基于电致变色技术调光的日光温室研究

基于电致变色技术调光的日光温室研究

李天华，吴英，万猛

(遵义师范学院物理与机电工程系，寅烈遵义563002)

摘要：阐述了日光温室夏季降温的必要性。并制作WO，电致变色薄膜玻璃作为日光温室的透明覆盖材料。该

材料在780—3000rim红外光谱区调节太阳光辐射能量(控制范围为1．028％一35．98％)，通过该玻璃，WO，电致变色薄膜玻璃可以在夏季降低温室温度，在冬季保持室内温度，为温室内的作物提供适宜的日光环境和温度。关键词：日光温室；电致变色；W03薄膜；光环境中图分类号：$625．5\"2

文献标识码：A

文章编号：1003—188X(2012)08--0076一04

0引言

日光温室是一种采用玻璃或者塑料薄膜等透光材料作为部分或全部围护结构，具有加热、降温、补光和遮光等环境调控设备，能够创造适于作物生长发育所需环境条件，进行有效生产的农业建筑设施，是推动农村经济的发展、实现农业产业化和现代化的重要途径之一【lj。日光温室内的光照条件来源于太阳光

线，属于半封闭系统，存在“温室效应”。夏季强烈的

11．1

设计原理及机构

设计原理

电致变色是一种光学性能可变换性变色，指电致

变色材料在外界交替的高低或者正负电场的作用下，通过抽取和注入电荷(离子或电子)．产生可逆的低透

射率的致色状态或高透射率的消色状态之间变化，直

观表现为材料的颜色以及透明度的可逆变化，即材料

的反射率、吸收率、透光率三者比例关系的连续可调节变化。电致变色材料符合未来智能材料的发展趋势，有着优异的节能性能，是一种应用前景广闼的功

能材料，在建筑节能窗玻璃、灵巧窗、元炫反光镜、电

太阳光线和高温会抑制作物的光合作用，甚至严重影响作物的生长发育。例如。处于我国亚热带地理环境

华东地区的南京，夏季室外温度达到36—39℃，在没

有采取任何遮阳降温措施的温室内温度高达50—

70℃，远高于日常作物生长需要的上限温度30—

致变色存储器件、光电开关和显示技术等领域都有应用前景¨1。电致变色材料主要分为有机电致变色材料和无机电致变色材料。有机电致变色材料主要有各种有机杂环化合物，如紫罗精类、稀土酞花菁类和导电聚合物类等。无机电致变色材料主要是过渡金

属氧化物或者水合物，如WO，(氧化钨)，MoO，，NiO，，

32℃旧J。因此，需要采用具有一定透光率的遮阳材料来减弱室内光照强度、有效降低室内温度，促进作物光合作用，创造适宜作物生长的环境条件。目前，主

要用遮阳网、开窗通风、顶部喷淋和湿帘风机来对日

光温室内进行降温口。遮阳网需要人工安装在温室CeO：一TiO：等。目前研究较多的是无机电致变色材

料，主要集中在过渡金属氧化物。过渡金属氧化物有较强的变色特性和氧化还原能力，尤其是非晶态过渡

外面和内部，用卷帘机进行手动或者电动卷帘操作，把作物需要的380—760rim的太阳光遮蔽。

笔者采用WO。电致变色薄膜玻璃来作为目光温室的透明覆盖材料，在夏季对温室进行遮阳降温和光

质控制，为温室内的作物提供适宜的日光环境和温

金属氧化物薄膜展现出稳定丽独特的变色性能。其中WO，薄膜是典型的电致变色材料，具有化学稳定性强、抗辐射能力强、容易获得好的变色特性。

1．2总体设计

度，在冬季为温室内的作物提供适宜的日光环境和保

持温度。

收稿日期：2011一∞一20

基金项目：遵义师范学院教研基金资助项目(09-22)

作者简介：李天华(1970一)，男，贵州遵义人，副教授．(E-mail)lthyy@

163。cl锄。

．76

WO，电致变色薄膜玻璃采用多层结构(如图l所示)，由玻璃、ITO透明电极、氧化钨薄膜、电解质、ITO

透明电极和玻璃堆叠而成。将ITO透明电极镀在2片玻璃表面形成1个空腔，在空腔内交替堆叠着氧化钨薄膜B、电艇质H+、氧化钨薄膜A3层活性薄，处于

2012年8月农机化研究第8期

中间的电解质H+起到将自由离子从离子存储层传输到电致变色层的作用…。

WO，电致变色薄膜玻璃在褪色状态下，在波长430nm处有70％的透光率，在波长480nm处有80％的透光

率，在波长530nm处有65％的透光率，在波长650～

700nm处的透光率>70％，在红外光波长780nm一∞处的透光率>70％【7J。因此，WO，电致变色薄膜玻璃的光调制范围大。

图l

Fig．1

W03电致变色潭膜瑗埚结构

Construction0fWicfilmgIⅢ03electro-chrom

2关键部件设计

2．1

300400

500C000

700800

WO。电致变色薄膜玻璃

将WO，(纯度≥99．00％)清洗除去表面污染物，

图2

Fig．2

Transmission

波长^／m

J

W03电致变色薄膜玻璃透射光谱图

spectra

烘干并研磨，放入l100℃的马福炉焙烧8h，得到多种晶体结构的WO，靶材。基板用铟锡氧化物半导体薄膜ITO(IndiumTinOxides)玻璃。用中频磁控溅射设

