窗户在我们家里扮演着多重重要的角色。它们照亮了我们的空间，隔绝了空气，同时提供了室外视野和保护。天富登录网址智能窗户，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，将太阳能电池整合到windows中，同时平衡其他复杂的、经常相互冲突的windows角色，证明是具有挑战性的。例如，在不同季节平衡亮度偏好和能量收集目标需要复杂和战略性的材料设计方法。

 

“这个设计框架是可定制的，可以应用于世界上几乎任何建筑。——陈俊宏(Junhong Chen, Argonne的科学家，芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授)

 

来自美国能源部阿贡国家实验室、西北大学、天富登录网址芝加哥大学和威斯康辛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的优化方法相结合，开发了一种智能窗户原型，该原型可在多种标准下实现最大限度的设计。

 

该优化算法利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使用，同时平衡不同地点和不同季节的建筑温度和照明需求。

 

“这个设计框架是可定制的，几乎可以应用到世界上的任何建筑上，”陈俊宏说，他是Argonne的科学家，也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的皇室分子工程教授。“无论你是想最大化房间的日照量，还是想最小化加热或冷却的努力，这个强大的优化算法产生的窗户设计符合用户的需求和偏好。”

 

优化的高级方法

 

科学家们展示了窗户设计的整体方法，以最大限度地提高建筑的整体能源效率，同时考虑到照明和温度偏好。

 

“我们可以调节房间内的阳光，以确保所需的亮度，同时管理建筑用于供暖和制冷的能源量，”魏晨说，他是西北工程学院工程设计的威尔逊-库克教授，他的研究小组领导了优化方法的发展。“此外，无法穿透的阳光会被智能窗户中的太阳能电池捕获并转化为电能。”

 

这种被称为多准则优化的方法，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，为了减少夏天冷却建筑所需的能量，最佳的窗户设计可以最小化通过的光的数量和类型，同时保持所需的室内亮度。另一方面，当冬季节能成为优先考虑的事情时，该设计可以最大限度地增加通过的阳光量，从而减少建筑供暖所需的能量。

 

“我们并不只关注太阳能电池产生的电量，而是考虑整个建筑的能源消耗，看看我们如何能最好地利用太阳能，使其最小化，”陈炜说。

 

例如，在某些情况下，为了减少照明和供暖所需的电力，允许更多的光通过窗户，而不是通过太阳能电池转化为电能，可能会更节能。

 

为了确定最佳设计，该算法结合了光与智能窗户材料之间相互作用的综合物理模型，以及这一过程如何影响能量转换和光传输。该算法还考虑了在不同的地理位置，白天和全年太阳照射窗户的不同角度。

 

“我们创建的模型允许通过模拟生物进化的算法探索数以百万计的独特设计，”陈伟说。“在基于物理模型的基础上，该算法使用类似于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下的最佳组合。”

 

有前途的原型

 

为了证明智能窗户能够实现这种定制化水平的可行性，科学家们制作了一个面积只有几平方厘米的小窗户原型。

 

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的数量和频率，以及太阳能转化为电能的数量。

 

其中一组由钙钛矿材料制成，包括窗户的太阳能电池，它收集阳光进行能量转换。