Los edificios representan un vector importante dentro de las políticas de eficiencia energética ya que son responsables del 40% del consumo de energía primaria y el 36% de las emisiones totales de CO2. Un campo en el que los últimos años ha acumulado una gran investigación es el relacionado con aprovechar las áreas acristaladas de los mismos para una mayor iluminación natural, generar energía o el diseño de sistemas inteligente que permitan realizar una mejor gestión de las cargas térmicas de los edificios. 

Ahora, una nueva investigación de la Universidad de Kassel en Alemania demuestra el potencial del uso de conjuntos de microespejos MOEMS (sistemas micro-opto-electro-mecánicos) en ventanas inteligentes para direccionar la luz natural. 

“Nuestro acristalamiento inteligente se basa en millones de microespejos, invisibles a simple vista, y que son capaces de reflejar la luz solar entrante de acuerdo con las acciones de los usuarios, proporcionando una dirección de luz personalizada dentro del edificio”, explica Harmut Hillmer, investigador de la Universidad de Kassel. 

La matriz de microespejos no se vería afectada por el viento, los sistemas de limpieza, o cualquier condición climática porque se encuentra en el espacio entre los cristales de las ventanas llenos de gas noble como argón o kriptón. “El acristalamiento proporciona calor solar gratuito en invierno y prevención del sobrecalentamiento en verano, y permite una luz natural saludable, un enorme ahorro de energía (hasta el 35 por ciento), una reducción masiva de CO2 (hasta el 30 por ciento) y una reducción del 10 por ciento de acero y hormigón en edificios de gran altura”, señalan los investigadores. 

Funcionamiento del sistema 

Los sistemas micro-opto-electro-mecánicos (MOEMS) para el procesamiento de la luz comprenden millones de microespejos accionables electrostáticamente que pueden guiar y controlar la luz de forma dinámica mediante una reflexión personalizada. 

La estructura de microespejo está implementada por un sistema híbrido de múltiples capas metálicas con espesores individuales entre 10 y 100 nm en dirección vertical y tamaños de espejo de típicamente 150 × 400μm2 en dirección lateral. Los microespejos están miniaturizados para que el ojo desnudo no pueda identificarlos desde una distancia de más de 20 cm de la matriz. Así, se obtiene una impresión de un panel de tono variable. 

En la siguiente figura se muestra una sección transversal esquemática de cuatro escenarios de aplicación. En cada escenario, la parte de la ventana (centro) se denota por dos paneles de vidrio azul con espacio en blanco lleno de gases aislantes y las matrices de microespejos se visualizan mediante líneas/barras fuertemente ampliadas. Los cuatro escenarios diferentes describen situaciones de verano o invierno, así como la presencia o ausencia del usuario. Este concepto es flexible para enfrentar diferentes situaciones (ubicación en la tierra, orientación de la ventana, día y noche, temporada, número de pisos y ángulo de inclinación de los paneles) y cualquier posible acción del usuario de la siguiente manera:

a) Si ningún usuario está presente dentro de la habitación en verano (muy alto impacto solar), el acristalamiento inteligente se cerrará cambiando todos los microespejos verticalmente. Esto refleja toda la radiación solar hacia el exterior y la habitación se mantiene fresca, automáticamente. Esto ahorra una enorme energía para la climatización al minimizar la transferencia de calor a la habitación.

(b) Una vez que la presencia del usuario es detectada por sensores en verano, los espejos superiores se abren y reflejan la luz del día en un área de techo limitada por encima del usuario en la habitación. La parte inferior de la ventana todavía permanece en una posición cerrada y todavía refleja la radiación solar hacia el exterior. Por lo tanto, la habitación se mantiene fresca donde ningún usuario está de pie. En una implementación final, el punto de luz en el techo se mueve con el usuario automáticamente. Esto todavía ahorra mucha energía para la climatización, ya que la transferencia de calor se limita a una pequeña cantidad. Además, partes de la habitación lejos de la ventana se pueden iluminar eficientemente con luz del día. Esto ahorra la energía necesaria para la luz artificial.

(c) Si ningún usuario está presente en invierno, todos los espejos se abren y captan energía de manera eficiente, reflejando toda la radiación solar en una pared central, actuando posteriormente como calentador de radiación. Esto ahorra una enorme energía necesaria para la calefacción.

(d) Una vez que se detecte la presencia del usuario en invierno, todos los espejos redirigirán la radiación solar completa al techo para minimizar el deslumbramiento. Ahora, el techo actúa como un calentador de radiación, ahorrando energía de calefacción. Por el contrario, las persianas convencionales a menudo se bajan en invierno debido al deslumbramiento causado por la baja posición del sol que requiere iluminación artificial (consumo de energía innecesario, poco saludable, falta para cosechar calor natural y uso de la luz del día).

En todos los escenarios, la temperatura ambiente y los ajustes de iluminación se regularán automáticamente: se puede frenar el consumo de energía a través de iluminación artificial, ventiladores, aire acondicionado y sistemas de calefacción. Esto proporciona un gran impacto en la eficiencia energética, la economía, la salud y la sociedad.

Ensayos en laboratorio

Los conjuntos de microespejos MEMS de los investigadores están integrados dentro del acristalamiento de aislamiento y son operados por un sistema de control electrónico. La orientación de los espejos está controlada por la tensión entre los respectivos electrodos. Los sensores de movimiento en la habitación detectan el número, la posición y el movimiento de los usuarios en la habitación.

Los resultados, publicados recientemente en Journal of Optical Microsystems, incluyen una velocidad de accionamiento mucho mayor en el rango de sub-ms, un consumo de energía 40 veces menor que los conceptos de cristal electrocrómico o líquido, reflexión en lugar de absorción y neutralidad del color. 

Se realizaron pruebas de envejecimiento rápido de la estructura del microespejo para estudiar la confiabilidad y reveló sostenibilidad, robustez y larga vida útil de los conjuntos de microespejos.

En consecuencia, estos resultados validan la fiabilidad de las matrices de microespejos, en futuras aplicaciones en ventanas activas, mucho más allá de 40 años, así como su robustez durante el transporte, la instalación y contra todas las influencias de vibración en los edificios.

Fuente de imágenes: “MOEMS micromirror arrays in smart windows for daylight steering”, 2021