ofVV03deetro-chromicfilmgIm

3试验与结果

3．1试验基本条件

备制备WO，电致变色薄膜，溅射过程是利用辉光发电原理，溅射设备产生的正负离子在电场的作用下，高速轰击作为阴极的WO，靶材，使WO，靶材中的原子逸

出到基板表面成膜。磁控溅射室真空预抽到10—7Torr，磁控溅射室温度70℃。真空室内氧气(纯度≥

本设计的WO，电致变色薄膜玻璃日光温室形式为乎坡屋面，采用桁架屋面梁结构，由钢管桁架、纵向铁丝、室内中柱和不锈钢骨架等构成。使用lm2的WO，电致变色薄膜玻璃20块，面积20m2，作为透明覆

盖材料¨J。

99．00％)与氲气(纯度I>99．00％)混合，比值：氧气／(氧气+氩气)=95％。混合气体流量为50mL／min，压强为60reTort。溅射1h，得到沉积在ITO玻璃上的

WO，电致变色薄膜¨J。

2．2

通过改变驱动电压的极性，就可以方便地实现WO，薄膜的着色和褪色。在WO，薄膜加上+3V驱动电压8s后开始着色，50s着色完毕，断电后WO。薄膜

的着色存储时间为24h，24h内保持着色状态。WO，薄膜在加上一3V驱动电压8s后开始褪色，50s褪色完

WO。电致变色薄膜玻璃的透射光谱性能

对WO，电致变色薄膜玻璃进行着色和褪色的电

致变色实验。测试制作的WO，电致变色薄膜玻璃在着毕，断电后WO，薄膜一直保持褪色状态。WO，电致变色薄膜在驱动电压士3V下的响应速度曲线如图3所

示。WO，电致变色薄膜在着色和褪色状态时峰值电

色(蓝棕色)和褪色(透明)状态下的透射光谱啦线。光谱测试使用紫外分光光度计(型号UV752)，测试波

长范围为200—1000nm。驱动电压±3V，着色状态驱

流变化的速度为50s，说明该WO，电致变色薄膜具有

较快的电致变色响应速度。

动电压+3V，褪色状态驱动电压一3V。由透射光谱曲

线图(如图2所示)可知：WO，电致变色薄膜玻璃在着

在WO，薄膜电致变色的过程中，电荷的抽取数量

和注入数量可以通过改变驱动电压的高低或者改变电流的大小实现。因此，连续调节驱动电压或者电流可以连续控制WO，薄膜的电致变色程度，可以根

作

色状态下，在波长390nm处最高只有40％的透光率，

在波长500nm处有20％的透光率，在波长600nm处有10％的透光率，在红光波长650nm处有5％的透光

率，在红外光波长780nm～∞处透光率<2％非常低；

77

物对太阳光质的需要进行调节。

2012年8月农机化研究第8期

一35．98％的太阳光辐射能量通过该玻璃，可以按照温室需要调节进入室内的太阳辐射能量，为作物保持

一个适宜的生长环境，减少为温室降温消耗的电能。由于温室附近其它地面物体会产生热辐射能，WO，电

致变色薄膜玻璃日光温室可以采用顶部开窗的方式，

使用顶部喷淋装置和湿帘风机来对温室内进行辅助

降温。夜间运行时，WO，电致变色薄膜玻璃处于褪色

状态，让温室内多余的热量以红外光长波辐射到外界，降低温室温度。

冬季白天运行时，WO，电致变色薄膜玻璃处于褪色状态，大部分400—3000nm的太阳光辐射能量通过

WO，电致变色薄膜玻璃，为温室内地面、作物等物体提供太阳光辐射能量，提高温室温度，为作物提供充

圈3Fig．3

W03电教燹色薄膜玻璃±3V驱动电压F的响应曲线圈

icfilmResponsediagramofW03electro-chrom

drivenby±3Vvoltage

足的阳光进行光合作用。

温室在夜间运行时，通过覆盖材料的传热途径主要有辐射、传导和对流3种方式。WO，电致变色薄膜玻璃处于着色状态，阻隔温室内地面、作物等物体以红外光长波的方式向外界辐射热量，保持温室内热量

