智能窗户：利用太阳能并巧妙地处理太阳光，来节约能源并降低成本

窗户在我们的住宅中扮演着多重关键角色，为我们的空间供应照明、隔热以及通风功能的同时，也供应了户外视野和防护功能。智能窗户，或者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供应了额外的机会。

然而，将太阳能电池集成到窗户中，同时还要平衡窗户的其他复杂且经常相互冲突的功能，是一项具有挑战性的任务。例如，要在四季更迭的过程中兼顾“光照度偏好”和“能量收集目标”，就要对材料设计采用复杂的战略方法。

普林斯顿大学开发的智能窗户，由透明太阳能电池供电，能控制进入室内的可见光与红外线。

创新

近日，来自美国能源部（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将太阳能电池技术与一种新型优化方法相结合，开发出一个智能窗户原型，最大限度地满足各种设计标准。

智能窗户同时采集和调节太阳能。

该优化算法使用综合的物理模型和先进的计算技术，最大限度地提高整体能源利用率，同时在地点变化和四季更迭中平衡建筑物的温度需求和照明需求。

阿贡实验室科学家、芝加哥大学普利兹克分子工程学院皇冠家族教授JunhongChen表示：“这个设计框架是可定制的，几乎可以应用于全世界的任何建筑。无论你是想最大限度地新增室内的阳光量，还是最低限度地供暖或制冷，这种强大的优化算法都能生成符合用户需求和偏好的窗户设计。”

技术

科学家们展示了用一种整体性方法来设计窗户，以最大限度地提高建筑物的整体能效，同时兼顾照明和温度偏好。

美国西北大学工程学院工程设计系威尔逊-库克教授WeiChen表示：“我们可以调节室内阳光，以保证所需的光照度，同时管理建筑用于供暖和制冷的能量。此外，智能窗户中的太阳能电池会捕获没有通过的阳光，并转化为电能。”

这种方法被称为“多准则优化”，调整窗户设计中太阳能电池层的厚度，以满足用户需求。例如，为了在夏季减少建筑制冷所需的能量，最佳的窗户设计可能会尽量减少通过的光线数量和种类，同时保持室内所需的光照度。另一方面，当冬季要优先考虑储能时，这个设计可能会最大限度地新增通过的阳光量，从而减少建筑物加热所需的能量。

WeiChen表示：“我们不是只关注太阳能电池的发电量，还要考虑整个建筑的能耗，看看如何才能最好地利用太阳能，将能耗降到最低。”

在某些场景中，例如，让更多光线通过窗户，而不是由太阳能电池转化为电能，以减少建筑物的照明和供暖所需的电力，可能会更加节能。

为了确定最佳设计，该算法结合了基于物理学的综合模型，该模型是有关光与智能窗户中的材料之间的相互用途，以及这些过程是如何影响能量转换和光线传输的。该算法也考虑到在不同地理位置，太阳在一天（和一年）中照射到窗户上的各种角度。

WeiChen表示：“我们创建的模型可以通过模拟生物进化的算法，来探索数百万种独特的设计。在基于物理学的模型之上，该算法使用了类似繁殖和基因突变的计算机制，以确定每个设计参数在特定场景中的最佳组合。”

为了证明达到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这种窗户的小原型。

该原型由几十层不同的材料组成，这些材料可以控制通过的光线的数量和频率，以及太阳能转化为电能的量。

一组由一种叫做“钙钛矿”的材料制成的层，组成了窗户的太阳能电池，它可以采集太阳光来进行能量转换。这种窗户的原型还包括一组称为“纳米光子涂层”的层，由西北大学麦考密克工程学院机械工程系副教授ChengSun及其研究小组开发。该涂层可以调整通过窗户的光线频率。

每层厚度为数十微米，比一粒沙子的直径还小。科学家们为这些层选择了一种非周期性的设计，这意味着每一层的厚度都不同。由于太阳光对窗户的照射角度在一天以及一年中都会出现变化，因此非周期性的设计使窗户的性能可以根据用户偏好而变化。

下图为屋顶安装的基于非周期性纳米光子涂层和匹配的半透明钙钛矿太阳能电池的智能窗户的光与热并行管理的概念示意图：

（A）夏季典型的日照条件

（B）冬季典型的日照条件（C）由非周期性纳米光子涂层和匹配的半透明钙钛矿太阳能电池共同组成的智能窗户结构。太阳能电池由140纳米氟掺杂的氧化锡（FTO）电极、20纳米浓密的TiO2电子阻挡层、40纳米钙钛矿层、30纳米spiro-OMeTAD空穴阻挡层、10纳米银背电极组成。10层光子结构由SiO2层与TIO2层交替组成，其厚度有待优化。

Sun表示：“层厚度的变化是根据到达窗户的阳光特性的广泛变化而优化的。这使我们能够系统地在夏季允许较少的红外线透射，而在冬季允许更多的红外线透射，以节省用于温度调节的能量，同时优化可见光透射，以达到室内照明和能量采集的目标。”

科学家们为凤凰城一栋2000平方英尺的单层住宅，优化了本次研究中使用的原型。基于窗户原型的实验特性，科学家们计算得出，相比于领先的商用窗户技术，每年可节省大量的能量。计算使用了Energyplus建筑模型，它是一个由美国国家可再生能源实验室开发的软件，该实验室是美国能源部能源效率和可再生能源办公室的一个实验室，它可以评估随时间变化而出现的真实电力消耗。

科学家们用来生产窗户原型的合成方法模仿了常用的工业级制造工艺，并且科学家们认为，这些现有的商用工艺能将窗户原型成功地放大至全尺寸。

未来的考虑包括以一种灵活的形式开发同样的技术，以便智能窗材料可以通过改造以覆盖原有的窗户。