anunci patrocinat

Científics del Laboratori Nacional Argonne del Departament d’Energia dels EUA (DOE), la Universitat Northwestern, la Universitat de Chicago i la Universitat de Wisconsin-Milwaukee van combinar recentment la tecnologia de cèl·lules solars amb un nou enfocament d’optimització per desenvolupar un prototip de finestra intel·ligent que maximitza el disseny en una àmplia gamma de criteris.

L’algoritme d’optimització utilitza models físics integrals i tècniques computacionals avançades per maximitzar l’ús general d’energia a el temps que equilibra les demandes de temperatura de l’edifici i els requisits d’il·luminació en totes les ubicacions i durant les diferents estacions.

«Aquest marc de disseny és personalitzable i es pot aplicar a pràcticament qualsevol edifici a tot el món», va dir Junhong Chen, científic d’Argonne i professor d’enginyeria molecular de la família Crown a l’Escola Pritzker d’Enginyeria Molecular de la Universitat de Chicago. “Tant si es vol maximitzar la quantitat de llum solar en una habitació o minimitzar l’escalfament o el refredament, aquest potent algoritme d’optimització produeix dissenys de finestra que s’alineen amb les necessitats i preferències de l’usuari.”

Els científics van demostrar un enfocament integral al disseny de finestres per maximitzar l’eficiència energètica general dels edificis al considerar les preferències d’il·luminació i temperatura.

«Podem regular la llum solar en una habitació per garantir la lluminositat desitjada mentre administrem la quantitat d’energia que l’edifici fa servir per a calefacció i refrigeració», va dir Wei Chen, professor de disseny d’enginyeria Wilson-Cook en Northwestern Engineering, el grup de recerca va dirigir el desenvolupament de l’enfocament d’optimització. “a més, la llum del sol que no passa a través és capturat per la cèl·lula solar a la finestra intel·ligent i convertida en electricitat.”

L’enfocament, anomenat optimització multicriteri, ajusta el gruix de les capes de cèl·lules solars en el disseny de finestres per satisfer les necessitats de l’usuari. Per exemple, per reduir l’energia requerida per refredar un edifici a l’estiu, el disseny òptim de la finestra podria minimitzar la quantitat i el tipus de llum que passa mentre es manté la lluminositat desitjada a l’interior. D’altra banda, quan els estalvis d’hivern són una prioritat, el disseny pot maximitzar la quantitat de llum solar que travessa, reduint així l’energia requerida per escalfar l’edifici.

«En lloc de centrar-nos només en la quantitat d’electricitat produïda per la cèl·lula solar, considerem el consum d’energia de tot l’edifici per veure com podem utilitzar millor l’energia solar per minimitzar-la», va dir Wei Chen.

En alguns escenaris, per exemple, podria ser més eficient energèticament permetre que una major quantitat de llum passi a través de la finestra, en lloc de ser convertida en electricitat per la cèl·lula solar, per disminuir l’electricitat requerida per il·luminar i escalfar l’edifici.

Per determinar el disseny òptim, l’algoritme incorpora models integrals basats en la física de les interaccions entre la llum i els materials a la finestra intel·ligent, així com també com els processos afecten la conversió d’energia i la transmissió de llum. L’algoritme també té en compte els diferents angles en què el sol colpeja la finestra durant el dia i l’any en diferents ubicacions geogràfiques.

«El model que vam crear permet l’exploració de milions de dissenys únics mitjançant un algoritme que imita l’evolució biològica», va dir Wei Chen. “A la part superior dels models basats en la física, l’algoritme utilitza mecanismes computacionals que s’assemblen a la reproducció i la mutació genètica per determinar la combinació òptima de cada paràmetre de disseny per a un cert escenari. “

Prototip prometedor

Per demostrar la viabilitat d’una finestra intel·ligent capaç d’aquest nivell de personalització, els científics van produir un petit prototip de la finestra amb una àrea d’uns pocs centímetres quadrats. El prototip consisteix en dotzenes de capes de diferents materials que controlen la quantitat i freqüència de la llum que passa, així com la quantitat d’energia solar convertida en electricitat.

Un grup de capes, fet d’un tipus de material anomenat perovskita, comprèn la cèl·lula solar de la finestra, que recull la llum solar per a la conversió d’energia. El prototip de la finestra també inclou un conjunt de capes anomenades recobriment nanofotónic, desenvolupat pel professor associat d’enginyeria mecànica Cheng Sun i el seu grup de recerca a l’Escola d’Enginyeria McCormick de Northwestern. El revestiment sintonitza les freqüències de llum que poden passar a través de la finestra.

«La variació en el gruix de la capa està optimitzada per a un ampli espectre de canvis en la naturalesa de la llum solar que arriba a la finestra», va dir Sun “Això ens facilita la transmissió sistemàtica de menys infrarojos a l’estiu i més en l’hivern per estalviar en consum d’energia per a la regulació de la temperatura, a el temps que ens permet optimitzar la transmissió visible per a la il·luminació interior i la recol·lecció d’energia. “

Els científics van optimitzar el prototip utilitzat en aquest estudi per a una casa d’un sol pis de 185 m2 a Phoenix. Sobre la base de la caracterització experimental de el prototip de la finestra, els científics van calcular importants estalvis anuals d’energia sobre les principals tecnologies de finestres disponibles comercialment.

Les consideracions futures inclouen el desenvolupament de la mateixa tecnologia en una forma flexible perquè els materials de les finestres intel·ligents es puguin adaptar per cobrir finestres preexistents.

Info d’El Periódico de la energía