Tiềm năng ứng dụng cửa sổ thông minh điện sắc trong việc tiết kiệm năng lượng của tòa nhà và chắn nhiệt trên cửa ô tô

Biến đổi khí hậu đang tiếp tục gia tăng thách thức đối với hầu hết các quốc gia, đặc biệt ở một số khu vực có khả năng tác động cao như ở Đông Nam Á. Việt Nam là quốc gia dễ bị tổn thương do tác động của biến đổi khí hậu. Theo đánh giá năm 2018, Việt Nam đứng thứ 5 về chỉ số rủi ro khí hậu toàn cầu và thứ 8 về chỉ số rủi ro dài hạn (CRI) [1]. Sự nóng lên toàn cầu có nguyên nhân chủ yếu là do hoạt động của con người làm phát thải khí nhà kính. Do đó để giảm phát thải khí nhà kính, sử dụng năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, v.v.) kết hợp với tiết kiệm năng lượng là giải pháp then chốt nhất, từ đó giảm thiểu phát thải khí nhà kính, giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu đến đời sống xã hội.

Cửa sổ thông minh điện sắc là gì?

Cửa sổ thông minh điện sắc (Electrochromic window) ứng dụng vật liệu điện sắc, là vật liệu có thể thay đổi đặc tính truyền ánh sáng (độ truyền qua) khi chịu điện áp (Hình 1) [2] và do đó cho phép kiểm soát lượng ánh sáng và lượng nhiệt đi qua. Do hệ thống cửa sổ thông minh điện sắc có thể cho phép người dùng điều chỉnh ánh sáng theo ý muốn; chúng hiện đã được sử dụng hiệu quả cho mục đích tiết kiệm năng lượng của các tòa nhà với hiệu suất tiết kiệm có thể lên đến 48%. Cửa sổ thông minh điện sắc còn tạo ra cảm giác thoải mái về ánh sáng và nhiệt như chống lóa, giảm nóng, cũng như nâng cao tính thẩm mỹ, đồng thời mang đến sự thoải mái về thị giác cho con người sống trong đó [3]. Ngoài ra, cửa sổ thông minh điện sắc còn có thể ứng dụng làm cửa kính cho ô tô, máy bay v.v.. Điển hình như hãng Boeing đã trang bị cửa sổ thông minh cho các máy bay thuộc dòng Boeing 787 Dreamliner (Hình 2) [4].

Tuy vậy, vật liệu điện sắc vẫn có nhược điểm lớn cần khắc phục, đó là giá thành cao, thời gian đáp ứng chuyển màu chậm, độ giòn cao, dễ vỡ, độ bền thấp v.v..

Trong dự án “Phát triển các cửa sổ điện hóa thông minh mới cho ứng dụng trong tiết kiệm năng lượng của tòa nhà và chắn nhiệt trên cửa ô tô”, nhờ có sự tài trợ của Quỹ VINIF, chúng tôi đã đề xuất nghiên cứu phát triển các cửa sổ thông minh điện sắc với công nghệ được cải tiến trong thiết kế, tổng hợp các vật liệu mới, chế tạo, sản xuất nhằm giảm chi phí sản xuất, giảm thời gian đáp ứng chuyển đổi màu sắc và thời gian phục hồi trạng thái trong suốt, tăng hiệu quả đổi màu, cửa sổ kính mỏng hơn, độ dẻo và độ bền cao hơn so với các cửa sổ thông minh điện sắc hiện có trên thế giới.

Việc thiết kế thành công cấu trúc, tổng hợp vật liệu mới, lắp ráp thiết bị, chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị thông qua công nghệ Internet vạn vật (IoT) cho cửa sổ thông minh điện sắc trong dự án này sẽ mang lại một nền tảng công nghệ mới cho Việt Nam, góp phần tạo hình ảnh tiện nghi hơn cho các công trình xây dựng (văn phòng/căn hộ) trong thời tiết mùa hè nóng gắt, giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của tòa nhà. Công nghệ này cũng có thể được áp dụng trên kính chắn gió của xe ô tô tại các chi tiết như cửa sổ trời, cửa sổ bên và kính hậu của ô tô để giảm sự tích tụ nhiệt khi xe chạy hoặc đỗ ngoài trời nắng. Nhu cầu cũng như thị phần đối với công nghệ này là rất lớn trong khi hiện chỉ có một số lượng hạn chế các nhà cung cấp cửa sổ điện sắc trên toàn thế giới với giá thành đắt đỏ và tính độc quyền cao về công nghệ.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cửa sổ thông minh điện sắc

