ES2622364T3 - Acristalamientos con microestructuras embebidas para la iluminación natural y control térmico estacional - Google Patents

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Abstract

Un acristalamiento para la iluminación natural y control térmico estacional, dicho acristalamiento se hace esencialmente de un panel (25) definido entre una interfaz orientada hacia afuera (26) y una interfaz orientada hacia dentro (27), dicho panel (25) comprende un primer componente (2) y un segundo componente (3), caracterizados porque dicho primer componente (2) comprende una superficie reflectante parabólica con un punto de enfoque (F) situado en dicho segundo componente (3) y donde dicho primer componente (2) está embebido dentro del panel (25).

Description

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DESCRIPCION
Acristalamientos con microestructuras embebidas para la iluminacion natural y control termico estacional Campo de la invencion
La invencion se refiere a un acristalamiento de microestructuras para la iluminacion natural y el control termico. Antecedentes de la tecnica
Varios disenos utilizan diferentes estructuras prismaticas para crear transmitancia dependiente del angulo. El mas antiguo podrla ser el descrito en el documento de patente francesa de 1980 numero 8017364, numero de publicacion 2463254. La superficie de entrada es plana y la superficie de salida esta hecha de prismas. Con este diseno, la radiacion electromagnetica entrante en el dispositivo cerca de la normal incide en la superficie de salida a un angulo mayor. Debido a la diferencia en los Indices de refraccion, se produce la reflexion interna total. La simetrla del prisma garantiza que la radiacion electromagnetica en este intervalo angular se refleje luego de vuelta fuera del sistema. Tales dispositivos transmiten la radiacion electromagnetica solo fuera de este intervalo angular. Para aplicaciones de abertura de ventanas, el principal inconveniente de este diseno es que los paneles no son transparentes debido a las estructuras prismaticas. Distorsionan la imagen y no se puede ver a traves de ellos. Tambien la transmitancia total no es muy alta, es distribuida de forma simetrica y el rayo de luz solar directo se transmite como un rayo paralelo brillante y no se difunde.
Otro dispositivo fue descrito por Edmonds IR en "Performances of laser cut light deflecting panels in daylighting applications" en Solar Energy Materials and Solar Cells 29 en 1993. Se utiliza la reflexion interna total para reflejar la luz por encima de un cierto angulo. En lugar de la incrustacion de espejos, cortes horizontales finos en un panel acrllico crean una interfaz con el aire. La luz que llega a esta interfaz por encima del angulo crltico se refleja. Este dispositivo protege contra el deslumbramiento y redirige la luz al fondo de la sala. Para una mejor redireccion, los cortes se pueden inclinar. Los principales inconvenientes de este diseno son que solo redirige la luz y que debido al grosor de los cortes, la transparencia es limitada.
Lorenz W. divulga en los documentos de patente europea EP 1 072 752 A1 y EP 0 823 645 B1 un sistema de proteccion solar, iluminacion natural y ahorro de energla con una vision clara. Este diseno utiliza dos estructuras prismaticas asimetricas de 90° complementarias para preservar la translucidez. Se basa en espejos depositados en la pequena cara del prisma para redirigir la luz para la iluminacion natural. La reflexion interna total se utiliza para introducir la transmitancia dependiente del angulo. Por encima de un cierto angulo, la bolsa de aire entre los dos paneles prismaticos induce una reflexion interna total que bloquea un rango seleccionado de angulos. El principal inconveniente de esto es que se requieren componentes relativamente grandes y un montaje complicado para preservar una bolsa de aire en paralelo entre los dos componentes.
Koster H. propuso en la solicitud de patente alemana DE 10 2009 056 362 Al nuevos tipos de persianas que tienen un perfil complejo que combina una parte en forma de W y una parte parabolica. La tercera y quinta caras del bloque W dirigen la luz del sol mientras que la parte parabolica la redirige. El efecto de bloqueo de la W se incrementa para mayores angulos de incidencia (50°-90°) a medida que la superficie proyectada de las dos caras aumenta. Para angulos mas horizontales (30°-50°), la superficie parabolica es dominante y la luz es en su mayorla redirigida. Finalmente, para angulos horizontales, la altura proyectada del perfil relativamente plano de las persianas representa solo aproximadamente 25% del perlodo. Esto proporciona una buena translucidez. Este diseno proporciona tanto la redireccion como la transmitancia dependiente del angulo, pero el perfil complejo aumenta el coste de fabricacion de este tipo de persianas y para ser protegidas del viento y del polvo tales persianas idealmente deberlan ser colocadas dentro de un doble acristalamiento. Esto crea ventanas muy gruesas y caras. Finalmente las partes mecanicas estan sujetas a danos evitando que el sistema funcione.
En el Instituto Fraunhofer, estructuras prismaticas utilizan la refraccion y la reflexion interna total para cambiar la transmision en funcion del angulo de entrada. Propusieron una nueva geometrla, tamanos reducidos y combinaron la geometrla con recubrimientos. Los inconvenientes son los mismos que con todas las estructura prismaticas mencionadas anteriormente.
