DE69328115T2

DE69328115T2 - Elektrochromes fenster mit eigenständigem photovoltaischen betrieb

Info

Publication number: DE69328115T2
Application number: DE69328115T
Authority: DE
Inventors: K. Benson; S. Crandall; K. Deb; L. Stone
Original assignee: Midwest Research Institute
Current assignee: Midwest Research Institute
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2013-11-06
Also published as: DE69328115D1; EP0669012A4; AU5592394A; AU671339B2; EP0669012A1; WO1994011778A1; US5384653A; EP0669012B1

Description

Vertragliche Herkunft der Erfindung

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an dieser Erfindung unter Vertrag Nr. DE-AC02-83CH10093 zwischen dem U. S. Department of Energy und dem National Renewable Energy Laboratory, welches eines Abteilung des Midwest Research Institutes ist.

Ausgangspunkt

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf energiesparende Fenster, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Variieren der Lichtdurchlässigkeit einer Fensterverglasung.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Derzeitig gibt es ungefähr 19 Milliarden Quadratfuß Fenster in geschäftlich und privat genutzten Gebäuden und weitere 600 Millionen Quadratfuß Fenster werden pro Jahr in neuen Gebäuden über die Vereinigten Staaten hinweg installiert, was zu enormen Kosten und Energieanforderungen für Airconditioning führt, um unerwünschte Sonnenerwärmungen durch diese Fenster zu vermeiden. Statische Sonnenverstärkungssteuerüberzüge können an Fenster angelegt werden, diese Praxis ist jedoch unvorteilhaft, da Sonnenlicht blockiert wird, selbst dann, wenn es für eine Beleuchtung und Erwärmung während kalten Wetters benötigt wird.
Es wurden einige Vorrichtungen und Verfahren entwickelt zum Steuern der Durchlässigkeit von Licht durch Fensterscheiben. Zum Beispiel zeigt U. S.- Patent Nr. 4,768,865 von C. Greenberg et al. einen herkömmlichen elektrochromen Film auf einem Fenster, der auf das Anlegen eines elektrischen Feldes anspricht, um sich von einem hochdurchlässigen, nichtabsorbierenden Zustand zu einem niedrigdurchlässigen, absorbierenden oder reflektierenden Zustand zu ändern. Das Ito et al.-Patent U. S. Patent Nr. 4,832,468 zeigt die Verwendung eines elektrochromen Überzugs zum Abdimmen von Fahrzeugfenstern, einschließlich einer Vielzahl von festen elektrochromen Elementen, die in einer horizontal aneinander liegenden Art und Weise an dem Glasfenster anhaften, wobei jedes Element unabhängig von den anderen steuerbar ist. C. Hashimoto et al. zeigt in seinem U. S.-Patent Nr. 4,958,917 eine Kombination von zwei elektrochromen Zellen, welche zusammen in der Lage sind, die Durchlässigkeit von sichtbarem Licht auf weniger als das übliche untere Limit von 7% für bekannte elektrochrome Überzüge zu reduzieren.
Während Greenberg, Ito und Hashimoto jeweils die Verwendung von elektrochromen Überzügen lehren, um die Durchlässigkeit von Licht durch Fensterscheiben zu steuern, so benötigen sie externe Leistungsquellen und um praktikabel zu sein, benötigen sie eine Verdrahtung in das elektrische System des Gebäudes. Sie absorbieren auch wesentliche Mengen des einfallenden Lichtes und strahlen dann große Mengen der absorbierten Energie als Wärme in das Innere des Gebäudes ab, in dem sie installiert sind, wodurch die Effektivität dieser Vorrichtungen zum Blockieren einer Wärmeverstärkung in den Gebäuden verringert wird und teilweise den Zweck, für den sie verwendet werden, verfehlt.
J. Mockovciak zeigt in seinem U. S.-Patent Nr. 4,475,031 ein selbsterhaltendes sonnenempfindliches Fenster, das aus flüssigen nematischen Kristallen (LC = Liquid Nematic Crystals) aufgebaut ist, die sandwichartig zwischen zwei transparenten Flächenelementen angeordnet sind und direkt durch eine Solarzelle betrieben werden. Flüssige nematische Kristalle sind jedoch nicht in der Lage, Wärmestrahlung zu blockieren. Sie streuen nur Licht, wodurch ein Fenster durchscheinend gemacht wird, aber dies blockiert nicht effektiv eine Erwärmung bzw. einen Wärmegewinn durch Sonnenstrahlen. Ein weiterer Nachteil der Technologie von solchen flüssigen nematischen Kristallen ist, daß eine konstante Energiequelle benötigt wird, um die Durchlässigkeit des Fensters zu verändern, wodurch eine wesentliche und kontinuierliche elektri sche Leistungsquelle benötigt wird, solange eine Durchsichtigkeit anstelle eines Durchscheinens gewünscht ist.
GB-A-1 563 929 zeigt ophthalmische Gläser mit einem Rahmen und variablen lichtdurchlässigen Linsen, welche jeweils eine transparente Elektronenschicht tragen, einen festen, dauerhaften elektrochromen Film, eine Ionenleitende Schicht und eine zweite transparente Elektrodenschicht. Mittel zum Anlegen einer Gleichstromspannung an jedes Paar der Elektroden sind vorgesehen, und zwar zumindest teilweise innerhalb des Rahmens. Die Spannung ist in der Lage, eine Verfärbung der elektrochromen Schicht zu verändern.
US-A-4 968 127 zeigt eine Brille mit elektronisch gesteuerten Linsenstrukturen, bei der die optische Durchlässigkeit der Brille auf ein Niveau eingestellt wird, das mit dem Niveau des Umgebungslichts korreliert. Die Brille weist ein Paar von Linsen mit Flüssigkristallmaterial dazwischen auf, eine Steuerschaltung und eine Leistungsversorgung in der Form einer Batterie und einer Photozellenanordnung, die um den Umfang der Linsenstruktur herum angeordnet ist.
Ferner wird auf die JP-A-57 191 017 verwiesen, welche folgendes zeigt: Abdunkelnde Brillengläser mit einer elektrochromen Substanz, einer Vorrichtung zum manuellen Einstellen dieses Effekts, eine Batterie als eine Energieversorgung und eine Solarbatterie.

