-Arrays: Die Sonnenbrille in der Gebäudetechnik Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid Dipl.-Phys. Volker Viereck
Problem: ungleiche Verteilung des Tageslichtes in einem Raum Lichtverteilung im Raum
deshalb schaltet man das Kunstlicht an...... nicht optimal für das menschliche Wohlbefinden
Konventionelles Fensterelement Bietet: Blendschutz Hitzeschutz Nutzung der solaren Einstrahlung (bedingt) Lichtlenkung (bedingt) Nachteile: mechanisch anfällig optisch auffällig
Notwendigkeit eines flexiblen Sonnen- und Wärmeschutzes Lösung: Millionen von Mikrospiegeln im Scheibenzwischenraum
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
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
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
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
Optischer Eindruck einer Fensterscheibe mit Mikrospiegelarrays Quelle: RWE Solar So könnte eine Scheibe mit Mikrospiegeln in Sichtschutzfunktion aussehen
Beispiele für die Anwendbarkeit Selbst wenn konventionelle Lösungen ausscheiden, können Aktive Fenster noch eingesetzt werden, z.b. in Glasfassaden und in denkmalgeschützten Gebäuden
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)
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
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
Konventioneller Einsatz von Kunstlicht
Neuartige aktive Lampenreflektoren zur dynamischen Lichtsteuerung In Kombination mit Gebäudeautomation: konstante Lichtverteilung in Abhängigkeit der Tageslichtsituation, Konzentration auf Arbeitsplatz, Kombination mit Fensterelement
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
Fokussierende Systeme Hohlspiegel Solar-Turm-Kraftwerk mechanisch komplex windanfällig
Lichtlenkung an Solarzellen Licht Vorteile : erneuerbare Energien Solarzelle Lichtlenkung und Konzentration auf kleinflächige effiziente Solarzellen Mikrospiegelarray
Lichtlenkung an Solarzellen 30 Solarzelle Fenster Mikrospiegelarray Mikrospiegelarray
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
Skalierungsphänomen : gibt es optimale Größenbereiche?
Skalierung von einem Staubkorn Zimmerdecke Staub Partikel
Funktionsprinzip eines auslenkbaren Mikrospiegelelementes Lichteinfall Lichteinfall Voll aktuierter Zustand: teils Transmission, teils Reflexion Nicht oder nur teilweise aktuierter Zustand: gezielte Lichtlenkung in den Raum
Mikrospiegel: Modell und Realität unter dem Elektronenmikroskop
Drittes Design: große Spiegelgruppen
Drittes Design: große Spiegelgruppen
große Spiegelgruppen: Videoaufnahme
große Spiegelgruppen: Videoaufnahme
Durchsicht durch ein Mikrospiegelarray
CINSaT
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
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Funktionsprinzip eines auslenkbaren Mikrospiegelelementes Lichteinfall Lichteinfall Voll aktuierter Zustand: Teils Transmission, teils Reflexion Nicht oder nur teilweise aktuierter Zustand: Gezielte Lichtlenkung in den Raum
Schichtaufbau für einen auslenkbaren Mikrospiegel gezielt verspannte SiN x - SiO-Schichten Spiegelauslenkung reflektierende Einfachmetallschicht (Alum.) Opferschicht (Photolack) ITO Glassubstrat
Prozessschritte (schematisch): ITO-beschichtetes Glas- bzw. PEN-Substrat
Aufbringen einer Opferschicht (Photolack AZ 1505)
Strukturierung der Opferschicht
Aufbringen einer gradientenverspannten Siliziumnitrid / Siliziumoxid-Bischicht
Aufdampfen einer SiO / SiNx Kompensationsschicht sowie einer Einfachmetallschicht (Aluminium)
Strukturierung des Schichtsystems (Reaktives Ionenätzen)
Entfernen der Opferschicht im Sauerstoffplasma, dadurch Aufrichten der Spiegel