S. Klammt y A. Neyer proponen una microestructura asimetrica solamente para la iluminacion natural. Esta estructura utiliza una sucesion de cuartos de clrculo en la primera cara para capturar un maximo de la luz, incluso a altos angulos de incidencia. La parte horizontal en la parte inferior de la cuarta parte del clrculo refleja la luz sobre la base de la reflexion interna total. Esta lente tambien redistribuye un haz paralelo sobre una gama de angulos. En el lado interno, la superficie inclinada de las estructuras prismaticas doblan la luz en una direction mas horizontal y la superficie plana horizontal aumenta aun mas la proportion de luz redirigida hacia arriba por la reflexion interna total. Este diseno es muy eficiente en la reorientation de gran parte de la luz que llega desde todos los angulos a lo largo de una direccion horizontal. Esta estructura no alcanza ni un efecto dependiente del angulo o dependiente de la estacion ni la transparencia.
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Existen varios tipos de recubrimientos de pellcula delgada para seleccionar el espectro transmitido. Se pueden utilizar para crear un acristalamiento de transmitancia alta en el rango visible del espectro, pero de transmitancia baja en el rango ultravioleta e infrarrojo. Tales recubrimientos tienen una ligera dependencia angular, pero las variaciones no son significativas para los angulos bajos y la redireccion es inexistente. Una dependencia angular mas fuerte se puede alcanzar mediante la deposition angular de recubrimientos metalicos como se describe por Smith G.B. y Al. en "Thin film angular selective glazing" en Solar Energy volumen 62. Estas deposiciones pueden crear estructuras de columna en condiciones particulares. Esta estructura crea una selectividad angular pero es muy lisa y la variation de la transmitancia es muy gradual. Con una transmitancia maxima de 70% a 60°, por ejemplo, 10% de transmitancia se alcanza solamente a -60° de una manera muy progresiva.
Koolshade y KoolGlass son productos que crean una dependencia angular usando persianas delgadas en un angulo fijo. Estas persianas se pueden colocar en una ventana o laminarse entre dos ventanas. Las persianas son de color negro y bloquean toda la radiation por encima de 40°. Evitan el deslumbramiento y reducen fuertemente la luz solar durante todo el ano. El inconveniente es que tambien se reduce la luz solar en invierno. La transparencia de tales sistemas es aceptable, pero la luz transmitida no es redirigida.
B. Lamontagne et al en el National Research Council de Ottawa, en Canada propusieron micro persianas. Estas micro persianas son electrodos de curling electrostaticamente activados de 100 micrometros. Las persianas pueden ser cerradas y abiertas por la aplicacion de una corriente electrica. Sus resultados han sido publicados en la solicitud de patente de Estados Unidos 2006/0196613 A1. Este es un sistema dinamico que se puede utilizar para controlar la luz transmitida. Es similar a una ventana electrocromica.
Mas recientemente (A. Kostro; A. Schuler; J.L. Scartezzini "Towards microstructured glazing for daylighting and thermal control". CISBAT 2011 Proceedings, paginas 455-460) mencionan espejos planos integrados para la iluminacion natural.
El documento de patente internacional WO 2010/086720 divulga un sistema de abertura de ventanas que comprende un panel de ventana con un patron de rayas horizontales de celulas solares, y persianas de ventanas con lajas operativas para concentrar la luz solar directa sobre dichas celulas solares y operativas para redirigir iluminacion natural difusa y/o luz solar directa a fin de mejorar la distribucion de la iluminacion natural dentro de un espacio interior.
El documento de patente internacional W02009/002350 se refiere a metodos y dispositivos que permiten la recoleccion de electricidad calor e iluminacion simultaneamente a partir de un convertidor solar, a menudo a un coste menor que con los colectores solares convencionales. Los convertidores utilizan lajas para interceptar la luz del sol. Las superficies de las lajas en la trayectoria directa de la luz pueden ser recubiertas con material fotovoltaico, o pueden formarse para concentrar la luz solar.
El documento de patente alemana 3927947 se refiere a un dispositivo para controlar la transmision de la luz del sol que comprende elementos opticos que enfocan los rayos de sol sobre un ensamblaje de reflectores y elementos muy transparentes.
Las estructuras existentes de acristalamiento, cuando se utilizan como ventanas en los edificios, ya ofrecen algunas ventajas. Sin embargo, ninguna de ellas ofrece al mismo tiempo las ventajas siguientes:
- Reduction de sobrecalentamiento en verano
- Reduccion de los costes de calefaccion en invierno
- Buenos niveles de luz a varios metros de la ventana y sin deslumbramiento para los ocupantes
- Buena translucidez y vista hacia el exterior Descripcion general de la invencion
Los problemas mencionados en el capltulo anterior se resuelven con la presente invencion que se refiere a un acristalamiento como se define en la revindication 1, a saber, un acristalamiento para la iluminacion natural y de control termico estacional, dicho acristalamiento esta esencialmente hecho de un panel definido entre una interfaz orientada al exterior y una interfaz orientada al interior, dicho panel comprende un primer componente y un segundo componente, en donde dicho primer componente tiene una superficie reflectante parabolica con un punto de enfoque situado en dicho segundo componente.
