Desarrollo de dispositivos electrocrómicos para el control de iluminación

Abstract

RESUMEN: Los dispositivos electrocrómicos (DE’s), son uno de los desarrollos y retos de la ingeniería más importantes en los últimos 20 años, donde se busca elaborar ventanas inteligentes que se conviertan en una alternativa para el control de la energía solar, ya que es posible realizar una modulación de la luz infrarroja, ultravioleta y visible que atraviesa por ellos, logrando así el control de diferentes niveles de temperatura e iluminación dentro de habitaciones y edificios. Su uso genera ahorros de energía eléctrica y reducción en la emisión de contaminantes por la disminución en el encendido de aires acondicionados y calefacciones. Este trabajo se enfocó en el ensamble de DE’s de estado sólido y en la construcción de un sistema electrónico para el control de luminosidad. Se utilizó una configuración de celda electroquímica tipo cátodo/electrólito/ánodo (Vidrio/ITO/LiClO4/NiO/ITO/Vidrio), la cual permite que al aplicar un voltaje en los electrodos de trabajo se modifique la estructura de los materiales, obteniéndose cambios en la transmitancia. Las celdas construidas tuvieron una área de 6.25 cm2, se utilizaron dos electrodos de óxido de indio dopado con estaño (ITO) sobre sustratos de vidrio. Un electrodo hizo la función de ánodo, depositándole por baño químico una película electrocrómica de óxido de níquel y el cátodo fue el otro electrodo sin ningún depósito. Para su experimentación se elaboraron varios electrólitos semisólidos de matriz polimérica con polimetilmetacrilato (PMMA) y perclorato de litio (LiClO4), que fueron utilizados entre el ánodo y el cátodo como conductor iónico. Una vez construidos los DE’s se caracterizaron eléctrica y ópticamente para obtener los voltajes de trabajo, porcentajes de transmisión, relación de contraste y tiempos de respuesta. Con éstos datos se diseñó, construyó y programó un sistema electrónico de control adaptativo y comparativo de lazo cerrado, basado en un modelo de referencia, con una respuesta de salida incremental fija y con límites de operación. El diseño del sistema se basó en una plataforma de desarrollo electrónico abierto (Arduino). El control desarrollado permite seleccionar una transmitancia deseada y aplicar las acciones correctivas necesarias para controlar la transmitancia del DE, ya sea oscureciéndolo o aclarándolo. El trabajo se realizó en los laboratorios de energías alternativas y mecatrónica del CICATA-IPN-QRO y en el laboratorio de investigación en materiales del CINVESTAV-QRO.

ABSTRACT: Electrochromic devices (ED’s) are a developments and challenges of the most important engineering in recent years, to develop smart windows. As sophisticated alternative become control solar energy, and modulating the infrared, ultraviolet and visible light that passing through, allowing to control different levels of temperature and lighting of physical spaces in intelligent buildings. The use of ED does promote energy savings and reduction of the emission of pollutants by reducing the use of air conditioners and heaters. The present work focused on the manufacture of ED’s prototype and an integrated electronic brightness control system. An electrochemical cell configuration of the type cathode/electrolyte/anode (Glass/ITO/LiClO4/NiO/ITO/Glass) was used, which allows applying a voltage to the working electrode is modified material structure, changing of the optical transmittance. The area of the cells was 6.25 cm2, using two electrodes of indium oxide doped with tin (ITO) on glass substrates. An electrode made of anode function, adding an electrochromic layer of nickel oxide by chemical bath; the cathode was the other electrode. Several electrolytes were developed for the experimentation, based on polymethylmethacrylate (PMMA) polymer matrix and lithium perchlorate (LiClO4) as ionic conductor used between anode and cathode. The DE’s thus obtained were electrically and optically characterized for working voltages, corresponding optical transmittance, response times and lifecycles. With this data an electronic system with closed loop comparison and adaptive control, based in a reference model, with a fixed incremental output response and operating limits was designed, built and programmed, using an open development platform electronic (Arduino). The developed control system allows selecting a desired transmittance and implementing corrective actions to control the transmittance of either obscuring or clarifying. The experimental work was carried on at the alternative energy and mechatronics labs at CICATA-IPN-QRO and the materials research labs at CINVESTAV-QRO.