可定制的智能窗口产生电力并提高能效

科学家开发了一个智能窗口装置，用于同时收获和调节太阳能。

可定制的智能窗口线束和操纵太阳能，以节省能源和降低成本。

Windows在家庭中发挥着多个至关重要的角色。他们照亮，隔离和透气我们的空间，同时提供 - 在户外保护的视图和保护。智能窗户或使用太阳能电池技术将阳光转换为电力的窗户或窗户，提供额外的机会，将窗户利用作为能源。

然而，将太阳能电池纳入窗户，同时平衡其他复杂，并且经常相互冲突，窗口的角色证明了具有挑战性。例如，在改变季节的杂耍亮度偏好和能量收集目标需要复杂和战略性的材料设计方法。

“这个设计框架是可定制的，可以应用于世界各地的任何建筑物。” - 晨红陈，科涅氏岛和芝加哥大学教授的分子工程学院的科学家

来自美国能源部（DOE）argonne国家实验室，西北大学的科学家，芝加哥大学和威斯康星大学密尔沃基最近结合了太阳能电池技术，采用了一种新颖的优化方法来开发智能窗口原型，可在广泛的范围内最大限度地设计设计标准。

优化算法采用全面的物理模型和先进的计算技术，以最大限度地提高整体能源使用，同时平衡跨区域和整个改变季节的建筑物温度需求和照明要求。

“这种设计框架是可定制的，可以应用于世界各地的几乎任何建筑物，”芝加哥大学分子工程分子工程学院的分子科学家的科学家君虹陈俊虹陈说。“是否希望最大限度地提高房间的阳光量或最大限度地减少加热或冷却工作，这种强大的优化算法会产生与用户需求和偏好对齐的窗口设计。”

优化的先进方法

科学家们展示了一种完整的窗户设计方法，以最大限度地提高建筑物的整体能源效率，同时考虑照明和温度偏好。

“我们可以调节一个房间的阳光，以确保所需的光度，同时管理建筑物用于加热和冷却的能量量，”威尔逊厨师教授在西北工程中的工程设计教授表示，其研究小组领导了发展优化方法。“另外，太阳能电池在智能窗口中的太阳能电池捕获并转换为电力。”

该方法称为多标准优化，调整窗口设计中的太阳能电池层的厚度，以满足用户的需求。例如，为了减少夏季冷却建筑所需的能量，最佳窗口设计可能最小化通过在内部保持所需光度的同时通过的光的量和类型。另一方面，当冬季节省优先考虑时，设计可能最大化通过的阳光量，从而减少加热建筑物所需的能量。

“而不是专注于太阳能电池产生的电量，我们考虑整个建筑的能源消耗，了解我们如何最好地利用太阳能最小化它，”魏陈说。

例如，在某些情况下，例如，允许更大量的光通过窗口可以更节能，而不是通过太阳能电池转换成电力，以减少照明和加热建筑所需的电力。

为了确定最佳设计，该算法包含了智能窗口中的光和材料之间的相互作用的综合物理基础，以及如何影响能量转换和光传输。该算法还考虑了整个日常地理位置的阳光击中窗口的变化角度。

“我们创建的模型允许通过模仿生物进化的算法探索数百万独特的设计，”魏陈说。“在基于物理的模型之上，算法使用类似于再现和基因突变的计算机制来确定某些方案的每个设计参数的最佳组合。”

承诺原型

为了展示能够进行自定义水平的智能窗口的可行性，科学家们生产了一个小型的窗口原型，其中一个大小的面积。

原型由数十个层的不同材料组成，可控制通过的光量和频率，以及转换为电力的太阳能量。

由一种称为Perovskite的材料制成的一组层包括窗口的太阳能电池，该太阳能电池收获了用于能量转换的阳光。窗式原型还包括一组称为纳芯涂层的一组，由Cheng Sun副教授和他的研究小组在西北麦卡尔克工程学院开发。涂层调整可穿过窗户的光的频率。

每层的几十微米厚 - 比一粒沙子的直径更薄。科学家为层选择了非周期性设计，意思是每个层厚度变化。随着太阳光线对窗口的角度在整天和年度变化时，非周期性设计使窗口的性能能够根据用户的偏好而变化。

“层厚度的变化是针对到达窗口的阳光性质的广泛变化的优化，”Sun表示“这使我们能够系统地允许夏季的较少的红外线传输等冬季，以节省温度调节的能耗，同时优化用于室内照明和能量收集的可见光。”

科学家们优化了这项研究中使用的原型，在凤凰城的2,000平方英尺，单层家用。基于窗户原型的实验表征，科学家们计算了领先的市售窗口技术的大量年度节能。计算使用了EnergyPlus建筑模型，该模型是全国可再生能源实验室，一家能源效率和可再生能源实验室的DOE办事处开发的软件，估计现实的功耗随着时间的推移。

综合方法使用科学家们用于生产窗口原型模仿普通工业水平制造过程，并且科学家认为这些现有的商业流程将允许成功地将窗口原型缩放到全尺寸。

未来的考虑因素包括以柔性形式开发相同的技术，以便可以改装智能窗口材料以覆盖预先存在的窗口。

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参考：“通过多铁帕累托优化能源收割和调节智能窗口最大化太阳能利用”“由陈望，双城宇，小武郭，塔克·克尼，培治郭，罗伯特·昌，君虹陈，魏辰和郑孙，8七月七月，细胞报告，物理科学.DOI：
10.1016 / J.XCRP.2020.100108

该工作部分由国家科学基金资助。