Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EEUU (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 una amplia 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 distintas estaciones.
"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. “Tanto si desea maximizar la cantidad de luz solar en una habitación o minimizar el calentamiento o el enfriamiento, este potente algoritmo de optimización produce diseños de ventana que se alinean con las necesidades y preferencias del usuario.”
Los científicos demostraron un enfoque integral al 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 dirigió el desarrollo del enfoque de optimización.“ Además, la luz del sol que no pasa a través es capturado por la célula solar en la ventana inteligente y convertida en electricidad.”
El enfoque, llamado 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 requerida para enfriar un edificio en el verano, el diseño óptimo de la ventana podría minimizar la cantidad y 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 iluminar y calentar el 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 los diferentes ángulos en los que el sol golpea la ventana durante 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.“ En la parte superior de los modelos basados en la física, el algoritmo utiliza mecanismos computacionales que se asemejan a la reproducción y la mutación genética para determinar la combinación óptima de cada parámetro de diseño para un cierto 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 ingeniería mecánica 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 el espesor de cada capa varía. A medida que el ángulo de los rayos del sol contra la ventana cambia a lo largo del 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 cambios en la naturaleza de la luz solar que llega a la ventana", dijo Sun.“ Esto nos facilita la transmisión sistemática de menos infrarrojos en el verano y más en el invierno para ahorrar en consumo de energía para la regulación de la temperatura, al tiempo que nos permite optimizar la transmisión visible para 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 185 m2 en Phoenix. Sobre la base de la caracterización experimental del prototipo de la ventana, los científicos calcularon importantes ahorros anuales de energía sobre las principales tecnologías de ventanas disponibles comercialmente. Los cálculos utilizaron el 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 real a lo largo del tiempo.
Los métodos de síntesis que los científicos usaron 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 en una forma flexible para que los materiales de las ventanas inteligentes se puedan adaptar para cubrir ventanas preexistentes.
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