可定制的智能窗户可以发电并提高能源效率

可定制的智能窗口技术

科学家们开发了一种智能窗户装置,可以同时收集和调节太阳能。资料来源:彼得·艾伦/芝加哥大学

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。

这种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,阿尔冈的科学家和教授芝加哥大学普利兹克分子工程学院

来自美国能源部(母鹿阿贡国家实验室,西北大学,芝加哥大学和威斯康星大学密尔沃基最近结合了太阳能电池技术,采用了一种新颖的优化方法,开发一个智能窗口原型,最大限度地提高了各种标准的设计。

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任何建筑物,“Argonne的科学家俊虹陈表示,芝加哥大学Pritzker分子工程学院的分子工程皇冠系列教授。无论您是想最大限度地提高房间中的阳光量还是最小化加热或冷却工作,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。

我们可以调节房间的阳光,以确保所需的亮度,同时管理建筑用于供暖和制冷的能源量,”西北工程学院(Northwestern Engineering)威尔逊-库克工程设计教授陈伟(Wei Chen)说,他的研究小组领导了优化方法的开发。此外,不会通过的阳光通过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。

我们认为整个建筑能耗,而不是仅关注太阳能电池所产生的电力量,而不是专注于整个建筑的能源消耗,以了解我们如何最好地使用太阳能来最小化它,“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。在基于物理模型的基础上,该算法使用类似于繁殖和基因突变的计算机制,以确定特定场景的每个设计参数的最佳组合。”

承诺原型

为了证明这种定制程度的智能窗户的可行性,科学家们制作了一个面积只有几平方厘米的小窗户原型。

该原型机由几十层不同的材料组成,这些材料控制穿过的光的数量和频率,以及转换成电能的太阳能的数量。

一组层由一种叫做钙钛矿的材料制成,它包括窗户的太阳能电池,收集阳光进行能量转换。窗口原型还包括一组称为纳米光子涂层的层,这是由西北大学麦考密克工程学院机械工程副教授孙成及其研究小组开发的。这种涂层可以调节穿过窗户的光的频率。

每一层都有几十微米厚——比一粒沙子的直径还薄。科学家们选择了一种非周期性的分层设计,这意味着每一层的厚度都不同。由于太阳光线对窗户的角度在一天和一年都在变化,非周期性的设计使窗户的性能根据用户的喜好而变化。

Sun表示,在到达窗口的阳光下的性质中,优化了层厚度的变化。“这使我们能够系统地在夏季减少红外传输,在冬季增加红外传输,以节省温度调节的能源消耗,同时优化室内照明和能源收集的可见光传输。”

科学家们优化了本研究中使用的原型2000方脚,凤凰城的单层家。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,该模型是国家可再生能源实验室开发的软件母鹿能源效率和可再生能源办公室实验室,估计实际电力消耗随着时间的推移。

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:通过陈望,双城宇,小武郭,罗杰尔·斯卡尼,裴武郭,罗杰特·朱宏陈,魏辰和郑孙,魏辰和郑孙,陈王,陈望,通过陈望,陈王2020,《细胞报告,物理科学》
DOI:10.1016 / J.XCRP.202010.100108

该工作部分由国家科学基金资助。

1评论“可定制的智能窗口产生电力,提高能效”

  1. ...有些材料可能会在一些波长上更好,所以只需获得最佳游戏计划......

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