Die Erfindung

Demgemäß ist es ein Hauptziel der Erfindung ein eine variable Durchlässigkeit aufweisendes Fenster vorzusehen, das keine externe Leistungsversorgung benötigt.
Ein spezielleres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt im Vorsehen eines Fensters mit variabler Durchlässigkeit, das ferner die Menge der Strahlungsenergie verringert, welche durch ein Fenster übertragen wird.
Ein weiteres spezielles Ziel der vorliegenden Erfindung liegt im Vorsehen eines Fensters mit variabler Durchlässigkeit, das aktiviert und deaktiviert werden kann, wobei Leistung nur beim Übergang zwischen dem aktivierten Zustand und dem deaktivierten Zustand oder umgekehrt verbraucht wird, ohne daß jedoch Leistung benötigt wird, um das Fenster in einem der Zustände zu halten, nach einem Übergang von einem Zustand zum anderen.
Weitere Ziele, Vorteile und neue Merkmale dieser Erfindung ergeben sich teilweise durch die folgende Beschreibung und werden für den Fachmann beim Studium der Beschreibung verdeutlicht oder durch die Ausführung der Erfindung erlernt oder sie können mittels der Instrumente und in Kombinationen realisiert und erhalten werden, die in den folgenden Ansprüchen aufgezeigt sind.
Um die vorhergehenden und weiteren Ziele gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wie sie hier dargestellt und breit beschrieben ist, kann die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Glasplatten aufweisen, die in paralleler Beziehung zueinander beabstandet sind und einen luftdichten Hohlraum dazwischen bilden. Die Oberfläche einer Glasplatte, die zu dem Hohlraum weist, besitzt darauf angeordnet einen Überzug, der einer Anordnung von Photoelementen oder photovoltaischen Zellen in Verbindung mit elektrochromen Material aufweist. Dieser Überzug kann auch parallel mit einer Batterie als alternative Leistungsquelle verbunden sein. Ein weiteres strukturelles Ausführungsbeispiel umfaßt den selben Überzug wie oben beschrieben, der als ein dünnes flexibles transparentes Polymermaterial abgeschieden ist. Das Polymermaterial kann dann an bestehende Fenster angeklebt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Zeichnung, die einen Teil der Offenbarung und der Beschreibung bildet, illustriert das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und dient zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines photovoltaisch angetriebenen elektrochromen Fensters gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Aufrißansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des photovoltaisch angetriebenen elektrochromen Fensters der vorliegenden Erfindung mit einem elektrochromen Material und einer Anordnung von photovoltaischen Zellen, die auf einem transparenten Substrat abgeschieden sind;
Fig. 3 eine Vergrößerung eines Teils gemäß Fig. 1, die eine Anordnung von photovoltaischen Zellen bzw. Photoelementen und den assoziierten Leitungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 4-4 in Fig. 2, die ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrochromen Schicht und Photoelementstruktur des alleinstehenden photovoltaikangetriebenen elektrochromen Fensters zeigt;
Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm für eine elektrochrome Vorrichtung, die entweder durch ein Photoelement oder durch eine Batterie betrieben wird;
Fig. 6 eine Aufrißansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einer Anordnung von Photoelementen und elektrochromen Material, die direkt auf einem dünnen transparenten flexiblen Polymermaterial abgeschieden sind, was einen integralen Überzug erzeugt, der anhaftend an bestehende Fenster angebracht werden kann;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, die ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung von Photoelementen und elektrochromen Material zeigt, die auf einem dünnen transparenten flexiblen Material abgeschieden sind;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linien 7-7 gemäß Fig. 6, die einen integralen Überzug des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt, wobei elektrochromes Material so abgeschieden ist, daß es eine Anordnung von Photoelementen umgibt;
Fig. 9 eine Aufrißansicht, die das dritte Ausführungsbeispiel zeigt mit einer Anordnung von Photoelementen, die um den gesamten Umfang herum angeordnet sind und auf einem dünnen transparenten flexiblen Polymermaterial abgeschieden sind, um einen integralen Überzug zu erzeugen;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 10-10 in Fig. 9, die ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt mit einer Anordnung von Photoelementen, die um den Umfang des dünnen transparenten flexiblen Polymermaterials abgeschieden sind; und
Fig. 11 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 10-10 in Fig. 9, die ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt, wobei ferner elektrochromes Material auf der verbleibenden Oberfläche des dünnen transparenten und flexiblen Polymermaterials abgeschieden ist, das in Fig. 10 gezeigt ist und mit der Anordnung von Photoelementen verkabelt bzw. verbunden ist.