El acristalamiento segun la presente invencion ventajosamente se puede fabricar en un proceso de rollo a rollo o de red. La originalidad reside en la estructura de dos componentes descrita, es decir, el primer y segundo conjunto de componentes reflectantes. Este concepto se puede aplicar tanto a escala macroscopica para persianas como a escala microscopica para una vision clara y un acristalamiento que redirige la radiacion electromagnetica.
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Recubrimientos selectivos opcionales pueden funcionalizar adicionalmente este sistema y anadir un comportamiento espectral. Este tipo de diseno tambien se puede utilizar para componentes de sombreado que sobresalen.
El acristalamiento segun la invencion se puede adaptar a lugares especlficos, por ejemplo, la latitud y/o la orientacion de la ventana con respecto a la trayectoria solar.
El acristalamiento puede inducir una fuerte variacion de la transmision (reflexion, respectivamente). Dicha variacion esta relacionada con el angulo de entrada de la radiacion electromagnetica.
En el presente documento el termino "angulo de entrada (p)" tiene que ser entendido como el angulo definido entre la direccion de la radiacion electromagnetica entrante y la normal al plano definido por la interfaz orientada hacia afuera.
Las interfaces "orientadas hacia afuera" y "orientadas hacia dentro" son preferentemente interfaces de aire-vidrio. Pero cualquier otra interfaz adecuada se puede considerar, por ejemplo, vidrio-vidrio o gas-vidrio.
En una forma de realizacion preferida de la invencion, para una aplicacion en latitudes alrededor de 45°, los componentes estan dispuestos de una manera como para definir tres trayectorias de la radiacion electromagnetica diferentes, cada una de ellas en funcion del angulo de entrada:
- Trayectoria 1 - angulos de entrada bajos, normalmente entre 0° y 20°
- Trayectoria 2 - angulos de entrada medianos, normalmente entre 20° y 50°
- Trayectoria 3 - angulos de entrada grandes, normalmente entre 50° y 70°
- Trayectoria 4 - angulos de entrada muy grandes, normalmente por encima de 70°
En la practica, la luz solar directa con angulos de entrada medianos se produce en invierno mientras que los angulos de entrada grandes se producen solo en verano. Los angulos muy grandes se producen solo para la luz difusa.
Cuando el angulo de entrada esta entre 0° y 20° la mayor parte de la radiacion electromagnetica se transmite directamente a traves del acristalamiento.
Cuando el angulo de entrada esta entre 20° y 50° una parte creciente de la radiacion electromagnetica se redirige y se transmite de una manera difusa.
Cuando el angulo de entrada esta entre 50° y 70° la mayor parte de la radiacion electromagnetica se redirige y se refleja hacia el exterior o se absorbe.
Cuando el angulo de entrada esta por encima de 70° casi toda la radiacion electromagnetica transmitida se redirige y la proportion reflejada en la primera interfaz se incrementa.
La invencion proporciona varias ventajas, en particular:
- Al redirigir la radiacion electromagnetica, un rayo directo puede ser difundido y ser extendido sobre una gama seleccionada de angulos en una direccion opuesta. Esto es particularmente adecuado para un mejor uso de la iluminacion natural en los edificios. Redirigida, la radiacion electromagnetica difusa es muy adecuada para la mayorla de las tareas de trabajo de oficina y contribuye a un ambiente mas confortable y saludable.
- Debido a que la elevation solar cambia a lo largo del ano, la transmitancia dependiente del angulo puede producir un comportamiento estacional. Utilizada en una ventana con la transmitancia angular apropiada, la invencion protege de sobrecalentamiento en verano y mantiene altas ganancias solares en invierno. En verano, la radiacion directa del sol se refleja hacia afuera por la action combinada de los dos espejos.
- Las estructuras son periodicas y su altura proyectada es muy pequena en comparacion con la periodicidad. Como estan embebidas, para los angulos cercanos a la normal la trayectoria de la radiacion electromagnetica se ve influida solo en parte por las estructuras y atraviesa solo el medio transparente. Las caras de este medio son planas y paralelas, por lo tanto en incidencia normal, el sistema es de imagen y la transmision es principalmente directa. La transparencia es alta.
- El sistema se puede producir como microestructuras embebidas en una pellcula con un espesor total inferior al millmetro. Una pellcula de esta dimension puede ser laminada con el cristal de una ventana. Dichas pellculas se pueden producir de manera economica en un proceso de rollo a rollo o de red. La altura de las estructuras individuales puede ser de menos de 50 pm y apenas visible por el ojo humano.
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- La segunda superficie puede estar recubierta con una capa selectiva para obtener la transmision espectral solamente para los angulos elegidos. Por ejemplo, para transmitir una relacion optimizada de la radiacion electromagnetica visible y la energla.
- Con una alta tasa de concentracion en la segunda superficie, esta superficie tambien se puede utilizar para absorber la energla y transformarla termicamente o electricamente.
- Mas en general, las superficies pueden ser de cualquier tipo que es adecuado para manipular la radiacion electromagnetica. Pueden ser termocromicas, gazocromicas, polarizantes, electrocromicas, selectivas, absorbentes, reflejantes etc.
