Las ventanas juegan múltiples papeles cruciales en nuestros hogares. Iluminan y aíslan nuestros espacios mientras que nos proporcionan vistas y protección del exterior. Las ventanas inteligentes, o ventanas que utilizan las tecnologías de células solares para convertir la luz solar en electricidad, presentan la oportunidad adicional de aprovechar las ventanas como fuentes de energía. Sin embargo, la incorporación de células solares en las ventanas, y a que a la vez hagan las mismas funcionalidades de una ventana convencional resulta un gran desafío. El conjugar las preferencias de luminosidad con los objetos de recolección de energía a lo largo de las diferentes estaciones requieren enfoques complejos para el diseño de los materiales. 

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), junto con colegas de la Universidad Northwestern, de la Universidad de Chicago y de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee, han combinado la tecnología de las células solares con novedoso enfoque de optimización para desarrollar un prototipo de ventana inteligente que maximiza el diseño en una amplia gama de criterios. Loss resultados fueron recientemente publicados en Cell Reports, Physical Science. 

El algoritmo de optimización utiliza modelos físicos 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 estaciones cambiantes.

“Este marco de diseño es personalizable y puede aplicarse a prácticamente a cualquier edificio en todo el mundo”, afirma Junhong Chen, científico de Argonne y profesor de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. “Ya quieras maximizar la cantidad de luz solar en una habitación o minimizar los esfuerzos de calefacción y refrigeración, este poderoso algoritmo de optimización produce diseños de ventanas que se alinean con las necesidades y preferencias del usuario”. 

Un enfoque integral para la optimización de la eficiencia energética global del edificio

Los científicos aplicaron 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”, explica Wei Chen, el Profesor Wilson-Cook 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 enfoque, llamado optimización multicriterio, ajusta el grosor de las capas de células solares en el diseño de las ventanas para satisfacer las necesidades del usuario. Por ejemplo, para reducir la energía necesaria para enfriar un edificio en verano, el diseño óptimo de las ventanas podría minimizar la cantidad y el tipo de luz que pasa a través de ellas, 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 pasa a través, reduciendo así la energía necesaria para calentar el edificio.

“En lugar de centrarnos sólo 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 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.

Un prototipo realmente 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 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 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 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.

“La variación del espesor de la capa está optimizada para un amplio espectro de cambio en la naturaleza de la luz solar que llega a la ventana”, dijo Sun. “Esto nos permite controlar de forma sistemática una menor transmisión de infrarrojos en verano y más en invierno para ahorrar el consumo de energía para la regulación de la temperatura, mientras se optimiza la transmisión visible para el propósito de la iluminación interior y la recolección de energía”.

Créditos imagen portada: Peter Allen / University of Chicago.