Die alleinstehende photovoltaisch angetriebene elektrochrome Fensteranordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist am besten in den Fig. 1 bis 4 zu sehen. Die Fensteranordnung 10 weist zwei Platten 12 und 42 aus Glas oder einem anderen transparenten Material auf, die parallel und beabstandet zueinander plaziert werden, die durch Abstandshalter 46 beabstandet sind und die um die Umfangskanten abgedichtet sind, um einen luftdichten Hohlraum 50 zwischen den Platten 12 und 42 zu bilden. Auf der Innenseitenoberfläche 14 der Glasplatte 12 und zum Hohlraum 50 weisend ist eine Anordnung 60 aus Photoelementen und ein elektrochromer Überzug 16 abgeschieden. Die Anordnung 60 der Photoelemente und eine Batterie 36 (nicht in den Fig. 1-4 gezeigt aber nachfolgend beschrieben) sind parallel mit dem elektrochromen Überzug 16 verbunden bzw. geschaltet, und zwar über eine geeignete Schaltanordnung (nicht in den Fig. 1-4 gezeigt aber nachfolgend beschrieben), um eine selektive Aktivierung des elektrochromen Überzugs 16 in entweder einen im wesentlichen transparenten Zustand oder einen im we sentlichen undurchsichtigen Zustand. Der Überzug kann auch auf irgendeinen gewünschten Zustand einer teilweisen Durchsichtigkeit oder Undurchsichtigkeit zwischen diesen zwei Grenzen eingestellt werden.
Wenn der elektrochrome Überzug 16 sich in dem im wesentlichen transparenten Zustand befindet, wird Strahlung 70 von der Sonne im wesentlichen sowohl durch die Platte 12 als auch die Platte 42 der Fensteranordnung 10 in das Innere des Gebäudes übertragen. Natürlich wird immer ein Teil der Strahlung 70 durch die Platte 12 und die Platte 42 reflektiert und ein Teil absorbiert, aber wenn sich der elektrochrome Überzug 16 in dem im wesentlichen transparenten Zustand befindet, wird das meiste der Strahlung 70 in dem nahen Infrarot-, sichtbaren Licht- und Ultraviolettteilen des Spektrums in das Innere des Gebäudes eingelassen. Innerhalb des Gebäudes sieht die Sonnenstrahlung 70 natürlich Licht vor, und wird schlußendlich durch Innenwände, Böden, Möbel und ähnliches absorbiert, wobei die elektromagnetische Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt wird. Bei kälteren Umgebungswetterbedingungen ist eine solche Erwärmung des Gebäudeinneren natürlich willkommen. Bei wärmeren Umgebungswetterbedingungen ist sie jedoch nicht erwünscht und muß häufig durch Ventilierung, Airconditioning oder ähnliches abgeleitet oder entfernt werden, um das Innere des Gebäudes auf Temperaturen zu halten, die für Menschen komfortabel sind.
Die Fensteranordnung 10 der vorliegenden Erfindung ist effektiv beim Verringern einer solchen unerwünschten Wärmeverstärkung innerhalb eines Gebäudes durch die Sonnenstrahlung bzw. Einstrahlung, und zwar im wesentlichen durch eine Kombination von Merkmalen. Der elektrochrome Überzug 16 auf der Innenseitenoberfläche 14 der äußeren Platte 12 der Fensteranordnung 10 kann zu seinem im wesentlichen undurchsichtigen Zustand verändert werden, wodurch die Sonnenstrahlung blockiert anstatt hindurchgelassen bzw. übertragen wird. Wenn der Großteil der Sonnenstrahlung in dieser Art und Weise blockiert wird, erreicht sie nicht das Innere des Gebäudes, wo sie absorbiert und in innere Wärme umgewandelt würde. Stattdessen wird eine wesentliche Menge der Strahlung entweder reflektiert oder durch den elektro chromen Überzug 16 absorbiert. Zur selben Zeit verhindern jedoch die Innenseitenplatte 42 und der abgedichtete Raum 50, daß Wärmeenergie von der durch den Überzug 16 absorbierten Lichtstrahlung in das Gebäudeinnere durch entweder Leitung oder Konvektion übertragen wird. Das Glas des inneren Flächenelements 42 überträgt keine erheblichen Mengen an Infrarotstrahlung, wodurch ein Wärmeeintritt durch Strahlung blockiert wird, und der Raum 50 ist so bemessen, daß er groß genug ist, um eine molekulare Leitung von Wärme zu minimieren, wobei er jedoch schmal genug ist, um Konvektion zu verhindern. Zur selben Zeit wird Wärmeleitung durch die äußere Platte 12 von der elektrochromen Schicht 16 und Infrarotstrahlung sowie die Umgebungsluft und Konvektion oder Luftströmungen benachbart zu der Außenseitenoberfläche der Platte 12 absorbierte Wärmeenergie an die Außenatmosphäre abgeben. Daher ist diese Kombination und der Aufbau der Fenstervorrichtung 10 sehr effektiv dabei zu verhindern, daß Energie von der Sonne durch ein Fenster in das Gebäude eintritt.
Wenn jedoch eine Wärmeverstärkung in dem Gebäude gewünscht ist, kann natürlich, wie oben ausgeführt, der elektrochrome Überzug 16 zu seinem im wesentlichen transparenten Zustand zurückgeändert werden, um die Sonnenstrahlung in das Gebäude einzulassen. Natürlich kann, wie oben erwähnt, das Ausmaß der Opazität oder der Transparenz des elektrochromen Überzugs 16 variiert und auf irgendeinen gewünschten Zustand zwischen den zwei Grenzen eingestellt werden, so kann zum Beispiel genügend Licht eingelassen werden, um durch die Fensteranordnung 10 hindurchzusehen, während die Menge der übertragenen Energie minimiert wird.