- El primer componente puede tener diferentes propiedades en sus superficies. La parte superior puede ser muy reflectante para la redireccion de la radiacion electromagnetica, mientras que la parte trasera puede ser difusora o absorbente para reducir las imagenes fantasma.
- La pellcula se puede combinar con un recubrimiento de baja emisividad para proporcionar una solucion completa para que los fabricantes de vidrio la laminen en sus ventanas.
Descripcion detallada de la invencion
La invencion se entendera mejor en este capltulo que, en particular, contiene algunos ejemplos.
Un primer ejemplo de la invencion se muestra en la figura 1a. Un panel 25 definido entre una interfaz orientada hacia afuera 26 y una interfaz orientada hacia dentro 27 contiene los componentes primero y segundo 2, 3. Cada componente 2 del primer conjunto tiene una superficie parabolica con un punto de enfoque F localizado en un segundo componente 3. Los primeros componentes 2 estan embebidos en un medio transparente 1 y los segundos componentes estan dispuestos en la interfaz orientada hacia dentro 27. Para un rango seleccionado de angulos de entrada, por lo general entre 50° y 70°, cada primer componente 2 concentra la radiacion electromagnetica en un segundo componente 3. Para otros angulos, por ejemplo angulos mas bajos, el segundo componente 3 esta fuera del foco. Los componentes pueden tener diferentes funciones opticas en funcion del objetivo: reflectores, absorbentes, difusores, polarizadores, recubrimientos selectivos o termocromicos.
Tres situaciones que corresponden a los angulos de entrada de 0°, 30° y 60° se presentan en las figuras 2a, 2b y 2c. La radiacion electromagnetica transmitida a traves del sistema que no incide en ninguno de los dos componentes sera referida como la radiacion electromagnetica transmitida directamente. La radiacion electromagnetica reflejada por la parabola pero que pasa por el segundo componente sera referida como la radiacion electromagnetica redirigida. Finalmente la radiacion electromagnetica enfocada sobre el segundo componente sera referida como radiacion electromagnetica seleccionada.
Para enfocar la radiacion electromagnetica de entrada, el primer componente 2 esta provisto de una superficie parabolica. Hay que elegir un angulo entrante (p) para el que la radiacion electromagnetica se centrara mas eficientemente en el segundo componente 3 segun la aplicacion deseada del sistema. La refraccion en la primera interfaz tiene que tenerse en cuenta para calcular el angulo de inclinacion de la parabola:
0 = asin (sino (p) / nr)
Donde nr es el Indice de refraccion del material 1 en el que la parabola esta embebida. El punto de enfoque F se coloca en la parte trasera del sistema y la parabola se dibuja en consecuencia. La radiacion electromagnetica de entrada en la elevacion elegida p 4 se reflejara hacia el punto focal por el reflector embebido.
La relacion entre la anchura Pw y altura Ph del primer componente y su periodicidad P determinara la gama de angulos para los que la parabola redirige la radiacion electromagnetica. En funcion de esta relacion el angulo de sombreado 0s puede ser definido:
sin (0s) = nr cos (atan (Pw / (P + Ph))
Por encima de este angulo, 100% de la radiacion electromagnetica transmitida por la primera interfaz llegara a la parabola. Por debajo de este angulo, la porcion de la radiacion electromagnetica que llega a la parabola declina gradualmente.
Despues de la reflexion en una forma parabolica un rayo paralelo se distribuye sobre un rango de angulos 8. La curvatura del reflector parabolico es lo que rige la magnitud de esta distribucion. La curvatura esta vinculada con la distancia entre la parabola y el punto de enfoque F. Cuanto mas se acerque el punto, mayor es la curvatura. Esta distancia se define por la distancia S vertical y el desplazamiento O.
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La superficie superior de esta parabola, en el lado convexo es tlpicamente reflectante para conseguir el enfoque. El tipo de revestimiento reflectante puede ser modificado y tener una reflectancia espectral especlfica. La otra superficie, en el lado concavo puede ser reflectante, difusora o absorbente en funcion de los objetivos.
El segundo componente 3 puede tener diferentes funciones dependiendo de la aplicacion, se encuentra preferentemente en la superficie posterior del sistema y la radiacion electromagnetica centrada aqul por la superficie parabolica puede ser reflejada, absorbida o transmitida de forma selectiva.
En cualquier caso, el segundo componente 3 debe estar situado cerca de los focos F de un primer componente 2, en la superficie posterior del dispositivo. Su anchura Rw influye directamente en la gama de angulos para los que el sistema esta disenado. La radiacion electromagnetica de entrada con angulos inferiores a y incidira en la interfaz por debajo del punto focal. Para angulos cerca de y, la radiacion electromagnetica se mantendra algo enfocada cuando llega a esta interfaz.
Este componente puede ser un reflector, y redirigir la radiacion electromagnetica de vuelta a traves del sistema. Este caso se ilustra en las figuras 1 y 2. En este caso, la radiacion electromagnetica seleccionada se bloquea y se evita que se transmita mediante la reorientacion hacia la salida del sistema 5.
