智能窗戶：利用太陽能并巧妙地處理太陽光，來節(jié)約能源并降低成本

窗戶在我們的住宅中扮演著多重關(guān)鍵角色，為我們的空間提供照明、隔熱以及通風(fēng)功能的同時(shí)，也提供了戶外視野和防護(hù)功能。智能窗戶，或者使用太陽能電池技術(shù)將陽光轉(zhuǎn)化為電能的窗戶，為利用窗戶作為能源提供了額外的機(jī)會(huì)。

然而，將太陽能電池集成到窗戶中，同時(shí)還要平衡窗戶的其他復(fù)雜且經(jīng)常相互沖突的功能，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。例如，要在四季更迭的過程中兼顧“光照度偏好”和“能量收集目標(biāo)”，就要對(duì)材料設(shè)計(jì)采用復(fù)雜的戰(zhàn)略方法。

普林斯頓大學(xué)開發(fā)的智能窗戶，由透明太陽能電池供電，能控制進(jìn)入室內(nèi)的可見光與紅外線。

創(chuàng)新

近日，來自美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)、芝加哥大學(xué)和威斯康星大學(xué)密爾沃基分校的科學(xué)家們將太陽能電池技術(shù)與一種新型優(yōu)化方法相結(jié)合，開發(fā)出一個(gè)智能窗戶原型，最大限度地滿足各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

智能窗戶同時(shí)采集和調(diào)節(jié)太陽能。

該優(yōu)化算法使用綜合的物理模型和先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)，最大限度地提高整體能源利用率，同時(shí)在地點(diǎn)變化和四季更迭中平衡建筑物的溫度需求和照明需求。

阿貢實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院皇冠家族教授 Junhong Chen 表示：“這個(gè)設(shè)計(jì)框架是可定制的，幾乎可以應(yīng)用于全世界的任何建筑。無論你是想最大限度地增加室內(nèi)的陽光量，還是最低限度地供暖或制冷，這種強(qiáng)大的優(yōu)化算法都能生成符合用戶需求和偏好的窗戶設(shè)計(jì)?！?/p>

技術(shù)

科學(xué)家們展示了用一種整體性方法來設(shè)計(jì)窗戶，以最大限度地提高建筑物的整體能效，同時(shí)兼顧照明和溫度偏好。

美國西北大學(xué)工程學(xué)院工程設(shè)計(jì)系威爾遜-庫克教授 Wei Chen 表示：“我們可以調(diào)節(jié)室內(nèi)陽光，以保證所需的光照度，同時(shí)管理建筑用于供暖和制冷的能量。此外，智能窗戶中的太陽能電池會(huì)捕獲沒有通過的陽光，并轉(zhuǎn)化為電能?！?/p>

這種方法被稱為“多準(zhǔn)則優(yōu)化”，調(diào)整窗戶設(shè)計(jì)中太陽能電池層的厚度，以滿足用戶需求。例如，為了在夏季減少建筑制冷所需的能量，最佳的窗戶設(shè)計(jì)可能會(huì)盡量減少通過的光線數(shù)量和種類，同時(shí)保持室內(nèi)所需的光照度。另一方面，當(dāng)冬季要優(yōu)先考慮儲(chǔ)能時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)可能會(huì)最大限度地增加通過的陽光量，從而減少建筑物加熱所需的能量。

Wei Chen 表示：“我們不是只關(guān)注太陽能電池的發(fā)電量，還要考慮整個(gè)建筑的能耗，看看如何才能最好地利用太陽能，將能耗降到最低?！?/p>

在某些場景中，例如，讓更多光線通過窗戶，而不是由太陽能電池轉(zhuǎn)化為電能，以減少建筑物的照明和供暖所需的電力，可能會(huì)更加節(jié)能。

為了確定最佳設(shè)計(jì)，該算法結(jié)合了基于物理學(xué)的綜合模型，該模型是關(guān)于光與智能窗戶中的材料之間的相互作用，以及這些過程是如何影響能量轉(zhuǎn)換和光線傳輸?shù)?。該算法也考慮到在不同地理位置，太陽在一天（和一年）中照射到窗戶上的各種角度。

