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因为这些窗户,未来10年的城市将会大变样?

时间: 2020年01月13日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
为建筑供热制冷是碳排放的一个巨大来源。那毫不起眼的窗户能否是绿色科技的下一个风口?


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来源 | 科学美国人

翻译 | 巢栩嘉

审校 | 赵欢



用玻璃发电


2019年年底,美国加利福尼亚州红杉市的Ubiquitous Energy公司的员工聚集在完全由玻璃窗组成的会议室里,他们面前的新型玻璃窗不仅能呈现加利福尼亚州北部壮观的山景和美丽的天空,还能兼作光伏电池,为公司的照明、电脑和空调等供能。


经过多年的研发,Ubiquitous Energy实现了一项清洁行业的技术突破——发电玻璃,其中的奥秘在于玻璃薄板之间的多种有机聚合物层,其中一些聚合物层能完全透光,而另外一些能吸收不可见的红外线和紫外线光子。光线透过玻璃时,聚合物层之间的电子流形成电流,被玻璃中的细导线收集。


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玻璃发电的原理


Ubiquitous Energy业务拓展总监Veeral Hardev说,“这有点像反向运行的透明电脑显示器。”换句话说,显示器用电点亮屏幕的各个像素点,反过来这种发电玻璃在光线透过玻璃时,能在不同位置产生电流。


目前,在给定的光照水平下,这种玻璃的发电能力大约是常规屋顶光伏的三分之一,其透光率大约是普通玻璃的一半。


Hardev表示,达到这些指标已足以使这种玻璃成为一种实用的产品,而他的公司有望大幅提高玻璃的透光率。至于较低的发电能力,他指出窗户所覆盖的面积比屋顶大,因此能用面积优势弥补效率上的不足。Hardev说,“你可以两者都用,但窗户的发电将更多。”他补充道,最大的挑战是将目前不足0.19平方米的窗户面积扩大至约4.65平方米。



比玻璃更清晰


窗户的革命早该出现了。随着世界各大城市重拾对摩天大楼的热爱,熠熠生辉的高楼已演化成各地的固定景点,但高楼上的玻璃却几乎没有技术上的进步。


对建筑的温度控制是一项巨大挑战,美国能源专项上18%的资金用于给建筑供热和制冷。据美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)估计,在寒冷的季节里,从窗户流失的暖气的折合价值约为200亿美元;而在夏季,从装有空调的建筑的窗户流失的冷气折合出的价值数额更大。总之,用于建筑供热制冷的资金,有一半以上的费用通过窗户流失的能量而浪费了。


总部位于密西根的Mackinac Technology公司正在开发一种可防止置于普通玻璃表面的涂层塑料薄板,在不影响视野清晰度的同时,还能改善玻璃的绝热和热反射性能。其中,塑料板将空气困在中间,提高玻璃的绝热性能。而涂层能让可见光透过,但会反射红外线(携带着大部分热能)。


该公司的CEOJohn Slagter表示,事实上Mackinac的窗户比普通玻璃更清晰。他表示,隐形的涂层能减少塑料表面反射的光线,反而增加窗户的透光量和室内清晰度。


将涂层塑料薄板直接安装在现有窗户框架上,就可将单层玻璃或双层玻璃的绝热性能提高两倍,同时它非常轻,不会明显增加窗户重量。Slagter表示,这种新材料已成功通过了在美国加尔文大学(Calvin University)在窗户上的测试。得益于美国政府机构的部分资助,在2022年正式投入使用前,这种塑料薄板将在更大的试点项目中进行推广测试。



光线的明暗之争


但有时,高清晰度并不总是优点,特别是对于朝南的建筑物,强烈的太阳光会通过窗户射入室内。科罗拉多大学博尔德分校的材料科学研究人员Michael McGehee说,“虽然强光能增加房间的温度,但人们并不喜欢在阳光充足的环境下工作,甚至可能会看不清电脑屏幕。通常人们会选择拉上窗帘,但这样又会失去窗外的视野,享受不了阳光带来的其他好处。”


为缓解阳光的刺眼感,McGehee团队长期致力于改进“电致变色”窗户(通过外加电场,使材料发生稳定、可逆的颜色变化),通过开关控制窗户的明暗度,滤除严重的眩光,将室内调节至舒适的进光量。基于此,这个团队设计的窗户包含一个含有铂的铟锡氧化物层和一个氧化镍层,并两层之间填充了一种锂溶液。对两层结构施加低电压时,它们充当电极产生电场,溶液中的锂离子会迁移并粘附到氧化镍层。


虽然锂在溶液中呈透明,但覆盖在氧化镍层时却呈半透明。McGehee说,“只需要在电极上覆盖一层10nm厚的锂,就能阻挡大部分光线。”他补充道,这样的窗户就像是建筑的“太阳镜”。此外,通过改变电压可以分级调节遮挡阳光的程度。


如果这些成果顺利商业化,那么在未来10~20年里,窗户将成为大量便捷、环保型城市的重要组成部分。这会是人类朝着碳足迹归零方向迈出的坚实一步。


原文链接:https://www.scientificamerican.com/custom-media/pictet/windows-no-longer-just-for-letting-in-the-light/