Windows joue plusieurs rôles cruciaux dans nos maisons. Ils éclairent, isolent et ventilent nos espaces tout en offrant une vue et une protection contre l’extérieur. Les fenêtres intelligentes, ou les fenêtres qui utilisent la technologie des cellules solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité, offrent une opportunité supplémentaire de tirer parti des fenêtres en tant que sources d’énergie.

Cependant, l’incorporation de cellules solaires dans les fenêtres tout en équilibrant les autres rôles complexes et souvent conflictuels des fenêtres s’avère difficile. Par exemple, jongler avec les préférences de luminosité et les objectifs de récupération d’énergie tout au long des saisons changeantes nécessite des approches complexes et stratégiques de la conception des matériaux.

Des scientifiques du laboratoire national Argonne du département américain de l’énergie (DOE), de la Northwestern University, de l’Université de Chicago et de l’Université du Wisconsin-Milwaukee ont récemment combiné la technologie des cellules solaires avec une nouvelle approche d’optimisation pour développer un prototype de fenêtre intelligente qui maximise la conception sur une large gamme des critères.

L’algorithme d’optimisation utilise des modèles physiques complets et des techniques de calcul avancées pour maximiser la consommation d’énergie globale tout en équilibrant les exigences de température du bâtiment et les exigences d’éclairage à travers les emplacements et au fil des saisons.

« Ce cadre de conception est personnalisable et peut être appliqué à pratiquement n’importe quel bâtiment dans le monde », a déclaré Junhong Chen, scientifique à Argonne et professeur de génie moléculaire de la famille Crown à la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago. « Que vous souhaitiez maximiser la quantité de lumière du soleil dans une pièce ou minimiser les efforts de chauffage ou de refroidissement, ce puissant algorithme d’optimisation produit des conceptions de fenêtres qui correspondent aux besoins et aux préférences des utilisateurs. »

Approche avancée de l’optimisation

Les scientifiques ont démontré une approche holistique de la conception des fenêtres pour maximiser l’efficacité énergétique globale des bâtiments tout en tenant compte des préférences d’éclairage et de température.

« Nous pouvons réguler la lumière du soleil dans une pièce pour assurer la luminosité souhaitée tout en gérant la quantité d’énergie que le bâtiment utilise pour le chauffage et le refroidissement », a déclaré Wei Chen, professeur Wilson-Cook en conception technique à Northwestern Engineering, dont le groupe de recherche a dirigé le développement. de l’approche d’optimisation. « De plus, la lumière du soleil qui ne passe pas à travers est captée par la cellule solaire dans la fenêtre intelligente et convertie en électricité. »

L’approche, appelée optimisation multicritères, ajuste les épaisseurs des couches de cellules solaires dans la conception des fenêtres pour répondre aux besoins de l’utilisateur. Par exemple, pour réduire l’énergie requise pour refroidir un bâtiment en été, la conception optimale des fenêtres pourrait minimiser la quantité et le type de lumière traversant tout en maintenant la luminosité souhaitée à l’intérieur. D’un autre côté, lorsque les économies hivernales sont une priorité, la conception peut maximiser la quantité de lumière solaire qui passe à travers, réduisant ainsi l’énergie nécessaire au chauffage du bâtiment.

« Plutôt que de se concentrer uniquement sur la quantité d’électricité produite par la cellule solaire, nous considérons la consommation d’énergie de l’ensemble du bâtiment pour voir comment nous pouvons utiliser au mieux l’énergie solaire pour la minimiser », a déclaré Wei Chen.

Dans certains scénarios, par exemple, il pourrait être plus économe en énergie de permettre à une plus grande quantité de lumière de passer à travers la fenêtre, au lieu d’être convertie en électricité par la cellule solaire, afin de diminuer l’électricité requise pour l’éclairage et le chauffage du bâtiment .

Pour déterminer la conception optimale, l’algorithme intègre des modèles complets basés sur la physique des interactions entre la lumière et les matériaux dans la fenêtre intelligente, ainsi que la façon dont les processus affectent la conversion d’énergie et la transmission de la lumière. L’algorithme prend également en compte les angles variables sous lesquels le soleil frappe la fenêtre tout au long de la journée – et de l’année – à différents emplacements géographiques.

« Le modèle que nous avons créé permet d’explorer des millions de conceptions uniques par un algorithme qui imite l’évolution biologique », a déclaré Wei Chen. « En plus des modèles basés sur la physique, l’algorithme utilise des mécanismes de calcul qui ressemblent à la reproduction et à la mutation génétique pour déterminer la combinaison optimale de chaque paramètre de conception pour un certain scénario. »

Prototype prometteur

Pour démontrer la faisabilité d’une fenêtre intelligente capable de ce niveau de personnalisation, les scientifiques ont produit un petit prototype de la fenêtre d’une superficie de quelques centimètres carrés.

Le prototype se compose de dizaines de couches de matériaux variés qui contrôlent la quantité et la fréquence de la lumière traversant, ainsi que la quantité d’énergie solaire convertie en électricité.

Un groupe de couches, constitué d’un type de matériau appelé pérovskite, comprend la cellule solaire de la fenêtre, qui récolte le soleil pour la conversion d’énergie. Le prototype de fenêtre comprend également un ensemble de couches appelé revêtement nanophotonique, développé par le professeur agrégé de génie mécanique Cheng Sun et son groupe de recherche à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Le revêtement règle les fréquences de lumière qui peuvent traverser la fenêtre.

Chaque couche a des dizaines de microns d’épaisseur – plus mince que le diamètre d’un grain de sable. Les scientifiques ont choisi une conception apériodique pour les couches, ce qui signifie que chaque couche varie en épaisseur. Comme l’angle des rayons du soleil par rapport à la fenêtre change au cours de la journée et de l’année, la conception apériodique permet aux performances de la fenêtre de varier en fonction des préférences de l’utilisateur.

« La variation de l’épaisseur de la couche est optimisée pour un large spectre de changements dans la nature de la lumière solaire qui atteint la fenêtre », a expliqué Sun. « Cela nous permet de permettre systématiquement moins de transmission infrarouge en été et plus en hiver pour économiser la consommation d’énergie pour la régulation de la température, tout en optimisant la transmission visible à des fins d’éclairage intérieur et de récupération d’énergie. »

Les scientifiques ont optimisé le prototype utilisé dans cette étude pour une maison de plain-pied de 2000 pieds carrés à Phoenix. Sur la base de la caractérisation expérimentale du prototype de fenêtre, les scientifiques ont calculé d’importantes économies d’énergie annuelles par rapport aux principales technologies de fenêtres disponibles dans le commerce. Les calculs ont utilisé le modèle de bâtiment EnergyPlus, un logiciel développé au National Renewable Energy Laboratory, un laboratoire du DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, qui estime une consommation électrique réaliste au fil du temps.

Les méthodes de synthèse que les scientifiques ont utilisées pour produire le prototype de fenêtre imitent les processus de fabrication courants au niveau industriel, et les scientifiques pensent que ces processus commerciaux existants permettraient une mise à l’échelle réussie du prototype de fenêtre en taille réelle.

Les considérations futures incluent le développement de la même technologie sous une forme flexible afin que les matériaux des fenêtres intelligentes puissent être modernisés pour couvrir les fenêtres préexistantes.

Le travail a été financé en partie par la National Science Foundation.