Cấu trúc của một cửa sổ thông minh điện sắc điển hình thường bao gồm một đơn vị kính cách nhiệt hai lớp (IGU: Insulated Glass Unit), một lớp phủ vật liệu điện sắc và một hệ thống điều khiển. Thành phần quan trọng là lớp phủ vật liệu điện sắc (EC: electrochromic) với các lớp (thường là năm lớp) được lắng đọng trên IGU để thực hiện chức năng điện sắc (Hình 3) [5]. Lớp đầu tiên là một chất dẫn electron trong suốt về mặt quang học lắng đọng trên thủy tinh. Vật liệu phổ biến nhất cho lớp dẫn này là oxit thiếc indium (ITO). Lớp thứ hai là vật liệu EC, có thể dẫn đồng thời ion và electron. Lớp thứ ba là chất điện phân chỉ dẫn ion dưới dòng điện chạy ở điện áp thấp (1 – 5 V). Lớp thứ tư là màng đối điện để dẫn điện của cả electron và ion, có chức năng lưu trữ hoặc giải phóng ion cho vật dẫn ở lớp thứ năm và chất điện phân ở lớp thứ ba. Trong một số trường hợp, lớp thứ tư cũng có thể là chất dẫn ion thay thế cho lớp thứ ba. Vật liệu EC cũng có thể được sử dụng cho lớp này, hoạt động như một cách bổ sung cho lớp thứ hai, do đó hoạt động đồng thời cùng với lớp thứ hai để có hiệu suất chuyển màu cao hơn [6]. Cuối cùng, lớp thứ năm, tương tự như lớp thứ nhất, là một chất dẫn electron trong suốt khác để cung cấp điện trường phân bố đồng đều hơn trên bề mặt thủy tinh. Khi cửa sổ thông minh EC hoạt động, một điện áp được đặt vào hai lớp dẫn trong suốt, cho phép các ion đi qua năm lớp do đó đạt được sự thay đổi màu sắc.

Tiềm năng ứng dụng của cửa sổ thông minh điện sắc

Như chúng ta đã biết, lĩnh vực xây dựng là một trong những lĩnh vực có mức tiêu thụ năng lượng rất lớn, chiếm đến 25% và 40% lượng nước và năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới cũng như tạo ra một phần ba tổng lượng phát thải khí nhà kính (GHGE – Greenhouse Gas Emission) [7].

Nhiệt do sự đốt nóng của ánh nắng mặt trời chiếm khoảng 37% tổng lượng tiêu thụ năng lượng để làm mát của các tòa nhà [8, 9], trong khi thất thoát nhiệt qua cửa sổ chiếm hơn 40% tổng lượng thất thoát năng lượng tòa nhà [10]. Tình trạng này ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn trong bối cảnh các tòa nhà hiện nay được bao quanh hoàn toàn bằng cửa kính.

Mặt khác, do xu hướng phát triển của các tòa nhà không sử dụng năng lượng ròng (Net Zero Energy Buildings – NZEBs), hay còn gọi là nhà tự cung cấp năng lượng trên toàn thế giới trong những năm gần đây, đã mang đến một cơ hội tuyệt vời khác cho các cửa sổ thông minh điện sắc mang đặc tính tiết kiệm năng lượng [8]. Như trên Hình 4, các cửa sổ thông minh được điều khiển bởi hệ điều khiển thông minh có thể lấy tín hiệu môi trường xung quanh từ các cảm biến (như cường độ sáng, độ ẩm, nhiệt độ…). Hệ điều khiển có thể đồng bộ hoá dữ liệu với hệ thống quản lý năng lượng chung để tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ của các toà nhà.

Được trang bị khả năng điều khiển và khả năng tương thích IoT như vậy, cửa sổ thông minh điện sắc có thể đạt được các yêu cầu về sự thoải mái cho người cư ngụ và hiệu quả về mức tiêu thụ năng lượng. Đây là lý do tại sao cửa sổ thông minh điện sắc ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các tòa nhà thương mại và dân cư, cũng như các hình thức khác như cửa ra vào, mái lấy sáng, vách ngăn, v.v.

Tầm quan trọng của dự án đối với sự phát triển kinh tế xã hội cũng như nền tảng công nghệ ở Việt Nam

Dựa trên việc khảo sát, đánh giá tổng quan về công nghệ cửa sổ thông minh điện sắc thì đây là một dự án có tính cấp thiết đối với sự phát triển kinh tế xã hội của Việt Nam, bao gồm những điểm sau:

1. Đây là dự án đầu tiên phát triển các cửa sổ thông minh điện sắc hữu cơ linh hoạt có thể dễ dàng lắp, dán lên các cửa sổ kính đã được triển khai hoặc dán lên kính chắn gió ô tô mà không cần thay đổi thiết kế hoặc lắp đặt cửa kính mới.

2. Các cửa sổ thông minh điện sắc linh hoạt (dẻo) được chế tạo đã bao gồm những tiến bộ mới nhất trong việc chế tạo vật liệu điện sắc hữu cơ mà nó có thể dễ dàng tổng hợp từ các hóa chất hữu cơ đặc biệt, thân thiện hơn với môi trường, giảm thiểu việc sử dụng các vật liệu vô cơ từ nguồn khai thác mỏ. Các vật liệu hữu cơ này cũng cho phép điều chỉnh các cấu trúc phân tử phù hợp với đặc tính điện sắc của chúng. Vật liệu điện sắc hữu cơ cần điện thế thấp hơn (< 3V) để đổi màu, do đó sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với vật liệu vô cơ.

