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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。(Image by Peter Allen / University of Chicago)

本文要点：

科学家将太阳能电池技术与新颖的优化方法结合在一起，从而开发出了智能窗。这种智能窗户原型是可定制的，几乎可以应用于世界各地的任何建筑物。这种设计方法称为多准则优化，可在窗口设计中调整太阳能电池层的厚度，以满足用户的需求。

众所周知，窗户在我们的房屋中起着至关重要的作用。它们为我们的空间照明、隔热和通风，同时提供室外景观并提供保护。智能窗户或使用太阳能电池技术将阳光转化为电能的窗户，为利用窗户作为能源提供了额外的机会。

然而，将太阳能电池并入窗户同时平衡窗户的其他复杂性特点，且窗户需要经常打开或关闭，因此，这种想法是非常具有挑战性的。例如，在变化的季节中兼顾光度偏好和能量收集目标需要对材料设计采取复杂而战略性的方法。

来自美国能源部(DOE)、西北大学、芝加哥大学和威斯康星州密尔沃基分校等机构的科学家最近将太阳能电池技术与一种新颖的优化方法相结合，开发出一种智能窗原型，该原型可在最大范围内最大化设计标准。

优化算法使用全面的物理模型和先进的计算技术，以最大程度地利用能源，同时在各个位置以及整个变化的季节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，” 参与该项目研究的Junhong Chen教授表示。“无论您是要最大化房间中的日光量还是要最小化供暖或制冷的工作量，这种强大的优化算法都可以根据用户的需求和喜好设计出窗户设计。”

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。

“我们可以调节房间中的阳光，以确保所需的发光度，同时管理建筑物用于供暖和制冷的能源量，”西北工程公司工程设计的Wilson-Cook教授Wei Chen说，他的研究小组领导了开发工作优化方法。 “此外，没有通过的阳光被智能窗户中的太阳能电池捕获并转化为电能。”

这种称为多准则优化的方法可以在窗口设计中调整太阳能电池层的厚度，以满足用户的需求。例如，为了减少夏季为建筑物降温所需的能量，最佳的窗户设计可以在保持所需的内部发光度的同时，使通过的光的数量和类型最小化。另一方面，当优先考虑节省冬季时，该设计可以使通过的阳光量最大化，从而减少为建筑物供暖所需的能量。

Wei Chen说：“我们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来将其最小化。”

例如，在某些情况下，允许更多的光穿过窗户，而不是通过太阳能电池转换为电能，以减少照明和加热建筑物所需的电能，可能会更节能。。

为了确定最佳设计，该算法结合了基于物理的综合模型，该模型包含了智能窗户中光与材料之间的相互作用以及过程如何影响能量转换和光传输。该算法还考虑了在不同地理位置的一天中和全年中太阳照射窗户的角度不同。

“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个独特设计，” Wei Chen说。 “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来确定特定场景下每个设计参数的最佳组合。”

有希望的原型

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窗户原型。

该原型由数十层不同的材料组成，这些材料控制通过的光的数量和频率以及转化为电能的太阳能的数量。

一组由一种称为钙钛矿的材料制成的层，包括窗户的太阳能电池，该太阳能电池收集阳光以进行能量转换。窗户原型还包括一组称为纳米光子涂层的层，该层是由机械工程副教授Cheng Sun和他在西北麦考密克工程学院的研究小组开发的。涂层调节可以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非周期性设计，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在一天和一年中不断变化，非周期性的设计使窗户的性能可以根据用户的喜好而变化。

Sun表示：“层厚度的变化针对到达窗户的日光性质的广谱变化进行了优化。” “这使我们能够系统地在夏季减少红外透射，而在冬季则允许更多红外透射，以节省用于调节温度的能量，同时优化用于室内照明和能量收集目的的可见光透射。”

科学家优化了此研究中使用的原型，用于凤凰城一个2000平方英尺的单层房屋。根据窗户原型的实验特性，科学家们计算出与领先的商用窗户技术相比，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，并且科学家们认为，这些现有的商业流程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的窗户。

这项研究工作部分由美国国家科学基金会资助。