新型智能窗戶技術：有利於提升建築能效

2020-08-22 環球創新智慧

導讀

據美國阿貢國家實驗室官網近日報導，該實驗室以及美國西北大學、芝加哥大學、威斯康星大學密爾沃基分校的科學家們開發出一款可定製的智能窗戶，利用太陽能並巧妙地處理太陽光，來節約能源並降低成本。

背景

窗戶在我們的住宅中扮演著多重關鍵角色，為我們的空間提供照明、隔熱以及通風功能的同時，也提供了戶外視野和防護功能。智能窗戶，或者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。

（圖片來源：勞倫斯伯克利國家實驗室）

然而，將太陽能電池集成到窗戶中，同時還要平衡窗戶的其他複雜且經常相互衝突的功能，是一項具有挑戰性的任務。例如，要在四季更迭的過程中兼顧「光照度偏好」和「能量收集目標」，就要對材料設計採用複雜的戰略方法。

下圖所示：普林斯頓大學開發的智能窗戶，由透明太陽能電池供電，能控制進入室內的可見光與紅外線。

（圖片來源：David Kelly Crow）

創新

近日，來自美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室、西北大學、芝加哥大學和威斯康星大學密爾沃基分校的科學家們將太陽能電池技術與一種新型優化方法相結合，開發出一個智能窗戶原型，最大限度地滿足各種設計標準。

智能窗戶同時採集和調節太陽能。（圖片來源：Peter Allen / 芝加哥大學）

該優化算法使用綜合的物理模型和先進的計算技術，最大限度地提高整體能源利用率，同時在地點變化和四季更迭中平衡建築物的溫度需求和照明需求。

阿貢實驗室科學家、芝加哥大學普利茲克分子工程學院皇冠家族教授 Junhong Chen 表示：「這個設計框架是可定製的，幾乎可以應用於全世界的任何建築。無論你是想最大限度地增加室內的陽光量，還是最低限度地供暖或製冷，這種強大的優化算法都能生成符合用戶需求和偏好的窗戶設計。」

技術

科學家們展示了用一種整體性方法來設計窗戶，以最大限度地提高建築物的整體能效，同時兼顧照明和溫度偏好。

美國西北大學工程學院工程設計系威爾遜-庫克教授 Wei Chen 表示：「我們可以調節室內陽光，以保證所需的光照度，同時管理建築用於供暖和製冷的能量。此外，智能窗戶中的太陽能電池會捕獲沒有通過的陽光，並轉化為電能。」

這種方法被稱為「多準則優化」，調整窗戶設計中太陽能電池層的厚度，以滿足用戶需求。例如，為了在夏季減少建築製冷所需的能量，最佳的窗戶設計可能會儘量減少通過的光線數量和種類，同時保持室內所需的光照度。另一方面，當冬季要優先考慮儲能時，這個設計可能會最大限度地增加通過的陽光量，從而減少建築物加熱所需的能量。

Wei Chen 表示：「我們不是只關注太陽能電池的發電量，還要考慮整個建築的能耗，看看如何才能最好地利用太陽能，將能耗降到最低。」

在某些場景中，例如，讓更多光線通過窗戶，而不是由太陽能電池轉化為電能，以減少建築物的照明和供暖所需的電力，可能會更加節能。

為了確定最佳設計，該算法結合了基於物理學的綜合模型，該模型是關於光與智能窗戶中的材料之間的相互作用，以及這些過程是如何影響能量轉換和光線傳輸的。該算法也考慮到在不同地理位置，太陽在一天（和一年)中照射到窗戶上的各種角度。

Wei Chen 表示：「我們創建的模型可以通過模擬生物進化的算法，來探索數百萬種獨特的設計。在基於物理學的模型之上，該算法使用了類似繁殖和基因突變的計算機制，以確定每個設計參數在特定場景中的最佳組合。」

為了證明達到這種定製程度的智能窗戶的可行性，科學家們製作了一個面積只有幾平方釐米的這種窗戶的小原型。

該原型由幾十層不同的材料組成，這些材料可以控制通過的光線的數量和頻率，以及太陽能轉化為電能的量。

一組由一種叫做「鈣鈦礦」的材料製成的層，組成了窗戶的太陽能電池，它可以採集太陽光來進行能量轉換。這種窗戶的原型還包括一組稱為「納米光子塗層」的層，由西北大學麥考密克工程學院機械工程系副教授 Cheng Sun 及其研究小組開發。該塗層可以調整通過窗戶的光線頻率。

每層厚度為數十微米，比一粒沙子的直徑還小。科學家們為這些層選擇了一種非周期性的設計，這意味著每一層的厚度都不同。由於太陽光對窗戶的照射角度在一天以及一年中都會產生變化，因此非周期性的設計使窗戶的性能可以根據用戶偏好而變化。

下圖為屋頂安裝的基於非周期性納米光子塗層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池的智能窗戶的光與熱並行管理的概念示意圖：

（A）夏季典型的日照條件

（B）冬季典型的日照條件

（C）由非周期性納米光子塗層和匹配的半透明鈣鈦礦太陽能電池共同組成的智能窗戶結構。太陽能電池由140納米氟摻雜的氧化錫（FTO）電極、20納米濃密的TiO2電子阻擋層、40納米鈣鈦礦層、30納米spiro-OMeTAD 空穴阻擋層、10納米銀背電極組成。10層光子結構由SiO2層與TiO2層交替組成，其厚度有待優化。

（圖片來源：參考資料【1】）

Sun 表示：「層厚度的變化是根據到達窗戶的陽光特性的廣泛變化而優化的。這使我們能夠系統地在夏季允許較少的紅外線透射，而在冬季允許更多的紅外線透射，以節省用於溫度調節的能量，同時優化可見光透射，以達到室內照明和能量採集的目標。」

科學家們為鳳凰城一棟2000平方英尺的單層住宅，優化了本次研究中使用的原型。基於窗戶原型的實驗特性，科學家們計算得出，相比於領先的商用窗戶技術，每年可節省大量的能量。計算使用了 EnergyPlus 建築模型，它是一個由美國國家可再生能源實驗室開發的軟體，該實驗室是美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的一個實驗室，它可以評估隨時間變化而產生的真實電力消耗。

科學家們用來生產窗戶原型的合成方法模仿了常用的工業級製造工藝，並且科學家們認為，這些現有的商用工藝能將窗戶原型成功地放大至全尺寸。

未來的考慮包括以一種靈活的形式開發同樣的技術，以便智能窗材料可以通過改造以覆蓋原有的窗戶。

關鍵詞

智能窗戶、太陽能電池、鈣鈦礦



參考資料

【1】Chen Wang, Shuangcheng Yu, Xiaoru Guo, Tucker Kearney, Peijun Guo, Robert Chang, Junhong Chen, Wei Chen, Cheng Sun. Maximizing Solar Energy Utilization through Multicriteria Pareto Optimization of Energy Harvesting and Regulating Smart Windows. Cell Reports Physical Science, 2020; 100108 DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100108

【2】https://www.anl.gov/article/customizable-smart-window-technology-could-improve-energy-efficiency-of-buildings

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