3. Dự án tập trung vào quy trình, giải pháp giảm chi phí sản xuất cửa sổ thông minh điện sắc xuống thấp nhất, tương thích với quy trình sản xuất sơn phủ trên dây chuyền liên tục “roll to roll” nhanh ở điều kiện phòng mà không cần quy trình sản xuất dưới điều kiện chân không đắt đỏ cần vốn đầu tư lớn hiện đang được sử dụng để sản xuất cửa sổ thông minh dựa trên các vật liệu vô cơ.

4. Cửa sổ thông minh điện sắc của dự án sẽ góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng của văn phòng/tòa nhà/phương tiện giao thông, dẫn đến giảm phát thải khí nhà kính, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

5. Cửa sổ thông minh điện sắc của dự án sẽ có độ trong suốt tốt hơn ở trạng thái tẩy trắng (không màu) và màu sâu hơn ở trạng thái bật màu, dẫn đến cảm giác thoải mái hơn cho người ở bên trong nhà.

6. Sự hợp tác đa ngành giữa công nghiệp (doanh nghiệp) và trường đại học, viện nghiên cứu, từ các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau bao gồm kỹ thuật điện, tổng hợp vật liệu hữu cơ, kỹ thuật hóa học đến khoa học vật liệu và kỹ thuật điện tử trong dự án sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho mô hình hợp tác phát triển dựa trên ba bên:Công nghiệp – Giáo dục – Cơ quan nghiên cứu, tạo tiền đề cho các dự án khác trong tương lai và sự phát triển công nghệ ở Việt Nam.

Dự án là sự hợp tác giữa các bên gồm:

1. Viện Nghiên cứu và Đào tạo Việt – Anh, Đại học Đà Nẵng, do TS. Lê Hoàng Sinh làm chủ nhiệm đề tài cùng các thành viên chính là TS. Trần Thế Vũ, TS. Trần Văn Khuê, TS. Nguyễn Văn Huy, và KS. Phan Anh Tuấn.

2. Trường Đại học Duy Tân, do các thành viên gồm TS. Phạm Lê Minh, TS. Vũ Dương, TS. Lê Văn Quyết, Thông, MS. Đặng Ngọc Sỹ và Msc. Nguyễn Hoàng Anh.

3. Công ty TNHH Sản phẩm Vật liệu Cấu trúc thấp chiều, do TS. Trương Quang Trung làm đồng chủ nhiệm đề tài và một số thành viên khác tại Hàn Quốc.

4. Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG HN, do TS. Đặng Thanh Tuấn dẫn đầu.

5. Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam, do TS. Trần Quang Hưng dẫn đầu.

Tác giả: TS. Lê Hoàng Sinh, Viện Nghiên cứu và Đào tạo Việt – Anh (VNUK).

Biên tập: Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF).

Tài liệu tham khảo

[1]. Eckstein, D.; Hutfils, M.-L.; Winges, M. The Global Climate Risk Index 2019: Who Suffers Most From Extreme Weather Events? Weather-Related Loss Events in 2017 and 1998 to 2017; 2019.

[2]. Sbar, N. L.; Podbelski, L.; Yang, H. M.; Pease, B. Electrochromic Dynamic Windows for Office Buildings. Int. J. Sustain. Built Environ. 2012, 1 (1), 125–139. https://doi.org/10.1016/j.ijsbe.2012.09.001.

[3]. Zheng, L.; Shah, K. W. Chapter 16. Electrochromic Smart Windows for Green Building Applications. In RSC Smart Materials; 2019; Vol. 2019-Janua, pp 494–520. https://doi.org/10.1039/9781788016667-00494.

[4]. PPG Selected to Provide Dimmable Windows for Boeing 787. Aircr. Eng. Aerosp. Technol. 2006, 78 (3), aeat.2006.12778caf.006. https://doi.org/10.1108/aeat.2006.12778caf.006.

[5]. Mortimer, R. J. Electrochromic Materials. Annu. Rev. Mater. Res. 2011, 41, 241–268. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-062910-100344.

[6]. Jelle, B. P.; Gustavsen, A.; Baetens, R. The Path to the High Performance Thermal Building Insulation Materials and Solutions of Tomorrow. J. Build. Phys. 2010, 34 (2), 99–123. https://doi.org/10.1177/1744259110372782.

[7]. Ruparathna, R.; Hewage, K.; Sadiq, R. Improving the Energy Efficiency of the Existing Building Stock: A Critical Review of Commercial and Institutional Buildings. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 53, 1032–1045. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.09.084.

[8]. Kapsalaki, M.; Leal, V.; Santamouris, M. A Methodology for Economic Efficient Design of Net Zero Energy Buildings. Energy Build. 2012, 55, 765–778. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.10.022.

[9]. Ferrara, M.; Bengisu, M. Materials That Change Color. In SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology; 2014; Vol. 9, pp 9–60. https://doi.org/10.1007/978-3-319-00290-3_2.

[10]. Lampert, C. M. Electrochromic Materials and Devices for Energy Efficient Windows. Sol. Energy Mater. 1984, 11 (1–2), 1–27. https://doi.org/10.1016/0165-1633(84)90024-8.

[11]. Nanomarket, Dynamic glass offers growing revenue stream http://glassmagazinedigital.com/publication/index.php?m=19305&i=86188&p=10&ver=html5.