Puede aplicarse un recubrimiento de pellcula delgada aplicada en esta zona para transmitir solo partes seleccionadas del espectro. Por ejemplo la radiacion electromagnetica visible en el rango de 380-780 nm se puede transmitir en su mayorla, pero la radiacion electromagnetica de la gama de luz ultravioleta y de infrarrojo reflejarse en su mayorla para reducir la transmision de energla.
Por ultimo puede ser algun tipo de absorbente para convertir la radiacion en energla termica o electrica.
Los parametros deben ser elegidos ventajosamente de manera que se eviten las reflexiones multiples. La trayectoria de la mayorla de los rayos bloqueados deberla tener como maximo tres reflexiones. Esto reduce la absorcion en el sistema y por lo tanto reduce los riesgos de sobrecalentamiento.
La Figura 2 ilustra la trayectoria de la radiacion electromagnetica para diferentes situaciones; en este ejemplo el segundo componente 3 es un recubrimiento reflectante. La trayectoria de la radiacion electromagnetica se muestra para todas las posiciones posibles de un bloqueo.
Como se muestra en la figura 2a, este dispositivo tiene poca influencia en la radiacion electromagnetica de entrada con incidencia normal. La mayor parte de ella se transmite directamente 6, interactuando solo con las interfaces frontal y posterior del diseno. La disposicion en paralelo y la superficie lisa de estas interfaces preservan la vista a traves del sistema. Una pequena parte es redirigida por la superficie inferior de la superficie embebida 7. Las propiedades flsicas de esta superficie determinan la forma en que se distribuye la radiacion electromagnetica. Se puede reflejar secularmente como en el caso ilustrado, ser difundida o absorbida. Una pequena parte de la radiacion electromagnetica interactua con el segundo componente.
La figura 2b ilustra la redistribucion de un rayo que incide a 30°. La mayor parte es redirigida y se transmite de una manera en su mayorla difusa 8. La redireccion es en la direccion opuesta con respecto al horizonte y puede ser modificada por la inclinacion de toda la parabola. Una pequena parte de la radiacion electromagnetica se transmite directamente 9, esta fraccion puede reducirse o aumentarse cambiando la relacion entre la anchura y la periodicidad de la parabola. Una pequena fraccion tambien llega al segundo componente. En el caso ilustrado, este componente es un reflector y se evita que esta fraccion se transmita 10.
Finalmente, para angulos dentro del rango seleccionado, toda la radiacion electromagnetica es enfocada por la parabola embebida sobre el componente posterior. En el caso ilustrado en la figura 2c, la radiacion electromagnetica es bloqueada 11 despues de dos o tres reflexiones. Con el componente posterior comenzando en el punto de enfoque como se ilustra, el rango de bloqueo termina en y y puede ser mas o menos amplio dependiendo de la anchura Rw del segundo componente.
Control termico estacional, iluminacion natural y vision clara
En el siguiente ejemplo, la invencion se utiliza para crear un sistema de ventana compleja que combina el control termico estacional, la iluminacion natural y una vision clara.
El objetivo es proporcionar un maximo de luz sin crear reflejos y tener ganancias termicas maximas en invierno y en verano ganancias mlnimas. Los principios para un sistema de ventana compleja que combina el control termico estacional, la iluminacion natural y una vision clara se introducen en las figuras 3a, 3b y 3c.
Con la ayuda de la radiacion transmitida, las ventanas llevan la luz y el calor dentro de los edificios. La luz es necesaria para realizar las actividades cotidianas, pero tambien puede ser molesta cuando se crea el deslumbramiento. El deslumbramiento es a menudo creado por la luz solar directa cercana a las ventanas A. Los
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niveles de luz son a menudo bajos mas lejos de la ventana B. Debido a que redirige la luz, la invencion se puede utilizar para transmitir la luz de una manera adecuada para la iluminacion natural mediante su reorientacion hacia el interior de la habitacion 12 sin crear el deslumbramiento 13.
La radiacion transmitida tambien transporta calor, el calor adicional es bienvenido en invierno, pero deberla mantenerse fuera en verano. Aprovechando la dependencia angular de la transmitancia y la elevacion cambiante del sol dependiendo de las estaciones, el diseno propuesto maximiza las ganancias de invierno 14 mientras que minimiza las ganancias del verano 15.
En este caso, el primer componente es muy reflectante en la superficie superior y puede ser difundible en la superficie inferior para evitar el deslumbramiento. El segundo componente es una superficie reflectante o, finalmente, un recubrimiento selectivo que transmite la radiacion electromagnetica en su mayorla visible mientras que refleja la radiacion infrarroja para reducir las ganancias solares.
Se consigue el enfoque para los angulos correspondientes a la elevacion del sol en verano en la ubicacion especificada (por ejemplo, entre 55° y 67° en Lausana). Para esta gama la radiacion electromagnetica se concentra en la segunda superficie y se refleja de vuelta a traves del sistema. Para lograr este intervalo de angulos, la parabola esta disenado con un y = 67°.
