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科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種智能窗戶裝置，用于同時(shí)收集和調(diào)節(jié)太陽(yáng)能。(Image by Peter Allen / University of Chicago)

本文要點(diǎn)：

科學(xué)家將太陽(yáng)能電池技術(shù)與新穎的優(yōu)化方法結(jié)合在一起，從而開(kāi)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(yīng)用于世界各地的任何建筑物。這種設(shè)計(jì)方法稱為多準(zhǔn)則優(yōu)化，可在窗口設(shè)計(jì)中調(diào)整太陽(yáng)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(guān)重要的作用。它們?yōu)槲覀兊目臻g照明、隔熱和通風(fēng)，同時(shí)提供室外景觀并提供保護(hù)。智能窗戶或使用太陽(yáng)能電池技術(shù)將陽(yáng)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(yáng)能電池并入窗戶同時(shí)平衡窗戶的其他復(fù)雜性特點(diǎn)，且窗戶需要經(jīng)常打開(kāi)或關(guān)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(biāo)需要對(duì)材料設(shè)計(jì)采取復(fù)雜而戰(zhàn)略性的方法。

來(lái)自美國(guó)能源部(DOE)、西北大學(xué)、芝加哥大學(xué)和威斯康星州密爾沃基分校等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家最近將太陽(yáng)能電池技術(shù)與一種新穎的優(yōu)化方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種智能窗原型，該原型可在最大范圍內(nèi)最大化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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

“這個(gè)設(shè)計(jì)框架是可定制的，幾乎可以應(yīng)用于世界各地的任何建筑物，” 參與該項(xiàng)目研究的Junhong Chen教授表示?！盁o(wú)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(qiáng)大的優(yōu)化算法都可以根據(jù)用戶的需求和喜好設(shè)計(jì)出窗戶設(shè)計(jì)?！?/p>

先進(jìn)的優(yōu)化方法

科學(xué)家展示了一種全方位的窗戶設(shè)計(jì)方法，可在考慮照明和溫度偏好的同時(shí)最大化建筑物的整體能源效率。

“我們可以調(diào)節(jié)房間中的陽(yáng)光，以確保所需的發(fā)光度，同時(shí)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(shè)計(jì)的Wilson-Cook教授Wei Chen說(shuō)，他的研究小組領(lǐng)導(dǎo)了開(kāi)發(fā)工作優(yōu)化方法。 “此外，沒(méi)有通過(guò)的陽(yáng)光被智能窗戶中的太陽(yáng)能電池捕獲并轉(zhuǎn)化為電能?！?/p>

這種稱為多準(zhǔn)則優(yōu)化的方法可以在窗口設(shè)計(jì)中調(diào)整太陽(yáng)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(shè)計(jì)可以在保持所需的內(nèi)部發(fā)光度的同時(shí)，使通過(guò)的光的數(shù)量和類型最小化。另一方面，當(dāng)優(yōu)先考慮節(jié)省冬季時(shí)，該設(shè)計(jì)可以使通過(guò)的陽(yáng)光量最大化，從而減少為建筑物供暖所需的能量。

Wei Chen說(shuō)：“我們不僅關(guān)注太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電量，還考慮了整個(gè)建筑的能耗，以了解如何最好地利用太陽(yáng)能來(lái)將其最小化。”

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

為了確定最佳設(shè)計(jì)，該算法結(jié)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(guò)程如何影響能量轉(zhuǎn)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(yáng)照射窗戶的角度不同。

“我們創(chuàng)建的模型允許通過(guò)模仿生物進(jìn)化的算法探索數(shù)百萬(wàn)個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)，” Wei Chen說(shuō)。 “在基于物理學(xué)的模型之上，該算法使用類似于復(fù)制和遺傳突變的計(jì)算機(jī)制來(lái)確定特定場(chǎng)景下每個(gè)設(shè)計(jì)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(xué)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(guò)的光的數(shù)量和頻率以及轉(zhuǎn)化為電能的太陽(yáng)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(yáng)能電池，該太陽(yáng)能電池收集陽(yáng)光以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)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(jī)械工程副教授Cheng Sun和他在西北麥考密克工程學(xué)院的研究小組開(kāi)發(fā)的。涂層調(diào)節(jié)可以穿過(guò)窗戶的光的頻率。

每層厚幾十微米，比沙粒的直徑還薄?？茖W(xué)家為這些層選擇了非周期性設(shè)計(jì)，這意味著每個(gè)層的厚度都不同。隨著太陽(yáng)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(shè)計(jì)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(duì)到達(dá)窗戶的日光性質(zhì)的廣譜變化進(jìn)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(diào)節(jié)溫度的能量，同時(shí)優(yōu)化用于室內(nèi)照明和能量收集目的的可見(jiàn)光透射?！?/p>

科學(xué)家優(yōu)化了此研究中使用的原型，用于鳳凰城一個(gè)2000平方英尺的單層房屋。根據(jù)窗戶原型的實(shí)驗(yàn)特性，科學(xué)家們計(jì)算出與領(lǐng)先的商用窗戶技術(shù)相比，每年可節(jié)省大量能源。計(jì)算使用的是EnergyPlus建筑模型，該模型是由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)能源部能源效率和可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的軟件，可估算一段時(shí)間內(nèi)的實(shí)際功耗。

科學(xué)家用來(lái)生產(chǎn)窗戶原型的合成方法模仿了常見(jiàn)的工業(yè)級(jí)制造工藝，并且科學(xué)家們認(rèn)為，這些現(xiàn)有的商業(yè)流程將使窗戶原型成功地按比例放大至全尺寸。

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

這項(xiàng)研究工作部分由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。