和温度。

gl№that

3．2试验结果

WO，薄膜电致变色过程所需要的电量为100C／m2

量级，驱动电压±3V，lm2WO，电致变色薄膜玻璃完成一次着色或者褪色要用时间50s，需要2A电流，功率

P=6W。面积20m2的WO，电致变色薄膜玻璃着色一

4结论

目前对电致变色材料的研究和应用还处于起步阶段，无机电致变色材料颜色较为单一，只能在透明无色、棕色或者蓝色之间转换。由于离子需要通过晶格扩散，导致颜色转换速度较慢。制作全固态、大面积的电致变色玻璃还存在循环次数不够多的问题。为此，需要找到理想的能与电致变色层性能兼容、响应速度快、性能稳定的透明材料作为电极层，以及改善制备方法和工艺，进行恰当的掺杂等。

次，功率P=120W，用时间50s，消耗电能0．02kWh。100m2WO，电致变色薄膜玻璃褪色1次，功率P=120W，用时间50s，消耗电能0．02kwh。每1天着

色一次和褪色一次共消耗电能仅0．4kWh。

在自然条件下，任何作物的生长都是依靠太阳辐射作为光能进行光合作用的，长期的驯化和培养形成

了作物对太阳光照的适应性。温室栽培时，由于作物对光照要求的习性仍然不能改变，所以在进行温室采

光设计前必须分析太阳辐射的特性。太阳辐射穿过

大气层照射到地球表面的太阳光谱范围是300nm一

3

温室的透明覆盖材料将作物与外界环境隔离，使作物处于相对封闭的、更加适于生长的可控环境条件之中。通过透明覆盖材料，作物生长的温室环境与外

界环境之问不断进行着能量的流动与交换，两者之间相互作用、相互影响。因此，透明覆盖材料是日光温室中最重要的部件，透明覆盖材料及其特性直接影响着作物的生长。近年来，人们对采用高效率、节约能

000nm。其中，300～380nm为紫外光谱区，大约占

太阳光辐射能量的8．3％；380～780nm为可见光谱区，作物生长(光合作用)取决于可见光部分，大约占

太阳光辐射能量的40．3％；780—3000nm为红外光

谱区，能够提高作物的温度并加速水分蒸发，大约占

太阳光辐射能量的51．4％[91。

夏季白天运行时，WO，电致变色薄膜玻璃处于着色状态，在红外光波长780nm～∞处透光率<2％，只能透过2％x51．4％=1．028％的太阳光辐射能量；

源的功能性温室透明覆盖材料已经取得共识。许多

国家的科技、园艺工作者都致力于功能性温室透明覆

盖材料的研究开发工作。要不断开拓创新，利用现代

工业研究的新材料，研究开发科技含量高的温室透明

WO，电致变色薄膜玻璃褪色色状态下，在红外光波长780nm一∞处的透光率>70％，能透过70％x51．4％=35．98％的太阳辐射能量。因此，WO，电致变色薄膜

玻璃可以在780—3000hm红外光谱区控制1．028％

78

覆盖材料，提高我国在设施栽培领域的竞争力。

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农机化研究

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ToDiscussestheSunlightGreenhouseofLight-dimmerB

asedon

the

ElectrochromicTechnology

Li

Tianhua．‰Ying÷Wan

Meng

(DepartmentofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering，ZunyiNormalCollege，Zunyi

563002．China)

Abstract：Thenecessityofcoolingthesunlightgreenhouseinthesummerisintroducedinthispaper．WemaketheW03eleetrochromicfilmslassfortransparent

cover

materialofthesunlightgreenhouse．Thelightfromthe

sun

radiationenergy

can

becontrolledfrom1．028％to35．98％bytheslasswhichcoveredtheW03intheinfraredspectral

region

between

1780nmand3000nm．Reducingtemperatureintilesummerandkeepingindoortemperatureinthewinter，WOselectro-chromicfilmglass

can

providesuitablesunlightandtemperaturefortheplantinthegreenhouse．

Keywords：thesunlightgreenhouse；electrochromic；W03film；luminousenvironm

ent(上接第75页)

5)各关键部件均采用可调装置，更大范围地适应

展趋势[J]．农机化研究，2011，33(2)：234—237．了不同农艺参数的播种作业。

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Abstract

ID：10113—188X(2012)08—0073-EA

DesignofRadishSemi——preciseSeeder

ZhangBin，ZhangJinguo，ZhouHui，ZhaoJin，MaWenqi，SunZhim

ei(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，AgricuhuralUniversityofHebei，Baoding

071001，China)

Abstract：Forthereis

no

domesticradish

seeds

forseed-sizeprecisionplanterstatus，inordertoachieve

a

large

area

precisionsowingturnipcropsandplantingoflargeareas

oflowerlaborinput，reducingtheamountoflaboroffarming，

improvelaborefficiency，thisarticle

a

large

areacan

be

plantedradishprecisionplanter．Thedevice

can

achieveridge。

trenching，planting，soilcovering，plasticsuppressionandotherfunctionstocom

pletetheplantingoperationtimeforfieldoperations．Simplestructure，easyto

Use

adjustment．Thefieldtrials：thew

holestructuredesigned，singlegrainPreei—sionSeedingmte，afterthesuppressionofplasticshapedridgelineagronomicrequirementsandappearance．Key

words：radish；quantitysowingseeds；air—suctionmeteringdevice

一79-