Dado que el efecto del enfoque deberla lograrse para los angulos correspondientes a la elevacion del sol en verano y no para elevaciones mas bajas en invierno; la region de la superficie util para el enfoque no incluye la parte de la parabola hacia el interior del acristalamiento. Esta superficie se puede dejar plana o inclinada y servir solo para la iluminacion natural.
Para angulos fuera del intervalo de bloqueo seleccionado, el primer componente del sistema refleja la radiacion electromagnetica en una direccion hacia arriba, pero con un angulo pequeno para lograr la maxima penetracion hacia el fondo de la habitacion. Un rayo paralelo se difunde de manera efectiva por la curvatura de la parabola. Esta difusion se ve reforzada por la refraccion en la interfaz posterior donde se aumenta la diferencia angular. Tal radiacion electromagnetica difusa es adecuada para la luz del dla.
Para lograr la vision clara, se maximiza la transmision directa sin interaccion para los angulos cerca de la normal. Los dos componentes tienen una altura minima y una superposicion maxima. Ademas, la primera y ultima interfaces son paralelas para evitar la distorsion de la imagen.
En comparacion con las ventanas convencionales, persianas o sistemas complejos de ventanas este diseno tiene varias ventajas:
- Se logra simultaneamente transmitancia dependiente del angulo y redireccion de la radiacion electromagnetica.
- Debido a la dimension pequena (inferior al millmetro), las estructuras son casi invisibles y el sistema resultante es casi transparente.
- La radiacion electromagnetica redirigida se distribuye horizontalmente de manera difusa, de esta forma adecuada para la iluminacion natural.
- El sistema es fino y se puede fabricar en un proceso de rollo a rollo o proceso de red y ser producido como una lamina. Esta lamina se puede colocar facilmente en el interior de un doble acristalamiento estandar.
- A diferencia de persianas o cortinas externas, el sistema es estatico y protegido de modo que no es sensibles a los fuertes vientos.
- Se puede colocar en el primer cristal de un doble acristalamiento. Esto reduce las ganancias termicas no deseadas en el perlodo de enfriamiento.
- Debido a que puede ser una parte del acristalamiento, la integracion es facil.
- En el caso de rollo a rollo el coste de produccion es bajo.
- No hay partes moviles, por tanto, mayor robustez.
La dimension de la estructura optima fue encontrada mediante simulaciones de trazado de rayos de Monte Carlo. El software fue desarrollado en la casa y especialmente disenado para modelar rapidamente estructuras laminares y dar retroalimentacion visual al usuario. Se calcularon las actuaciones de diferentes disenos y se optimizaron los parametros.
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El trazado de rayos es una tecnica de la optica geometrica para modelar la trayectoria tomada por la radiacion electromagnetica en un entorno siguiendo los rayos de radiacion electromagnetica. Puede ser usada en el diseno de dispositivos opticos tales como lentes y juegos de lentes de microscopios, telescopios, etc. Hay una gran cantidad de software existente para el rastreo de rayos, mas o menos flsicamente precisa, para simular el comportamiento de la radiacion electromagnetica en un entorno complejo. El software desarrollado esta dirigido a la ingenierla de sistemas complejos de ventanas con dos perfiles dimensionales y al analisis de la actuacion especlfica de la ventana.
Los algoritmos de Monte Carlo son estocasticos y son utilizados para resolver problemas flsicos o matematicos complejos. Cuando el numero de variables en un sistema es grande y la solucion no se puede encontrar anallticamente, el calculo del resultado mediante muchos eventos aleatorios da una estimacion precisa de la solucion. En un algoritmo tlpico de Monte Carlo, tomas al azar definen una cadena de eventos locales que caracterizan el evento global y que conducen a un estado final. Cada toma sigue una distribucion dada representativa del evento correspondiente. Mediante la repeticion de esta iteracion sobre eventos aleatorios numerosas veces, se obtiene una distribucion de probabilidad de los estados finales. La exactitud de esta solucion depende de lo bien que el problema se modele y el numero de tomas que se realicen. En el caso de los sistemas opticos, cada evento (reflexion, refraccion, dispersion, absorcion) se produce al azar segun la distribucion de probabilidad dictada por las leyes flsicas correspondientes. Estas leyes fueron implementadas con precision para el trazado de rayos de los sistemas complejos de ventanas.
Una descripcion de los disenos de dos dimensiones (2D) es suficiente para la mayorla de los productos CFS existentes, ya que pueden ser descritos como perfiles extruidos de 2D. Se introdujo un algoritmo original que usa un enfoque de dimensionalidad mixta para estudiar este tipo de perfiles. En el algoritmo propuesto, todas las intersecciones se calculan en 2D. Si un perfil se define en las coordenadas X e Y, la unica perdida de informacion es la coordenada Z de la interseccion. Esta informacion es de poca utilidad ya que estamos interesados principalmente en la distribucion angular de la transmitancia. Encontrar intersecciones entre llneas en dos dimensiones es muy rapido y se puede hacer de manera eficiente usando un arbol de particion del espacio binario. Para las interacciones sin embargo, se utilizan las tres dimensiones. La reflexion, refraccion y absorcion son modeladas con precision utilizando el calculo vectorial de tres dimensiones y siguiendo las reglas flsicas como se describe en las siguientes secciones. Tambien, para el modelado de pellculas delgadas, se utilizan los vectores 3D en combinacion con una aproximacion de matriz para el calculo de la reflexion, refraccion y absorciones.
