Ventanas inteligentes personalizables

Una nueva ventana inteligente personalizable aprovecha y manipula la energía solar para ahorrar energía y reducir costes.

Las ventanas juegan múltiples papeles cruciales en nuestros hogares. Iluminan, aíslan y ventilan nuestros espacios mientras que proporcionan vistas de - y protección de - el exterior. Las ventanas inteligentes, o ventanas que utilizan tecnología de células solares para convertir la luz solar en electricidad, presentan la oportunidad adicional de aprovecharlas como fuentes de energía.

Sin embargo, la incorporación de células solares en las ventanas resulta ser un desafío, porque hay que mantener un equilibrio entre sus diversas funciones, a menudo en conflicto. Por ejemplo, el diseño de los materiales es complicado cuando se trata de decidir cuánta luminosidad debe dejar pasar una ventana o de maximizar la recolección de energía a lo largo de las cambiantes estaciones.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), de la Universidad Northwestern, de la Universidad de Chicago y de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee combinaron recientemente la tecnología de las células solares con un novedoso 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 completos y técnicas computacionales avanzadas para maximizar el uso general de la energía y, al mismo tiempo, equilibrar las demandas de temperatura de los edificios y los requisitos de iluminación en todos los lugares y a lo largo de las diversas y cambiantes estaciones.

"Este marco de diseño es personalizable y puede aplicarse a prácticamente cualquier edificio en todo el mundo", dijo Junhong Chen, científico de Argonne y profesor de ingeniería molecular en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. "Ya sea que quieras 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".

Los científicos demostraron un enfoque integral del diseño de las ventanas para maximizar la eficiencia energética global de los edificios, teniendo en cuenta las preferencias de iluminación y temperatura.

"Podemos regular la luz del sol en una habitación para asegurar la luminosidad deseada mientras se gestiona la cantidad de energía que el edificio utiliza para la calefacción y la refrigeración", dijo Wei Chen, profesor de Diseño de Ingeniería en Northwestern Engineering, cuyo grupo de investigación dirigió el desarrollo del enfoque de optimización. "Además, la luz del sol que no pasa es capturada por la célula solar en la ventana inteligente y convertida en electricidad".

El método, llamado optimización multicriterio, ajusta el grosor de las capas de células solares en el diseño de la ventana 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 reducir al mínimo la cantidad y el tipo de luz que pasa a través de ella, manteniendo al mismo tiempo la luminosidad deseada en el interior. Por otra parte, cuando el ahorro en el invierno es una prioridad, el diseño podría maximizar la cantidad de luz solar que atraviesa, reduciendo así la energía necesaria 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, a fin de disminuir la electricidad necesaria para la iluminación y la calefacción del edificio.

Para determinar el diseño óptimo, el algoritmo incorpora modelos completos basados en la física de las interacciones entre la luz y los materiales de la ventana inteligente, así como la forma en que los procesos afectan a la conversión de la energía y la transmisión de la luz. El algoritmo también tiene en cuenta los diferentes ángulos en los que el sol golpea la ventana a lo largo del día -- y del año -- en diferentes lugares geográficos.

Para demostrar la viabilidad de una ventana inteligente capaz de este nivel de personalización, los científicos produjeron un pequeño prototipo de la ventana con una superficie de unos pocos centímetros cuadrados.

El prototipo consiste en docenas de capas de materiales variables que controlan la cantidad y la frecuencia de la luz que pasa, así como la cantidad de energía solar convertida en electricidad.

Un grupo de capas, hechas de un tipo de material llamado perovskita, da forma a 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 revestimiento 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 recubrimiento sintoniza las frecuencias de la luz que puede pasar a través de la ventana.

Cada capa tiene un espesor de decenas de micrones, más delgado 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 espesor. Como el ángulo de los rayos del sol contra la ventana cambia a lo largo del día y del año, el diseño aperiódico permite que el rendimiento de la ventana varíe de acuerdo con las preferencias del usuario.

El estudio se publicó en la revista Cell Reports, Physical Science.

Fuente: NCYT Amazings