Gemäß Fig. 4 umfaßt das alleinstehende photovoltaisch angetriebene elektrochrome Fenster 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Photoelementen 60 eines Typs, der in der Technik gut bekannt ist, und zwar auf der Innenoberfläche 14 der Glasplatte 12 oder eines anderen transparenten Substrats. Gemäß der Standardpraxis wird ein Leitbereich 62 des n-Typs auf der Vorderseite 64 eines p-Typs polykristallinen Siliziumsubstrats 66 erzeugt. Eine Vielzahl von Vorderseitenmetallkontakten 68 ist auf der Vorder seite 64 und benachbart zu der Innenoberfläche 14 der Glasplatte 12 abgeschieden. Sowohl die Vorderseite 64 als auch die Metallkontakte 68 sind durch einen nichtreflektierenden Überzug (nicht gezeigt) abgedeckt. Jede Solarzelle ist in Serie/paralleler Art und Weise mit den anderen verbunden, um eine photovoltaische Anordnung 60 zu bilden.
Ein elektrochromer (EC) Überzug 16 ist auf dem Substrat 12 abgeschieden, und zwar direkt benachbart zu der photovoltaischen Anordnung 60 und im wesentlichen die verbleibende Innenoberfläche 14 abdeckend. Der elektrochrome Überzug 16 kann aus fünf Lagen bzw. Schichten aufgebaut sein einschließlich zwei transparenten elektrisch leitenden Schichten (TE) 18 und 26, die als Elektroden dienen, einer elektrochromen Schicht 20, einer ionenleitenden Elektrolytschicht 22 und einer Ionenspeicherschicht 24 oder Gegenelektrodenschicht.
Im allgemeinen wird der EG-Überzug 16 auf der Innenoberfläche 14 der Glasplatte 12 abgeschieden, und zwar eine Schicht nach der anderen, wie zum Beispiel durch physikalische Dampfabscheidung, Sputtern, chemische Dampfabscheidung, d. h. wärmestimulierte oder Hochfrequenzentladung oder ähnliches. Zum Beispiel kann die erste Schicht, die auf dem Substrat 12 abgeschieden wird, die transparente Leiterschicht (TE) 18 sein, die aus hochdotierten Metalloxiden, wie z. B. Zinnoxid, Zinkoxid, Indiumoxid oder Mischungen derselben, hergestellt ist. Diese TE-Schicht kann eine Dicke von ungefähr 1000 bis 5000 Angström aufweisen. Eine elektrochrome Schicht (EC) 20 wird als nächstes auf der TE-Schicht 18 abgeschieden. Ein elektrochromes Material ist ein Material, das eine Farbe annimmt oder verliert, d. h. abdeckend bzw. undurchsichtig oder transparent wird, und zwar ansprechend auf eine elektrische Spannung oder einen Strom dorthindurch. Typische Beispiele von elektrochromen Materialien oder sogenannten kathodischen elektrochromen Materialien, welche eine Farbe in einem reduzierten Zustand annehmen, der durch einen elektrischen Gleichstrom induziert werden kann, umfassen WO&sub3;, MoO&sub3;, TiO&sub2;, U&sub2;O&sub5;, Bi&sub2;O&sub3;, PbO&sub2; und CuOx. Diese EC-Schicht kann eine Dicke von ungefähr 1000 bis 5000 Angström aufweisen. Eine ionenleitende Elektrolyt schicht 22 kann auf der EC-Schicht 20 abgeschieden werden. Die Elektrolytschicht 22 kann eine Flüssigkeit, ein Polymergel oder ein fester Film sein. Für die meisten Anwendungen ist ein flüssiger Elektrolyt nicht praktikabel. Polymergels, in denen die Polymere wie ein Schwamm wirken, um den flüssigen Elektrolyten zu halten, können praktikabel sein, wenn das Polymergel auch als die Verbindungsschicht zwischen zwei Glasflächenelementen oder zwei Plastikflächenelementen verwendet wird, auf denen die anderen Lagen oder Schichten abgeschieden wurden. Typische Polymergele können aus Polyethylenoxid, Polypropylenoxid oder einem Silikon hergestellt sein, in dem eine Lithiumsalzlösung aufgenommen ist, wie z. B. ein Lithiumperchlorat, das in Propylenkarbonat aufgelöst ist. Feste Dünnfilmelektrolyte werden aus sogenannten Leitermaterialien für schnelle Ionen (fast-ion conducaor materials) hergestellt, in denen entweder Lithium oder Wasserstoffionen leicht diffundieren. Beispiele solcher Leitermaterialien für schnelle Ionen umfassen Li&sub3;N, Li&sub2;NH, und Li1-xMxTi2-x (PO&sub4;)&sub3;, wobei M ein weiteres Metall, wie z. B. Aluminium, Chrom, Gallium oder ähnliches repräsentiert. Eine feste Dünnfilmelektrolytschicht 22 kann z. B. eine Dicke von 1000 bis 5000 Angström aufweisen. Als nächstes wird die Ionenspeicherschicht 24 auf der Elektrolytschicht 22 abgeschieden. Die Materialien, die in dieser Ionenspeicherschicht 24 verwendet werden, können ein komplementäres elektrochromes Material oder ein anodisches elektrochromes Material sein, welches eine Farbe in einem oxidierten Zustand annimmt. Ein typisches Beispiel für ein solches Material ist Preußischblau (Prussian blue) und andere praktikable Beispiele umfassen Ni(OH)&sub2;, IrO&sub2; und CuOx. Diese Ionenspeicherschicht 24 kann eine Dicke von ungefähr 1000 bis 5000 Angström besitzen. Schlußendlich wird die zweite transparente elektrisch leitende Schicht 26 für die zweite Elektrode abgeschieden, wodurch der elektrochrome Überzug (EC) 16 fertiggestellt wird.
