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科學家開發(fā)了一種智能窗戶裝置，用于同時收集和調節(jié)太陽能。(Image by Peter Allen / University of Chicago)

本文要點：

科學家將太陽能電池技術與新穎的優(yōu)化方法結合在一起，從而開發(fā)出了智能窗。這種智能窗戶原型是可定制的，幾乎可以應用于世界各地的任何建筑物。這種設計方法稱為多準則優(yōu)化，可在窗口設計中調整太陽能電池層的厚度，以滿足用戶的需求。

眾所周知，窗戶在我們的房屋中起著至關重要的作用。它們?yōu)槲覀兊目臻g照明、隔熱和通風，同時提供室外景觀并提供保護。智能窗戶或使用太陽能電池技術將陽光轉化為電能的窗戶，為利用窗戶作為能源提供了額外的機會。

然而，將太陽能電池并入窗戶同時平衡窗戶的其他復雜性特點，且窗戶需要經常打開或關閉，因此，這種想法是非常具有挑戰(zhàn)性的。例如，在變化的季節(jié)中兼顧光度偏好和能量收集目標需要對材料設計采取復雜而戰(zhàn)略性的方法。

來自美國能源部(DOE)、西北大學、芝加哥大學和威斯康星州密爾沃基分校等機構的科學家最近將太陽能電池技術與一種新穎的優(yōu)化方法相結合，開發(fā)出一種智能窗原型，該原型可在最大范圍內最大化設計標準。

優(yōu)化算法使用全面的物理模型和先進的計算技術，以最大程度地利用能源，同時在各個位置以及整個變化的季節(jié)中平衡建筑物的溫度需求和照明需求。

“這個設計框架是可定制的，幾乎可以應用于世界各地的任何建筑物，” 參與該項目研究的Junhong Chen教授表示?！盁o論您是要最大化房間中的日光量還是要最小化供暖或制冷的工作量，這種強大的優(yōu)化算法都可以根據(jù)用戶的需求和喜好設計出窗戶設計?！?/p>

先進的優(yōu)化方法

科學家展示了一種全方位的窗戶設計方法，可在考慮照明和溫度偏好的同時最大化建筑物的整體能源效率。

“我們可以調節(jié)房間中的陽光，以確保所需的發(fā)光度，同時管理建筑物用于供暖和制冷的能源量，”西北工程公司工程設計的Wilson-Cook教授Wei Chen說，他的研究小組領導了開發(fā)工作優(yōu)化方法。 “此外，沒有通過的陽光被智能窗戶中的太陽能電池捕獲并轉化為電能?！?/p>

這種稱為多準則優(yōu)化的方法可以在窗口設計中調整太陽能電池層的厚度，以滿足用戶的需求。例如，為了減少夏季為建筑物降溫所需的能量，最佳的窗戶設計可以在保持所需的內部發(fā)光度的同時，使通過的光的數(shù)量和類型最小化。另一方面，當優(yōu)先考慮節(jié)省冬季時，該設計可以使通過的陽光量最大化，從而減少為建筑物供暖所需的能量。

Wei Chen說：“我們不僅關注太陽能電池產生的電量，還考慮了整個建筑的能耗，以了解如何最好地利用太陽能來將其最小化。”

例如，在某些情況下，允許更多的光穿過窗戶，而不是通過太陽能電池轉換為電能，以減少照明和加熱建筑物所需的電能，可能會更節(jié)能。。

為了確定最佳設計，該算法結合了基于物理的綜合模型，該模型包含了智能窗戶中光與材料之間的相互作用以及過程如何影響能量轉換和光傳輸。該算法還考慮了在不同地理位置的一天中和全年中太陽照射窗戶的角度不同。

“我們創(chuàng)建的模型允許通過模仿生物進化的算法探索數(shù)百萬個獨特設計，” Wei Chen說。 “在基于物理學的模型之上，該算法使用類似于復制和遺傳突變的計算機制來確定特定場景下每個設計參數(shù)的最佳組合。”

有希望的原型

為了證明具有這種定制水平的智能窗戶的可行性，科學家們制作了面積為幾平方厘米的小窗戶原型。

該原型由數(shù)十層不同的材料組成，這些材料控制通過的光的數(shù)量和頻率以及轉化為電能的太陽能的數(shù)量。

一組由一種稱為鈣鈦礦的材料制成的層，包括窗戶的太陽能電池，該太陽能電池收集陽光以進行能量轉換。窗戶原型還包括一組稱為納米光子涂層的層，該層是由機械工程副教授Cheng Sun和他在西北麥考密克工程學院的研究小組開發(fā)的。涂層調節(jié)可以穿過窗戶的光的頻率。

每層厚幾十微米，比沙粒的直徑還薄?？茖W家為這些層選擇了非周期性設計，這意味著每個層的厚度都不同。隨著太陽光線與窗戶的角度在一天和一年中不斷變化，非周期性的設計使窗戶的性能可以根據(jù)用戶的喜好而變化。

Sun表示：“層厚度的變化針對到達窗戶的日光性質的廣譜變化進行了優(yōu)化。” “這使我們能夠系統(tǒng)地在夏季減少紅外透射，而在冬季則允許更多紅外透射，以節(jié)省用于調節(jié)溫度的能量，同時優(yōu)化用于室內照明和能量收集目的的可見光透射?！?/p>

科學家優(yōu)化了此研究中使用的原型，用于鳳凰城一個2000平方英尺的單層房屋。根據(jù)窗戶原型的實驗特性，科學家們計算出與領先的商用窗戶技術相比，每年可節(jié)省大量能源。計算使用的是EnergyPlus建筑模型，該模型是由美國國家可再生能源實驗室、美國能源部能源效率和可再生能源實驗室開發(fā)的軟件，可估算一段時間內的實際功耗。

科學家用來生產窗戶原型的合成方法模仿了常見的工業(yè)級制造工藝，并且科學家們認為，這些現(xiàn)有的商業(yè)流程將使窗戶原型成功地按比例放大至全尺寸。

未來的考慮因素包括以靈活的形式開發(fā)相同的技術，以便可以對智能窗戶材料進行改造以覆蓋現(xiàn)有的窗戶。

這項研究工作部分由美國國家科學基金會資助。