Una ventana inteligente personalizable aprovecha y manipula la energía solar para ahorrar energía y reducir costos.
Las ventanas desempeñan múltiples funciones cruciales en nuestros hogares. Iluminan, aíslan y ventilan nuestros espacios al tiempo que proporcionan vistas y protección del exterior. Ventanas inteligentes o ventanas que usan tecnología de células solares para convertir la luz solar en electricidad, presentela oportunidad adicional de aprovechar las ventanas como fuentes de energía.
Sin embargo, la incorporación de células solares en ventanas al tiempo que equilibra los otros roles complejos y, a menudo, conflictivos de las ventanas resulta desafiante. Por ejemplo, hacer malabarismos con las preferencias de luminosidad y los objetivos de recolección de energía durante las estaciones cambiantes requiere enfoques complejos y estratégicos para el diseño de materiales.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad Northwestern, la Universidad de Chicago y la Universidad de Wisconsin-Milwaukee combinaron recientemente la tecnología de células solares con un nuevo enfoque de optimización para desarrollar un prototipo de ventana inteligente que maximiza el diseño en unamplia gama de criterios
El algoritmo de optimización utiliza modelos físicos integrales y técnicas computacionales avanzadas para maximizar el uso general de energía al tiempo que equilibra las demandas de temperatura del edificio y los requisitos de iluminación en todas las ubicaciones y durante las estaciones cambiantes
"Este marco de diseño es personalizable y se puede aplicar a prácticamente cualquier edificio en todo el mundo", dijo Junhong Chen, científico de Argonne y profesor de Ingeniería Molecular de la Familia Crown en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago."Ya sea que desee maximizar la cantidad de luz solar en una habitación o minimizar los esfuerzos de calefacción o refrigeración, este poderoso algoritmo de optimización produce diseños de ventanas que se alinean con las necesidades y preferencias del usuario".
Enfoque avanzado para la optimización
Los científicos demostraron un enfoque holístico para el diseño de ventanas para maximizar la eficiencia energética general de los edificios al considerar las preferencias de iluminación y temperatura.
"Podemos regular la luz solar en una habitación para garantizar la luminosidad deseada mientras administramos la cantidad de energía que el edificio usa para calefacción y refrigeración", dijo Wei Chen, profesor de diseño de ingeniería Wilson-Cook en Northwestern Engineering cuyo grupo de investigación dirigióel desarrollo del enfoque de optimización: "Además, la luz solar que no atraviesa es capturada por la célula solar en la ventana inteligente y convertida en electricidad".
El enfoque, denominado optimización multicriterio, ajusta el grosor de las capas de células solares en el diseño de ventanas para satisfacer las necesidades del usuario. Por ejemplo, para reducir la energía necesaria para enfriar un edificio en verano, el diseño óptimo de la ventana podría minimizar la cantidady el tipo de luz que pasa mientras se mantiene la luminosidad deseada en el interior. Por otro lado, cuando los ahorros de invierno son una prioridad, el diseño puede maximizar la cantidad de luz solar que atraviesa, reduciendo así la energía requerida para calentar el edificio.
"En lugar de centrarnos solo en la cantidad de electricidad producida por la célula solar, consideramos el consumo de energía de todo el edificio para ver cómo podemos utilizar mejor la energía solar para minimizarla", dijo Wei Chen.
En algunos escenarios, por ejemplo, podría ser más eficiente energéticamente permitir que una mayor cantidad de luz pase a través de la ventana, en lugar de ser convertida en electricidad por la célula solar, para disminuir la electricidad requerida para la iluminación y la calefacciónel edificio.
Para determinar el diseño óptimo, el algoritmo incorpora modelos integrales basados en la física de las interacciones entre la luz y los materiales en la ventana inteligente, así como también cómo los procesos afectan la conversión de energía y la transmisión de luz. El algoritmo también tiene en cuenta la variaciónángulos en los que el sol golpea la ventana durante todo el día y el año en diferentes ubicaciones geográficas.
"El modelo que creamos permite la exploración de millones de diseños únicos mediante un algoritmo que imita la evolución biológica", dijo Wei Chen. "Además de los modelos basados en la física, el algoritmo utiliza mecanismos computacionales que se asemejan a la reproducción y la mutación genética paradeterminar la combinación óptima de cada parámetro de diseño para un determinado escenario "
prototipo prometedor
Para demostrar la viabilidad de una ventana inteligente capaz de este nivel de personalización, los científicos produjeron un pequeño prototipo de la ventana con un área de unos pocos centímetros cuadrados.
El prototipo consiste en docenas de capas de diferentes materiales que controlan la cantidad y frecuencia de la luz que pasa, así como la cantidad de energía solar convertida en electricidad.
Un grupo de capas, hecho de un tipo de material llamado perovskita, comprende la célula solar de la ventana, que recoge la luz solar para la conversión de energía. El prototipo de la ventana también incluye un conjunto de capas llamadas recubrimiento nanofotónico, desarrollado por el profesor asociado de mecánicaingeniería Cheng Sun y su grupo de investigación en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. El revestimiento sintoniza las frecuencias de luz que pueden pasar a través de la ventana.
Cada capa tiene un espesor de decenas de micras, más delgada que el diámetro de un grano de arena. Los científicos eligieron un diseño aperiódico para las capas, lo que significa que cada capa varía en grosor. A medida que cambia el ángulo de los rayos del sol contra la ventanael día y el año, el diseño aperiódico permite que el rendimiento de la ventana varíe de acuerdo con las preferencias del usuario.
"La variación en el grosor de la capa está optimizada para un amplio espectro de cambio en la naturaleza de la luz solar que llega a la ventana", dijo Sun. "Esto nos permite permitir sistemáticamente menos transmisión de infrarrojos en el verano y más en el invierno paraAhorre el consumo de energía para la regulación de la temperatura, al tiempo que optimiza la transmisión visible con el propósito de la iluminación interior y la recolección de energía ".
Los científicos optimizaron el prototipo utilizado en este estudio para una casa de un solo piso de 2,000 pies cuadrados en Phoenix. Basado en la caracterización experimental del prototipo de la ventana, los científicos calcularon ahorros de energía significativos anuales sobre las principales tecnologías de ventanas disponibles comercialmente. Los cálculos utilizadosel modelo de construcción EnergyPlus, un software desarrollado en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, un laboratorio de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, que estima el consumo de energía realista a lo largo del tiempo.
Los métodos de síntesis que los científicos utilizaron para producir el prototipo de ventana imitan los procesos comunes de fabricación a nivel industrial, y los científicos creen que estos procesos comerciales existentes permitirían una ampliación exitosa del prototipo de ventana a tamaño completo.
Las consideraciones futuras incluyen el desarrollo de la misma tecnología de forma flexible para que los materiales de las ventanas inteligentes se puedan adaptar para cubrir ventanas preexistentes.
El trabajo fue financiado en parte por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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