Zwei Leitungen 32 und 33 sind mit den jeweiligen transparenten leitenden Elektrodenschichten 18 und 26 verbunden, um eine elektrische Spannung und einen Kreis über den EC-Überzug 16 vorzusehen, die bzw. der notwendig ist, um zu bewirken, daß der EC-Überzug 16 sich von einem transparenten zu einem abdeckenden bzw. undurchsichtigen Zustand und umgekehrt ändert.
Die Leitungen 32 und 33 sind wiederum mit einem Polaritätsumkehrschalter 39 verbunden, der innerhalb einer Steuerbox 90 aufgenommen ist, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Der Schalter 39 erlaubt, daß die Polarität der Ladung über den EC-Überzug 16 umgekehrt wird, wodurch die Opazität des EC-Überzugs 16 verändert wird, wie in größerer Einzelheit nachfolgend beschrieben wird.
Ein Leistungsversorgungsausfallschalter 38 ist in Serie mit dem Polaritätsumkehrschalter 39 verbunden. Die zwei verfügbaren alternativen Leistungsquellen zum Betätigen der vorliegenden Erfindung sind eine Batterie 36, die auch innerhalb der Steuerbox 90 aufgenommen ist, und die Anordnung der Photoelemente 60, die parallel mit dem EC-Überzug 16 geschaltet sind. Der Schalter 38 wird verwendet, um zwischen diesen zwei alternativen Leistungsquellen 36 und 60 auszuwählen. Die Leitungen 34 und 35, die mit der Anordnung der Photoelemente 60 verbunden sind, werden dann mit den Leitungen 34' und 35' verbunden, die in der Steuerbox 90 beginnen, um die Schaltung bzw. den Schaltkreis zu vervollständigen, wie in Fig. 5 dargestellt ist.
Die zweite oder innere Glasplatte 42 oder ein anderes transparentes Material ist parallel zu und beabstandet von der äußeren Glasplatte 12 angeordnet. Diese räumliche Trennung zwischen den Platten 12 und 42 wird durch Aluminiumabstandshalter 46 an den Umfangskanten der Platten 12 und 42 beibehalten, um dadurch eine luftdichte Kammer 50 zwischen den Platten 12 und 42 zu bilden, welche den EC-Überzug 16 einschließt. Der Aluminiumabstandshalter 46 dient nicht nur dazu, diese Glasplatten 12 und 42 in einer beabstandeten Beziehung zu halten sondern auch als ein Behälter für ein Trockenmittel 54. Das Trockenmittel 54 steht in Verbindung mit der Kammer 50, und zwar über Öffnungen 52, so daß es jeglichen Wasserdampf innerhalb der Kammer 50 absorbieren kann, um hierdurch die Bildung von Kondenswasser auf der Innenseitenoberfläche der Glasplatten 12 und 44 zu verzögern.
Im Betrieb gibt die Anordnung der Photoelemente 60 einen elektrischen Gleichstrom aus, und zwar proportional zur Intensität des darauf einfallenden Sonnenlichts 70. Die Gleichstromspannung, die durch die photovoltaische Anordnung 60 erzeugt wird, wird dann zwischen den TE-Schichten 18 und 26 des EC-Überzugs 16 angelegt, die als positive bzw. negative Elektroden dienen. Während die Spannung über die zwei Elektroden 18 und 26 angelegt wird, werden Ionen aus der Gegenelektrode 24 entfernt, durch die ionenleitende Schicht 22 geleitet und in das elektrochrome Material 20 eingeführt, so daß die zwei Lagen 24 und 20 simultan oxidiert bzw. reduziert oder desoxidiert werden. In diesem "Ein"-Zustand werden sowohl die Materialien 24 als auch 20 abdeckender bzw. undurchsichtiger. Wenn das gewünschte Lichtdurchlässigkeitsniveau oder eine bestimmte Abdeckung bzw. Undurchlässigkeit erreicht ist, kann der Schalter 38 zu einer "Aus"-Position bewegt werden, wodurch die angelegte Spannung entfernt wird. Wenn keine Spannung über den EC-Überzug 16 anliegt, hält er den jeweiligen Zustand der Undurchsichtigkeit oder Transparenz, indem er sich befand, als die Spannung entfernt wurde. Über die Zeit hinweg werden die Ionen zu ihrem ursprünglichen Zustand zurückwandern ohne die Hilfe der elektrischen Spannung, wodurch die Durchsichtigkeit des EC-Überzugs 16 erhöht wird. Diese Wanderung ist jedoch ein sehr langsamer Vorgang und es ist für praktische Zwecke nicht notwendig, daß eine Spannung beibehalten wird, um einen abdeckenden bzw. undurchsichtigen Zustand beizubehalten.
Wenn der EC-Überzug 16 der vorliegenden Erfindung "ein"-geschaltet ist, d. h. undurchsichtig ist, wird der größte Teil der Sonnenenergie absorbiert und abgestrahlt oder zurück zum Äußeren bzw. zur Außenseite geleitet, wie oben beschrieben. Ein kleiner Prozentsatz der Sonnenenergie 72 kann jedoch die Kammer 50 erreichen. Da sie jedoch relativ schmal ist, vorzugsweise ungefähr 10 bis 15 mm, tritt nur eine sehr geringe Konvektion in der luftdichten Kammer 50 auf, so daß eine vernachlässigbare Menge von Wärme das Innere des Gebäudes erreicht. Das Umkehren und Anlegen der Gleichstrompolarität über die TE-Schichten 18 und 26 durch den Schalter 39 bewirkt eine Umkehr der elektrochromen Eigenschaften, und der EC-Überzug 16 kehrt zu seinem hochtransparenten oder strahlungsübertragenden Zustand zurück. Der Schalter 38 kann auch die Batterie 36 als eine alternative Energie- oder Leistungsquelle aktivieren, wenn die