Para desarrollar la estructura con el cambio de transmitancia estacional contando con la elevacion solar cambiante, es facil mirar a la transmitancia en funcion del angulo de entrada. Ademas, para obtener una estimacion de las actuaciones de iluminacion natural, esta transmitancia se puede subdividir en funcion de la elevacion del angulo saliente. La radiacion electromagnetica que incide una ventana desde la mitad superior del hemisferio deberla transmitirse normalmente en la mitad inferior del hemisferio que encara a la cara interna de la ventana (en lo sucesivo Tdown). En los sistemas complejos de ventanas, la redireccion puede hacer que la radiacion electromagnetica salga en la mitad superior de este hemisferio (en adelante Tup). Tup esta contribuyendo a la iluminacion natural mas significativamente que Tdown y deberla ser maximizada. Para el analisis de CFSs (sistemas complejos de ventanas) tanto con control termico estacional como con luz del dla, el software calcula Tdown y Tup y la transmitancia total en funcion del angulo de entrada. Tup y Tdown se muestran en la figura 4a para la estructura ilustrada en las figuras 1 y 2 y se comparan con la transmitancia total de un simple cristal (G).
Para evaluar el control termico estacional se estudia la dinamica de las ganancias termicas. Estas deberlan ser maximizadas en invierno y reducidas al mlnimo en verano. Para cada metro cuadrado de ventana, una parte de la radiacion entrante se transmite y esta energla calienta el espacio detras de la ventana. Para calcular una estimacion de este valor, se calculan los factores de transmision difusa y de transmision directa con la herramienta de simulacion de trazado de rayos usada en combinacion con los datos radiometricos meteorologicos. Para la radiacion directa se utiliza la posicion solar y para la radiacion difusa, el hemisferio se divide en parcelas siguiendo la subdivision del cielo de Tregenza. Los datos climaticos dan valores horarios de temperaturas, as! como valores de iluminacion global y directa. Un modelo de Perez utiliza los dos valores de iluminacion para proporcionar los valores de iluminancia para todos y cada punto del hemisferio. Usando este modelo, se calculan los valores por hora para las 145 zonas de Tregenza en funcion de la ubicacion, la orientacion de la ventana e inclinacion de la ventana. Las ganancias termicas anuales debidas a la radiacion directa y difusa, se calcularon entonces utilizando este metodo. El acristalamiento disenado mostro una transmitancia de la luz solar directa inferior al 20% durante el perlodo de verano y superior al 70% durante el perlodo de invierno. La radiacion incidente A y la radiacion transmitida T se muestran en valores semanales en la figura 4b.
Las simulaciones se utilizaron para definir la geometrla del sistema y, el sistema fue establecido despues como un prototipo utilizando un proceso de 7 pasos:
• fabrication de moldes con la forma final deseada
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• fabrication de moldes negativos
• recubrimientos de sustratos con rayas de material reflexivo
• alineacion del sustrato y el molde
• replication de la forma en un pollmero curable por UV sobre el sustrato
• revestimiento de facetas seleccionadas sobre la estructura replicada
• embebimiento de las estructuras con el mismo pollmero curable por UV.
Para fabricar la estructura, se corto un molde metalico por maquinacion por descarga electrica. Esta tecnica es ampliamente utilizada en la industria relojera y permite cortar cualquier metal conductor con una precision por debajo de 1 micrometro. El molde metalico fabricado tiene una superficie con la forma del espejo embebido.
Un material blando es grabado con una forma dada, despues se recubre qulmicamente con una capa conductora y se replica en nlquel por galvanoplastia. Por este medio se obtiene un molde metalico.
El molde metalico obtenido anteriormente se replica en una silicona (PDMS) para obtener el "negativo" de la forma. En el proceso de laboratorio, este molde tambien presenta algunas gulas de alineacion para la colocation correcta de la estructura sobre el sustrato en los pasos posteriores. Usando este negativo la forma originalmente cortada en el molde metalico puede ser reproducida mas adelante.
Para la deposition del segundo espejo, un material reflexivo tiene que ser depositado en rayas sobre el sustrato. Para una mejor durabilidad, la capa se deposita en el lado donde se hacen las estructuras; a continuation, se atrapa y protege. Para depositar dichas rayas dos tecnicas estan disponibles. En primer lugar, enmascarar el sustrato con una plantilla y depositar directamente el aluminio. En segundo lugar, usando la fotolitografla: depositar el aluminio sobre el sustrato, y luego cubrirlo con una capa de photoresist. Photoresist es una resina que cambia sus propiedades cuando es expuesta a la luz UV, o bien se descompone o se endurece cuando es expuesta. El photoresist se expone a la luz ultravioleta a traves de una plantilla para crear el patron de rayas deseado. Un proceso de grabado a continuation, elimina el aluminio donde permanece sin protection y solo deja rayas donde este protegido por el photoresist endurecido. La litografla tambien se puede hacer utilizando la tecnica de despegue, en este caso, el sustrato se recubre primero con photoresist y despues se expone a la luz UV para eliminar el photoresist donde el aluminio debe ser depositado. El aluminio es despues evaporado en todas partes y cuando la capa protectora se retira el recubrimiento de aluminio por encima de ella se "despega” y solo permanecen las rayas.
