可定制的智能窗户技术可以提高建筑物的能源效率

可定制的智能窗户技术可以提高建筑物的能源效率

风能利用技术的发展前景,风能开发利用的技术路线,风能源发电技术的感想　　Windows 在我们的家庭中扮演多个关键角色。它们照亮、隔离和通风我们的空间，同时提供户外景观和保护。智能窗户，或使用太阳能电池技术将阳光转化为电窗的窗户，为利用窗户作为能源提供了额外的机会。

　　风能利用技术的发展前景,风能开发利用的技术路线,风能源发电技术的感想然而，将太阳能电池融入窗户，同时平衡其他复杂且经常相互冲突的窗户角色，证明是具有挑战性的。例如，在不断变化的季节中，兼顾亮度偏好和能量收集目标需要复杂且战略性的材料设计方法。

　　美国能源部（DOE）阿贡国家实验室、西北大学、芝加哥大学和威斯康星大学密尔沃基分校的科学家最近将太阳能电池技术与一种新的优化方法相结合，开发智能窗口原型，从而在广泛的标准中最大限度地设计。

　　优化算法使用全面的物理模型和先进的计算技术，以最大限度地提高总体能源使用，同时平衡不同地点和整个季节的建筑温度要求和照明要求。

　　这个设计框架是可定制的，几乎可以应用于世界上任何建筑，Argonne的科学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院皇冠家族分子工程教授陈俊红说。无论您是想最大限度地增加房间的阳光量，还是尽量减少加热或冷却工作，这种强大的优化算法都会生成符合用户需求和偏好的窗口设计。

　　科学家们在考虑照明和温度偏好的同时，展示了一种设计窗户的方法，以最大限度地提高建筑物的整体能源效率。

　　我们可以调节房间的阳光，以确保所需的亮度，同时管理建筑供热和制冷使用的能量量，西北工程学院工程设计学教授魏晨（Wei Chen）说，他的研究小组领导了优化方法的发展。此外，不通过的阳光被智能窗口中的太阳能电池捕获并转化为电能。

　　这种方法称为多标准优化，在窗口设计中调整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物所需的能量，最佳的窗口设计可以最大限度地减少光线通过的数量和类型，同时保持内部所需的亮度。另一方面，当冬季节约是重中之重时，设计可能会最大限度地增加通过阳光的量，从而减少建筑供暖所需的能源。

　　我们考虑整个建筑的能源消耗，而不是只关注太阳能电池产生的电力量，以了解我们如何最好地利用太阳能来最大限度地减少太阳能，魏晨说。

　　例如，在某些情况下，允许更多的光线通过窗户，而不是由太阳能电池转换成电能，以减少照明和建筑物供暖所需的电力，可能更节能。

　　为了确定最佳设计，该算法结合了基于物理的综合模型，即智能窗口中光与材料之间的相互作用，以及过程如何影响能量转换和光传输。该算法还考虑到太阳在不同地理位置的一天和一年中照射窗户的不同角度。

　　我们创建的模型允许通过一种模拟生物进化的算法探索数百万个独特的设计，魏晨说。在基于物理的模型的基础上，该算法使用类似于生殖和基因突变的计算机制来确定特定场景中每个设计参数的最佳组合。

　　为了证明能够进行这种定制级别的智能窗口的可行性，科学家们制作了一个只有几平方厘米的窗口小原型。

　　原型由几十层不同的材料组成，这些物质控制着光通过的数量和频率，以及转化为电的太阳能量。

　　一组层，由一种叫做佩罗夫斯基特的材料组成，包括窗户的太阳能电池，它收集阳光进行能量转换。窗户原型还包括一组称为纳米光子涂层的层，由西北大学麦考密克工程学院机械工程副教授程孙和他的研究小组开发。涂层调整光的频率，可以通过窗口。

　　每层都比一粒沙子的直径厚几十微米。科学家们为这些层选择了一个无时设计，这意味着每层在厚度上都有变化。随着太阳光线对窗口的角度在一天和一年中发生变化，无时数设计使窗口的性能能够根据用户的喜好而变化。

　　Sun 说：层厚度的变化针对到达窗户的阳光性质的广泛变化进行了优化，这使我们能够在夏季系统地允许更少的红外传输，在冬季允许更多的红外传输，从而节省温度调节能耗，同时优化可见传输，用于室内照明和能量收集。

　　科学家们为凤凰城一个2000平方英尺的单层住宅优化了本研究中使用的原型。根据窗口原型的实验特性，科学家们计算出比领先的商用车窗技术每年节省的能源显著。计算使用了 EnergyPlus 建筑模型，这是美国能源部能源效率和可再生能源实验室国家可再生能源实验室开发的一种软件，可估算一段时间内实际功耗。

　　科学家用于生产窗口原型的合成方法模仿了常见的工业级制造工艺，科学家们认为，这些现有的商业工艺将允许将窗口原型成功地扩展到全尺寸。

　　未来的考虑包括以灵活形式开发相同的技术，以便智能窗口材料可以改装，以覆盖预先存在的窗口。

　　7月8日，《细胞报告物理科学》发表了一篇题为《通过多标准方案优化能量收集和调节智能窗口，最大限度地提高太阳能利用》的论文。