Le système auto-alimenté rend les fenêtres intelligentes plus intelligentes

Les fenêtres intelligentes équipées de vitrages contrôlables peuvent augmenter les systèmes d'éclairage, de refroidissement et de chauffage en modifiant leur teinte, ce qui permet d'économiser jusqu'à 40% dans les coûts énergétiques moyens d'un immeuble.

Ces fenêtres intelligentes nécessitent une alimentation électrique, donc elles sont relativement compliquées à installer dans les bâtiments existants. Mais en appliquant une nouvelle technologie de cellules solaires, les chercheurs de l'Université de Princeton ont développé un autre type de fenêtre intelligente: une version auto-alimentée qui promet d'être peu coûteuse et facile à appliquer aux fenêtres existantes. Ce système comprend des cellules solaires qui absorbent sélectivement la lumière proche de l'ultraviolet (proche UV), de sorte que les nouvelles fenêtres sont entièrement auto-alimentées.

"La lumière du soleil est un mélange de rayons électromagnétiques composés de rayons UV, de lumière visible, d'énergie infrarouge ou de chaleur", a déclaré Yueh-Lin (Lynn) Loo, directeur du Centre Andlinger pour l'énergie et L'environnement et Theodora D. '78 et William H. Walton III '74 Professeur en génie. "Nous voulions que la fenêtre intelligente puisse contrôler de manière dynamique la quantité de lumière naturelle et la chaleur qui peuvent entrer, économiser sur le coût de l'énergie et rendre l'espace plus confortable".

La fenêtre intelligente contrôle la transmission de la lumière visible et de la chaleur infrarouge dans le bâtiment, tandis que le nouveau type de cellule solaire utilise une lumière proche de l'UV pour alimenter le système.

"Cette nouvelle technologie est en fait une gestion intelligente de tout le spectre de la lumière du soleil", a déclaré Loo, professeur d'ingénierie chimique et biologique. Loo est l'un des auteurs d'un article, publié le 30 juin, qui décrit cette technologie, qui a été développée dans son laboratoire.

Étant donné que la lumière proche de l'UV est invisible pour l'œil humain, les chercheurs ont entrepris de l'exploiter pour l'énergie électrique nécessaire pour activer la technologie de teinte.

«L'utilisation de la lumière proche de l'UV pour alimenter ces fenêtres signifie que les cellules solaires peuvent être transparentes et occuper la même empreinte de la fenêtre sans concurrencer la même gamme spectrale ou imposer des contraintes esthétiques et de conception», a ajouté Loo. "Les cellules solaires typiques en silicium sont noires parce qu'elles absorbent toutes les lumières visibles et une certaine chaleur infrarouge – de sorte que celles-ci ne seraient pas adaptées à cette application".

Dans l'article publié dans Nature Energy les chercheurs ont décrit comment ils ont utilisé des semi-conducteurs organiques – dérivés contournés d'hexabenzocoronène (cHBC) – pour la construction des cellules solaires. Les chercheurs ont choisi le matériau parce que sa structure chimique pourrait être modifiée pour absorber une gamme étroite de longueurs d'onde – dans ce cas, une lumière proche de l'UV. Pour construire la cellule solaire, les molécules semi-conductrices sont déposées sous forme de films minces sur verre avec les mêmes méthodes de production utilisées par les fabricants organiques de diodes électroluminescentes. Lorsque la cellule solaire est opérationnelle, la lumière du soleil excite les semiconducteurs cHBC pour produire de l'électricité.

Dans le même temps, les chercheurs ont construit une fenêtre intelligente composée de polymères électrochromes, qui contrôlent la teinte, et peuvent être utilisés uniquement en utilisant l'énergie produite par la cellule solaire. Lorsque la lumière ultraviolette du soleil génère une charge électrique dans la cellule solaire, la charge déclenche une réaction dans la fenêtre électrochrome, ce qui lui permet de passer du bleu clair au bleu foncé. Lorsqu'il est obscurci, la fenêtre peut bloquer plus de 80% de la lumière.

Nicholas Davy, un étudiant au doctorat au département d'ingénierie chimique et biologique et auteur principal du document, a déclaré que d'autres chercheurs ont déjà développé des cellules solaires transparentes, mais ces sources d'énergie infrarouge cible. Cependant, l'énergie infrarouge porte de la chaleur, de sorte que l'utiliser pour générer de l'électricité peut entrer en conflit avec la fonction d'une fenêtre intelligente de contrôler le flux de chaleur dans ou hors d'un bâtiment. Les cellules solaires transparentes à proximité de l'UV, d'autre part, ne génèrent pas autant de puissance que la version infrarouge, mais n'empêchent pas la transmission du rayonnement infrarouge, de sorte qu'elles complètent la tâche de la fenêtre intelligente.

Davy a déclaré que l'objectif de l'équipe de Princeton est de créer une version flexible du système de fenêtres intelligentes à énergie solaire qui peut être appliqué aux fenêtres existantes via le laminage.

"Quelqu'un dans leur maison ou leur appartement pourrait prendre ces stratifiés de fenêtre intelligents sans fil – qui pourraient avoir un support collant qui est étiré – et les installer à l'intérieur de leurs fenêtres", a déclaré Davy. "Ensuite, vous pouvez contrôler la lumière du soleil dans votre maison à l'aide d'une application sur votre téléphone, améliorant ainsi instantanément l'efficacité énergétique, le confort et la vie privée".

Joseph Berry, chercheur principal au National Renewable Energy Laboratory, qui étudie les cellules solaires mais n'a pas participé à la recherche, a déclaré que le projet de recherche est intéressant car l'appareil évolue bien et cible une partie spécifique du spectre solaire

"L'intégration des cellules solaires dans les fenêtres intelligentes les rend plus attrayantes pour les rénovations et vous ne devez pas faire face à la puissance du câblage", a déclaré Berry. "Et les performances de la tension sont assez bonnes. La tension qu'ils ont pu produire peut conduire des appareils électroniques directement, ce qui est technologiquement assez intéressant".

Davy et Loo ont lancé une nouvelle société appelée Andluca Technologies, basée sur la technologie décrite dans le document, et explorent déjà d'autres applications pour les cellules solaires transparentes. Ils ont expliqué que la technologie des cellules solaires presque UV peut également alimenter les capteurs Internet-of-things et d'autres produits de consommation à faible consommation.

"Il ne génère pas assez d'énergie pour une voiture, mais il peut fournir une puissance auxiliaire pour les appareils plus petits, par exemple, un ventilateur pour refroidir la voiture pendant qu'il est garé au soleil chaud", a déclaré Loo.

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Outre Loo et Davy, Melda Sezen-Edmonds, étudiante diplômée en génie chimique et biologique, est la co-auteur responsable de la partie électrochromique du papier. D'autres auteurs sont Jia Gao, un chercheur postdoctoral dans le groupe de Loo alors, maintenant avec Enablence Technologies en Californie; Xin Lin, un étudiant diplômé en génie électrique; Amy Liu, un baccalauréat en informatique; Nan Yao, directeur du Centre d'imagerie et d'analyse de Princeton; Et Antoine Kahn, le Professeur Stephen C. Macaleer '63 en Ingénierie et Sciences Appliquées et vice-doyen de l'École de génie et de sciences appliquées de Princeton. Le soutien du projet a été fourni en partie par la National Science Foundation et le Wilke Family Fund administré par la School of Engineering and Applied Science à Princeton.

                

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