可定制智能窗户技术大大提高建筑物能源效率及减碳效益

可定制智能窗户技术大大提高建筑物能源效率及减碳效益
科学家开发了一种智能窗户装置,用于同时收集和调节太阳能。

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们最近将太阳能电池技术与一种新型优化方法相结合,开发出一种智能窗户原型,在广泛的标准范围内实现设计的最大化能源效率。

该优化算法使用全面的物理模型和先进的计算技术,以最大限度地提高整体能源利用率,同时在不同地点和整个季节变化中平衡建筑物的温度需求和照明需求。

这个设计框架是可定制的,几乎可以应用于世界各地的任何建筑物,无论您想最大化房间中的日光照射量还是最小化供暖或制冷量,这种强大的优化算法都可以根据用户需求和喜好设计窗户。

先进的优化方法

科学家展示了一种全方位的窗户设计方法,可在考虑照明和温度偏好的同时最大化建筑物的整体能源效率。

这种方法被称为多标准优化,可以调整窗户设计中太阳能电池层的厚度,以满足用户的需求。例如,为了在夏季减少建筑降温所需的能量,最佳的窗户设计可能会尽量减少通过的光线数量和类型,同时保持室内所需亮度。另一方面,当优先考虑冬季节能时,设计最大化通过的阳光量,从而减少为建筑物供暖所需的能量。研究人员不仅关注太阳能电池产生的电量,还考虑了整个建筑的能耗,以了解如何最好地利用太阳能。

为了确定最佳设计,该算法结合了基于物理学的综合模型,以了解光与智能窗中材料之间的相互作用,以及这些过程如何影响能量转换和光传输。该算法还考虑到不同地理位置的太阳在一天–以及一年中以不同角度入射到窗户上的情况。

模型允许通过模仿生物进化的算法探索数百万个独特设计,在基于物理学的模型之上,该算法使用类似于复制和遗传突变的计算机制确定特定场景下每个设计参数的最佳组合。

有前景的设计原型

为了证明具有这种定制水平的智能窗户的可行性,科学家们制作了面积为几平方厘米的小型窗户原型。

该原型包含数十层不同的材料,这些材料可以控制通过的光的数量和频率以及转化为电能的太阳能。

其中一组由一种叫做钙钛矿的材料层构成窗户的太阳能电池,该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,该涂层可以调节穿过窗户的光的频率。

每层厚几十微米,比沙粒的直径还薄。科学家为这些层选择了periodic设计,这意味着每个层的厚度都不同。随着太阳光线与窗户的角度每天都在变化,periodic设计使窗户的性能可以根据用户的喜好而变化。

科学家们针对一栋2000平方英尺的单层住宅,优化了本次研究中使用的原型。根据窗户原型的实验特性,与领先商用窗户技术相比,科学家们计算出每年可节省大量能源。计算使用的是EnergyPlus建筑模型,该模型是由美国国家可再生能源实验室,美国能源部 能源效率和可再生能源实验室开发的软件 ,可估算一段时间内的实际功耗。

科学家用来生产窗户原型的合成方法模仿了常见的工业级制造工艺,科学家认为,这些现有的商业工艺将使窗户原型成功地按比例放大至全尺寸。

未来的考虑因素包括以灵活的形式开发相同的技术,以便可以对智能窗户材料进行改造以覆盖现有窗户类型。

这项工作得到了美国国家科学基金会的部分资助。有关这项研究于7月8日发表在Cell Reports上。

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