Bedingungen so sind, daß das einfallende Sonnenlicht 70 für die photovoltaische Anordnung 60 nicht ausreicht, um Energie zu produzieren. Die photovoltaische Anordnung 60 kann auch dazu verwendet werden, die Batterie 36 aufzuladen, wenn sie nicht anderweitig verwendet wird. Da elektrische Leistung nur während des Übergangs von einem undurchsichtigen oder transparenten Zustand zu dem anderen benötigt wird, aber nicht um irgendeinen bestimmten Zustand zu erhalten, sieht diese Kombination der Fensteranordnung 10 eine sehr effektive steuerbare und trotzdem effiziente energiesparende Vorrichtung vor, die selbsterhaltend ist und im Betrieb eine Wärmeverstärkung bzw. eine Erwärmung in einem Gebäude reduziert oder fördert, und zwar ohne die Notwendigkeit einer externen Leistungs- bzw. Energiequelle.
In alternativen Ausführungsbeispielen 100 und 200, wie sie in den Fig. 7- 11 dargestellt sind, ist die Anordnung der Photoelemente 60 und des elektrochromen Überzugs 16 auf einem dünnen flexiblen transparenten Polymermaterial 112 abgeschieden im Gegensatz zu einem Glasflächenelement 12 wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 10, um dadurch einen integralen photovoltaisch angetriebenen elektrochromen Film 100 zu bilden, der anhaftend an die Innenoberfläche von bestehenden Fenstern angebracht werden kann.
Eine Anordnung von Photoelementen 60 ist auf einem Teil der Oberfläche 114 des Polymermaterials 112 abgeschieden, und zwar entlang einem Ende, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Ein elektrochromer Überzug 16 ist dann auf der verbleibenden Oberfläche 114 abgeschieden, um dadurch vollständig die photovoltaische Anordnung 60 zu umgeben, wie in Fig. 7 und noch deutlicher in Fig. 8 dargestellt ist. Leitungen 32, 35 sind mit der photovoltaischen Anordnung 60 und der elektrochromen Schicht 16 in der selben Art und Weise wie bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben verbunden, und in gleicher Weise sind sie mit Leitungen 32'-35' verbunden, die von der Steuerbox 90 ausgehen.
Das alternative Ausführungsbeispiel 200 ist in der selben Art und Weise aufgebaut wie das alternative Ausführungsbeispiel 100 mit der Ausnahme, daß die photovoltaische Anordnung 60 in einer kontinuierlichen Schleife mit einem Abstand innerhalb des Umfangs der Oberfläche 114 des Polymermaterials 112 abgeschieden ist. Das Abscheiden der photovoltaischen Anordnung 60 in dieser Art und Weise erzeugt zwei separate Oberflächenbereiche, den inneren Oberflächenbereich 114 und den äußeren Umfangsoberflächenbereich 114', auf denen elektrochrome Überzüge 16 bzw. 16' abgeschieden sind. Leitungen 32 und 33, die mit den Anschlüssen 28 bzw. 30 verbunden sind, sind wiederum auch mit den Anschlüssen 28' bzw. 30' verbunden. Gie Anschlüsse 28' und 30' sind wiederum mit dem elektrochromen Überzug 116' verbunden, der auf der Außenumfangsoberfläche 114' abgeschieden ist. Das alternative Ausführungsbeispiel 200 wird vorteilhafterweise dort verwendet, wo infolge des Architekturdesigns verhindert wird, daß das einfallende Sonnenlicht zu einem Zeitpunkt auf die gesamte Fensterfläche fällt. Die photovoltaische Anordnung 60 erhöht, wenn sie in einer rechteckigen Schleifenkonfiguration ausgelegt ist, die Wahrscheinlichkeit, daß ein Teil des einfallenden Sonnenlichtes 70 einen Teil der photovoltaischen Anordnung 60 trifft, selbst dann, wenn ein anderer Teil derselben im Schatten liegt.
Wie oben beschrieben, sind die photovoltaischen Anordnungen 60 der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele von den Kanten versetzt, so daß der Außenumfang des Oberflächenbereichs 114' zugeschnitten werden kann, um an ein bestehendes Fenster zu passen. Sobald es auf eine gewünschte Fenstergröße zugeschnitten ist, kann das elektrochrome Flächenelement 200 an die Oberfläche des Fensters (nicht gezeigt) angeklebt werden. Es können bekannte Kleber verwendet werden, einschließlich solcher, die typischerweise mit abziehbaren Schutzflächenelementen oder Folien während einer Aufbewahrung und eines Transports vorgesehen werden. Die Steuerbox 90 kann an einer freiliegenden bzw. zugreifbaren Position plaziert werden und die Leitungen 32' bis 35', welche von der Steuerbox 90 ausgehen, können mit den jeweiligen Leitungen 32 bis 35 verbunden werden. Sobald das elektrochrome Flächenelement 200 an seinem Platz an einem Fenster angeklebt ist und wie oben beschrieben angeschlossen ist, kann es verwendet werden, um selektiv die Opazität oder Transparenz des Fensters zu variieren.
Die vorhergehende Beschreibung wird nur als Darstellung der Prinzipien der Erfindung gesehen. Da sich dem Fachmann ferner zahlreiche Modifikationen und Änderungen ergeben werden, ist es nicht gewünscht, daß die Erfindung auf den genau dargestellten und beschriebenen Aufbau und Vorgang begrenzt ist. Demgemäß kann man sich auf alle geeigneten Modifikationen zurückziehen, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