Para obtener el sistema deseado con transmitancia dependiente del angulo, es crucial que el reflector posterior sobre el sustrato 17 y el molde para la replication 19 se coloquen correctamente. Esta colocation puede realizarse bajo un microscopio optico. Esto se ilustra en la figura 5b.
Replication de la forma en un pollmero curable por UV sobre el sustrato
Una vez que esta alineado con las rayas en el sustrato, el molde negativo se utiliza para fabricar estructuras en una resina curable por radiation de ultravioleta 18. Como se ilustra en la figura 5b, una gota de la resina esta entre el sustrato y el molde 19. El molde se coloca en un piston mecanico 20. Se aplica entonces una presion 21 y el piston empuja el sustrato contra una ventana de cuarzo 16 como se muestra en la figura 5c. Despues de que la luz ultravioleta 22 haya curado la resina, se libera la presion y la micro estructura se replica sobre el sustrato (figura 5d). Este proceso se ha realizado en colaboracion con el laboratorio de pollmeros y conglomerados en EPFL (LTC). Se utiliza una resina transparente para replicar la estructura. La resina se endurece cuando se expone a la luz ultravioleta. Tales procedimientos se adaptan bien a procesos de fabrication de rollo a rollo.
Una vez que la estructura se ha replicado, es selectivamente recubierta en facetas inclinando la muestra con la micro estructura y depositando una pellcula fina de aluminio reflexiva o pellcula de plata reflexiva 23, figura 5e.
El mismo curado por UV se utiliza despues para rellenar los huecos (figuras 5f, 5g y 5h). Hay que tener cuidado para evitar la formation de burbujas y obtener coincidencia de Indice apropiada.
Las muestras producidas se caracterizaron por mediciones opticas para probar el concepto. Las mediciones mostraron que la radiation electromagnetica incidente se redirige de manera efectiva desde su trayectoria y que la transmision disminuye para angulos superiores. Tal medicion se muestra en la figura 6 con el angulo de salida ©out en relation con el angulo de entrada (©i). Para un rayo entrante a 60° en una muestra con espejos planos integrados, 55,1% de la radiation electromagnetica transmitida es redirigida hacia arriba R y 44,5% se transmite en la direction del rayo D. El llmite principal hasta el momento con las muestras es la calidad de la superficie: la rugosidad hace a la radiation electromagnetica redirigida muy difusa.

Claims (13)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un acristalamiento para la iluminacion natural y control termico estacional, dicho acristalamiento se hace esencialmente de un panel (25) definido entre una interfaz orientada hacia afuera (26) y una interfaz orientada hacia dentro (27), dicho panel (25) comprende un primer componente (2) y un segundo componente (3), caracterizados porque dicho primer componente (2) comprende una superficie reflectante parabolica con un punto de enfoque (F) situado en dicho segundo componente (3) y donde dicho primer componente (2) esta embebido dentro del panel (25).
  2. 2. El acristalamiento segun la reivindicacion 1, en donde el segundo componente (3) esta hecho de un material que absorbe la radiacion electromagnetica.
  3. 3. El acristalamiento segun la reivindicacion 2, en donde el segundo componente (3) esta adaptado para convertir la radiacion a energla termica y/o energla electrica.
  4. 4. El acristalamiento segun la reivindicacion 1, en donde el segundo componente (3) esta hecho de un material que refleja la radiacion electromagnetica.
  5. 5. El acristalamiento segun la reivindicacion 4, en donde el segundo componente (3) en parte refleja la radiacion electromagnetica.
  6. 6. El acristalamiento segun la reivindicacion 4, en donde el segundo componente (3) refleja la radiacion infrarroja y/o la radiacion ultravioleta pero transmite la luz visible.
  7. 7. El acristalamiento segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer componente (2) comprende la superficie reflexiva parabolica que difunde o absorbe en su lado posterior.
  8. 8. El acristalamiento segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el segundo
    componente (3) es plano.
  9. 9. El acristalamiento segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el segundo
    componente (3) esta dispuesto en la interfaz orientada hacia dentro (27).
  10. 10. El acristalamiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer y segundo componente (2, 3) estan dispuestos de manera tal que ambos reflejan la radiacion electromagnetica del sol en verano, es decir, cuando el angulo de entrada es relativamente grande.
  11. 11. El acristalamiento segun la reivindicacion 10, en donde dichos componentes (2, 3) estan dispuestos de
    manera que se minimicen la reflexion en los segundos componentes (3) en invierno, es decir, cuando el angulo de
    entrada es relativamente bajo.
  12. 12. El acristalamiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende varios primer y segundo componentes (2, 3).
  13. 13. El acristalamiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende dicho primer y segundo componente como micro estructuras embebidas en una pellcula con un espesor total por debajo del millmetro, opcionalmente laminadas con el cristal de una ventana.
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