Gebäude
Veröffentlicht auf 15. Juli 2020 |
vom Gastbeitragenden
15. Juli 2020 durch Gastbeitrag
Ursprünglich veröffentlicht am Argonne National Laboratory.
Von Savannah Mitchem
Windows spielt in unseren Häusern mehrere entscheidende Rollen. Sie beleuchten, isolieren und lüften unsere Räume und bieten gleichzeitig Blick auf die Natur und Schutz vor ihr. Intelligente Fenster oder Fenster, die mithilfe von Solarzellentechnologie Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln, bieten die zusätzliche Möglichkeit, Fenster als Energiequellen zu nutzen.
Bild von Peter Allen / Universität von Chicago.
Der Einbau von Solarzellen in Fenster unter Ausgleich der anderen komplexen und oft widersprüchlichen Rollen von Fenstern erweist sich jedoch als schwierig. Zum Beispiel erfordert das Jonglieren von Leuchtkraftpräferenzen und Energiegewinnungszielen während wechselnder Jahreszeiten komplexe und strategische Ansätze für das Materialdesign.
„Dieses Design-Framework ist anpassbar und kann auf praktisch jedes Gebäude auf der ganzen Welt angewendet werden. “ – Junhong Chen, Wissenschaftler an der Argonne und Professor an der Pritzker School of Molecular Engineering der Universität von Chicago
Wissenschaftler des US-Energieministeriums (DAMHIRSCHKUH) Das Argonne National Laboratory, die Northwestern University, die University of Chicago und die University of Wisconsin-Milwaukee haben kürzlich die Solarzellentechnologie mit einem neuartigen Optimierungsansatz kombiniert, um einen intelligenten Fensterprototyp zu entwickeln, der das Design über eine Vielzahl von Kriterien maximiert.
Der Optimierungsalgorithmus verwendet umfassende physikalische Modelle und fortschrittliche Berechnungstechniken, um den Gesamtenergieverbrauch zu maximieren und gleichzeitig die Anforderungen an die Gebäudetemperatur und die Beleuchtung über Standorte und wechselnde Jahreszeiten hinweg auszugleichen.
„Dieses Design-Framework ist anpassbar und kann auf praktisch jedes Gebäude auf der ganzen Welt angewendet werden “, sagte Junhong Chen, Wissenschaftler an der Argonne und Professor für Molekulartechnik an der Pritzker School of Molecular Engineering an der Universität von Chicago. Wenn Sie„Egal, ob Sie die Menge an Sonnenlicht in einem Raum maximieren oder den Heiz- oder Kühlaufwand minimieren möchten, dieser leistungsstarke Optimierungsalgorithmus erstellt Fensterdesigns, die auf die Bedürfnisse und Vorlieben der Benutzer abgestimmt sind. “
Erweiterter Optimierungsansatz
Die Wissenschaftler demonstrierten einen ganzheitlichen Ansatz für die Fenstergestaltung, um die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden unter Berücksichtigung der Beleuchtungs- und Temperaturpräferenzen zu maximieren.
„Wir können das Sonnenlicht in einem Raum regulieren, um die gewünschte Leuchtkraft zu gewährleisten und gleichzeitig die Energiemenge zu steuern, die das Gebäude zum Heizen und Kühlen verbraucht “, sagte Wei Chen, Wilson-Cook-Professor für Ingenieurdesign bei Northwestern Engineering, dessen Forschungsgruppe die Entwicklung von leitete der Optimierungsansatz. Wenn Sie„Außerdem wird das Sonnenlicht, das nicht durchgelassen wird, von der Solarzelle im Smart Window erfasst und in Strom umgewandelt. "
Der Ansatz, der als Multikriteria-Optimierung bezeichnet wird, passt die Dicke der Solarzellenschichten im Fensterdesign an die Bedürfnisse des Benutzers an. Um beispielsweise die Energie zu reduzieren, die zum Kühlen eines Gebäudes im Sommer erforderlich ist, kann das optimale Fensterdesign die Menge und Art des durchgelassenen Lichts minimieren, während die gewünschte Leuchtkraft im Inneren beibehalten wird. Wenn andererseits Wintereinsparungen Priorität haben, kann das Design die Menge des durchgelassenen Sonnenlichts maximieren und dadurch den Energiebedarf für die Beheizung des Gebäudes verringern.
„Anstatt uns nur auf die von der Solarzelle erzeugte Strommenge zu konzentrieren, betrachten wir den Energieverbrauch des gesamten Gebäudes, um herauszufinden, wie wir Solarenergie am besten nutzen können, um ihn zu minimieren “, sagte Wei Chen.
In einigen Szenarien kann es beispielsweise energieeffizienter sein, eine größere Lichtmenge durch das Fenster zu lassen, anstatt von der Solarzelle in Strom umgewandelt zu werden, um den für die Beleuchtung und Heizung des Gebäudes erforderlichen Strom zu verringern .