1. Fenstervorrichtung (10), die folgendes aufweist:

ein Flächenelement aus transparentem Material (12; 112) mit einer Oberfläche (14; 114), wobei ein erster Teil der Oberfläche elektrochrome Opazitätsveränderungsmittel(16) aufweist, um die effektive Strahlungsdurchlässigkeit des erwähnten ersten Teils des Flächenelements (12; 112) ansprechend auf ein elektrisches Feld zu verändern, und wobei ein zweiter Teil der Oberfläche photovoltaische elektrische Felderzeugungsmittel (60) abgeschieden auf der erwähnten Oberfläche (14; 114) aufweist, die einfallendes Licht absorbieren, um ein elektrisches Feld zu erzeugen; und Schaltungsmittel verbunden mit den erwähnten photovoltaischen elektrischen Felderzeugungsmitteln (60) abgeschieden auf dem erwähnten zweiten Teil der Oberfläche (14; 114) des Flächenelements (12; 112) und mit den elektrochromen Opazitätsveränderungsmitteln (16), in der Art, daß ein durch die photovoltaischen Mittel (60) erzeugtes elektrisches Feld ansprechend auf Licht, das auf den erwähnten zweiten Oberflächenteil des Flächenelements auftrifft, an die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) am erwähnten ersten Teil der Oberfläche (14; 114) angelegt wird, um die effektive Lichtübertragung oder Lichttransmittanz des ersten Teils der Oberfläche (14; 114) des Flächenelements ansprechend auf den zweiten Teil der Oberfläche des Flächenelements auffallendes Licht zu verändern.

2. Fenstervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das transparente Material Glas oder ein flexibles Kunststoffmaterial ist.

3. Fenstervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die photovoltaischen elektrischen Felderzeugungsmittel (60) einen photoempfindlichen Halbleiter aufweisen, und zwar abgeschieden auf dem erwähnten zweiten Teil der erwähnten Oberfläche (14; 114), um das elektrische Feld ansprechend auf die Bestrahlung durch Lichtenergie zu erzeugen.

4. Fenstervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) eine Schicht (20) aus elektrochromen Material aufweisen, eine Schicht (22) aus Elektrolytmaterial, eine Ionenspeicherschicht (24), und zwei gesonderte Schichten (18, 26) aus elektrisch leitendem Material, wobei die Schichten oder Lagen (20, 22) aus elektrochromen Material und Elektrolytmaterial sandwichartig zwischen den zwei erwähnten Schichten (18, 26) aus elektrisch leitendem Material angeordnet sind, und wobei die erwähnten Schaltungsmittel mit den zwei Schichten oder Lagen aus elektrisch leitendem Material in einer Art und Weise verbunden sind, die das Anlegen eines elektrischen Feldes mit reversibler Polarität an den Elektrochromen- und Ionenspeicherschichten (20, 24) gestattet.

5. Fenstervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die photovolatischen elektrischen Felderzeugungsmittel (60) auf einem schleifenförmigen Teil des Flächenelements abgeschieden sind, und zwar mit einem Abstand nach innen gegenüber dem Umfang oder Umkreis des Flächenelements beabstandet.

6. Fenstervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsmittel Schaltermittel (39) aufweisen zum Umkehren der Polarität des an die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) angelegten elektrischen Feldes.

7. Fenstervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schaltungsmittel alternative elektrische Felderzeugungsmittel aufweisen, und wobei die Schaltermittel (39) auch mit den alternativen elektrischen Felderzeugungsmitteln verbunden sind, um die alternativen Felderzeugungsmittel selektiv mit den elektrochromen Opazitätsveränderungsmitteln (16) zu verbinden.

8. Fenstervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die alternativen elektrischen Felderzeugungsmittel eine Batterie (36) sind.

9. Fenstervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Batterie (36) durch ein elektrisches Feld wieder aufladbar ist, und zwar erzeugt durch die erwähnten photovoltaischen elektrischen Felderzeugungsmittel (60) abgeschieden auf dem zweiten Teil der Oberfläche des erwähnten Flächenelements.

10. Fenstervorrichtung (10) nach einem der vorliegenden Ansprüche mit einer ersten Ebene (12), die das Flächenelement aus transparentem Material (12), die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) und die photovoltaischen elektrischen Felderzeugungsmittel (60) aufweist;

mit einer zweiten Ebene (42), die ein weiteres Flächenelement aus transparentem Material aufweist, und zwar positioniert parallel zu und mit einem Abstand angeordnet gegenüber der ersten Ebene (12) in der Weise, daß die Oberfläche der erwähnten ersten Ebene (12), die die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) und die photovoltaischen Felderzeugungsmittel (60) aufweist, in aufeinander zuweisender, gegenüberliegender Beziehung zu der zweiten Ebene (42) angeordnet ist; und

mit einem Abstandselement bzw. einem Abstandsrand (46) positioniert zwischen den Umkreis- oder Umfangskanten der ersten und zweiten Ebenen, um eine Kammer (50) zwischen den ersten und zweiten Ebenen einzuschließen.

11. Fenstervorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Abstandselement (46) einen kanalförmigen Querschnitt besitzt, der ein Abteil umschließt mit Öffnungen (52), welche die Kammer (50) und das Abteil verbinden, und mit einem Trocknungsmaterial (54) positioniert in dem Abteil.

12. Fenstervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste Ebene (12) ungefähr 10 bis 15 mm von der zweiten Ebene (42) angeordnet ist.

13. Fenstervorrichtung nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist:

eine erste Ebene (12), welche das Flächenelement aus transparentem Material (12) und die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel (16) auf einem Teil der Oberfläche des Flächenelements aufweist zur Veränderung der effektiven Strahlungsdurchlässigkeit des Flächenelements;

wobei die photovoltaischen Felderzeugungsmittel (60) auf einem anderen Teil der Oberfläche des Flächenelements zur Erzeugung eines elektrischen Feldes abgeschieden sind;

eine zweite Ebene (42), die ein weiteres Flächenelement aus transparentem Material positioniert parallel zu und ungefähr 10 bis 15 mm entfernt von der ersten Ebene (12) aufweist, wobei die Oberfläche der ersten Ebene, die die elektrochromen Opazitätsveränderungsmittel und die photovoltaischen Felderzeugungsmittel enthält, in einer hinweisenden gegenüberliegenden Beziehung zu der zweiten Ebene (42) angeordnet ist; und mit

einem Abstandselement (46) mit einem kanalförmigen Querschnitt mit einem Abteil darinnen positioniert zwischen den Umkreiskanten der ersten und zweiten Ebenen, um eine Kammer (50) zwischen den ersten und zweiten Ebenen zu umschließen, wobei ein Trocknungsmittel (54) in dem Abteil positioniert ist und das Abstandselement (46) Öffnungen besitzt, die das Abteil zur Kammer (50) hin öffnen.