Wei Chen 表示：“我們創(chuàng)建的模型可以通過模擬生物進(jìn)化的算法，來探索數(shù)百萬種獨(dú)特的設(shè)計(jì)。在基于物理學(xué)的模型之上，該算法使用了類似繁殖和基因突變的計(jì)算機(jī)制，以確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在特定場景中的最佳組合?！?/p>

為了證明達(dá)到這種定制程度的智能窗戶的可行性，科學(xué)家們制作了一個(gè)面積只有幾平方厘米的這種窗戶的小原型。

該原型由幾十層不同的材料組成，這些材料可以控制通過的光線的數(shù)量和頻率，以及太陽能轉(zhuǎn)化為電能的量。

一組由一種叫做“鈣鈦礦”的材料制成的層，組成了窗戶的太陽能電池，它可以采集太陽光來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。這種窗戶的原型還包括一組稱為“納米光子涂層”的層，由西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院機(jī)械工程系副教授 Cheng Sun 及其研究小組開發(fā)。該涂層可以調(diào)整通過窗戶的光線頻率。

每層厚度為數(shù)十微米，比一粒沙子的直徑還小。科學(xué)家們?yōu)檫@些層選擇了一種非周期性的設(shè)計(jì)，這意味著每一層的厚度都不同。由于太陽光對(duì)窗戶的照射角度在一天以及一年中都會(huì)產(chǎn)生變化，因此非周期性的設(shè)計(jì)使窗戶的性能可以根據(jù)用戶偏好而變化。

下圖為屋頂安裝的基于非周期性納米光子涂層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池的智能窗戶的光與熱并行管理的概念示意圖：

（A）夏季典型的日照條件

（B）冬季典型的日照條件（C）由非周期性納米光子涂層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池共同組成的智能窗戶結(jié)構(gòu)。太陽能電池由140納米氟摻雜的氧化錫（FTO）電極、20納米濃密的TiO2電子阻擋層、40納米鈣鈦礦層、30納米spiro-OMeTAD 空穴阻擋層、10納米銀背電極組成。10層光子結(jié)構(gòu)由SiO2層與TiO2層交替組成，其厚度有待優(yōu)化。

Sun 表示：“層厚度的變化是根據(jù)到達(dá)窗戶的陽光特性的廣泛變化而優(yōu)化的。這使我們能夠系統(tǒng)地在夏季允許較少的紅外線透射，而在冬季允許更多的紅外線透射，以節(jié)省用于溫度調(diào)節(jié)的能量，同時(shí)優(yōu)化可見光透射，以達(dá)到室內(nèi)照明和能量采集的目標(biāo)?！?/p>

科學(xué)家們?yōu)轼P凰城一棟2000平方英尺的單層住宅，優(yōu)化了本次研究中使用的原型?；诖皯粼偷膶?shí)驗(yàn)特性，科學(xué)家們計(jì)算得出，相比于領(lǐng)先的商用窗戶技術(shù)，每年可節(jié)省大量的能量。計(jì)算使用了 EnergyPlus 建筑模型，它是一個(gè)由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟件，該實(shí)驗(yàn)室是美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，它可以評(píng)估隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的真實(shí)電力消耗。

科學(xué)家們用來生產(chǎn)窗戶原型的合成方法模仿了常用的工業(yè)級(jí)制造工藝，并且科學(xué)家們認(rèn)為，這些現(xiàn)有的商用工藝能將窗戶原型成功地放大至全尺寸。

未來的考慮包括以一種靈活的形式開發(fā)同樣的技術(shù)，以便智能窗材料可以通過改造以覆蓋原有的窗戶。