Um das optimale Design zu bestimmen, enthält der Algorithmus umfassende physikbasierte Modelle der Wechselwirkungen zwischen Licht und den Materialien im Smart Window sowie der Auswirkungen der Prozesse auf die Energieumwandlung und Lichtdurchlässigkeit. Der Algorithmus berücksichtigt auch die unterschiedlichen Winkel, unter denen die Sonne tagsüber und im Jahr an verschiedenen geografischen Standorten auf das Fenster trifft.
„Das von uns erstellte Modell ermöglicht die Erforschung von Millionen einzigartiger Designs mit einem Algorithmus, der die biologische Evolution nachahmt “, sagte Wei Chen. Wenn Sie„Zusätzlich zu den physikbasierten Modellen verwendet der Algorithmus Rechenmechanismen, die der Reproduktion und genetischen Mutation ähneln, um die optimale Kombination jedes Designparameters für ein bestimmtes Szenario zu bestimmen. “
Vielversprechender Prototyp
Um die Machbarkeit eines intelligenten Fensters zu demonstrieren, das diese Anpassungsstufe ermöglicht, haben die Wissenschaftler einen kleinen Prototyp des Fensters mit einer Fläche von wenigen Quadratzentimetern hergestellt.
Der Prototyp besteht aus Dutzenden von Schichten unterschiedlicher Materialien, die die Menge und Frequenz des durchgelassenen Lichts sowie die Menge der in Elektrizität umgewandelten Sonnenenergie steuern.
Eine Schichtgruppe aus einem Material namens Perowskit besteht aus der Solarzelle des Fensters, die Sonnenlicht zur Energieumwandlung erntet. Der Fensterprototyp enthält auch eine Reihe von Schichten, die als nanophotonische Beschichtung bezeichnet werden und von Cheng Sun, Associate Professor für Maschinenbau, und seiner Forschungsgruppe an der McCormick School of Engineering im Nordwesten entwickelt wurden. Die Beschichtung stimmt die Lichtfrequenzen ab, die durch das Fenster gelangen können.
Jede Schicht ist mehrere zehn Mikrometer dick – dünner als der Durchmesser eines Sandkorns. Die Wissenschaftler wählten ein aperiodisches Design für die Schichten, was bedeutet, dass jede Schicht in ihrer Dicke variiert. Da sich der Winkel der Sonnenstrahlen gegen das Fenster im Laufe des Tages und des Jahres ändert, ermöglicht das aperiodische Design, dass die Leistung des Fensters je nach den Vorlieben des Benutzers variiert.
„Die Variation der Schichtdicke ist für ein breites Spektrum von Änderungen in der Art des Sonnenlichts optimiert, das das Fenster erreicht “, sagte Sun. Wenn Sie„Dies ermöglicht es uns, systematisch weniger Infrarotübertragung im Sommer und mehr im Winter zuzulassen, um Energie für die Temperaturregulierung zu sparen und gleichzeitig die sichtbare Übertragung für die Innenbeleuchtung und die Energiegewinnung zu optimieren. “
Die Wissenschaftler optimierten den in dieser Studie verwendeten Prototyp für a 2,000 Quadratfuß, einstöckiges Haus in Phoenix. Basierend auf der experimentellen Charakterisierung des Fensterprototyps berechneten die Wissenschaftler signifikante jährliche Energieeinsparungen gegenüber führenden kommerziell erhältlichen Fenstertechnologien. Die Berechnungen verwendeten das EnergyPlus-Gebäudemodell, eine Software, die am National Renewable Energy Laboratory entwickelt wurde DAMHIRSCHKUH Labor des Amtes für Energieeffizienz und erneuerbare Energien, das den realistischen Stromverbrauch über die Zeit schätzt.
Die Synthesemethoden, mit denen die Wissenschaftler den Fensterprototyp herstellten, ahmen gängige Herstellungsprozesse auf industrieller Ebene nach, und die Wissenschaftler glauben, dass diese bestehenden kommerziellen Prozesse eine erfolgreiche Skalierung des Fensterprototyps auf die volle Größe ermöglichen würden.
Zukünftige Überlegungen umfassen die Entwicklung derselben Technologie in flexibler Form, damit die intelligenten Fenstermaterialien nachgerüstet werden können, um bereits vorhandene Fenster abzudecken.
Ein Artikel über die Studie mit dem Titel„Maximierung der Solarenergienutzung durch Multikriteria pareto-Optimierung der Energiegewinnung und Regulierung von Smart WindowWurde im Juli veröffentlicht 8 im Zellberichte, Physik.
Die Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation finanziert.
Die Forscher entwickeln ein anpassbares intelligentes Fenster, das Solarenergie nutzt und manipuliert, um Energie zu sparen und Kosten zu senken: https://t.co/MawgjAQW3O
– Pritzker School of Molecular Engineering (@UChicagoPME) 14. Juli 2020
Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technologie. Argonne ist das erste nationale Labor des Landes und betreibt in nahezu allen wissenschaftlichen Disziplinen Spitzenforschung und angewandte wissenschaftliche Forschung. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, die wissenschaftliche Führung Amerikas voranzutreiben und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern von mehr als 60 Nationen, wird Argonne von verwaltet UChicago Argonne, GMBH für die Office of Science des US-Energieministeriums.
Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Befürworter der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie https: // ener gy .gov / s c ience.
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