為建筑供熱制冷是碳排放的一個巨大來源。那么毫不起眼的窗戶能否成為綠色科技的下一個風(fēng)口？
用玻璃發(fā)電
2019年年底，美國加利福尼亞州紅杉市的Ubiquitous Energy公司的員工聚集在完全由玻璃窗組成的會議室里，他們面前的新型玻璃窗不僅能呈現(xiàn)加利福尼亞州北部壯觀的山景和美麗的天空，還能兼作光伏電池，為公司的照明、電腦和空調(diào)等供能。
經(jīng)過多年的研發(fā)，該公司實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)技術(shù)突破——發(fā)電玻璃，其中的奧秘在于玻璃薄板之間加入的多種有機(jī)聚合物層，其中一些聚合物層能完全透光，而另外一些能吸收不可見的紅外線和紫外線。光線透過玻璃時，聚合物層之間的電子形成電流，被玻璃中的細(xì)導(dǎo)線收集。
公司業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Veeral Hardev說：“這有點(diǎn)像反向運(yùn)行的透明電腦顯示器。”換句話說，顯示器用電點(diǎn)亮屏幕的各個像素點(diǎn)，而這種發(fā)電玻璃在光線透過玻璃時，能在不同位置產(chǎn)生電流。
目前，在給定的光照水平下，這種玻璃的發(fā)電能力大約是常規(guī)屋頂光伏的三分之一，其透光率大約是普通玻璃的一半。
Hardev表示，達(dá)到這些指標(biāo)已足以使這種玻璃成為一種實(shí)用的產(chǎn)品，而他的公司有望大幅提高玻璃的透光率。至于較低的發(fā)電效率，他指出窗戶所覆蓋的面積比屋頂大，因此能用面積優(yōu)勢彌補(bǔ)效率上的不足。“你可以兩者都用，但窗戶的發(fā)電將更多。”他補(bǔ)充道，最大的挑戰(zhàn)是如何將目前不足0.19平方米的窗戶面積擴(kuò)大至約4.65平方米。
比玻璃更清晰
窗戶的革命早該出現(xiàn)了。隨著世界各大城市重拾對摩天大樓的熱愛，熠熠生輝的高樓已演化成各地的固定景點(diǎn)，但高樓上的玻璃卻幾乎沒有技術(shù)上的進(jìn)步。
對建筑的溫度控制是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，美國能源專項(xiàng)中18%的資金用于給建筑供熱和制冷。據(jù)美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，在寒冷的季節(jié)里，從窗戶流失的暖氣折合價值約為200億美元；而在夏季，從裝有空調(diào)的建筑的窗戶流失的冷氣折合的價值數(shù)額更大。總之，用于建筑供熱制冷的資金，有一半以上的費(fèi)用因通過窗戶流失而浪費(fèi)了。
總部位于密西根的Mackinac Technology公司正在開發(fā)一種可放置于普通玻璃表面的涂層塑料薄板，在不影響視野清晰度的同時，還能改善玻璃的絕熱和熱反射性能。其中，塑料板將空氣困在中間，提高玻璃的絕熱性能。而涂層能讓可見光透過，但會反射紅外線（攜帶著大部分熱能）。該公司的CEO John Slagter表示，隱形的涂層能減少塑料表面反射的光線，反而增加了窗戶的透光量和室內(nèi)清晰度。
將涂層塑料薄板直接安裝在現(xiàn)有窗戶框架上，就可將單層玻璃或雙層玻璃的絕熱性能提高兩倍，同時它非常輕，不會明顯增加窗戶重量。Slagter表示，這種新材料已成功通過了美國加爾文大學(xué)在窗戶上的測試。得益于美國政府機(jī)構(gòu)的部分資助，在2022年正式投入使用前，這種塑料薄板將在更大的試點(diǎn)項(xiàng)目中進(jìn)行推廣測試。
光線的明暗之爭
但有時，高清晰度并不是優(yōu)點(diǎn)，特別是對于朝南的建筑物，強(qiáng)烈的太陽光會通過窗戶射入室內(nèi)。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的材料科學(xué)研究人員Michael McGehee說：“雖然強(qiáng)光能增加房間的溫度，但人們并不喜歡在陽光充足的環(huán)境下工作，因?yàn)榭赡軙床磺咫娔X屏幕。通常他們會選擇拉上窗簾，但這樣又會失去窗外的風(fēng)景，享受不了陽光帶來的其他好處。”
為緩解陽光的刺眼感，McGehee團(tuán)隊(duì)長期致力于改進(jìn)“電致變色”窗戶（通過外加電場，使材料發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化），通過開關(guān)控制窗戶的明暗度，濾除嚴(yán)重的眩光，將室內(nèi)的進(jìn)光量調(diào)節(jié)至使人舒適的狀態(tài)。基于此，這個團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的窗戶包括一個含有鉑的銦錫氧化物層和一個氧化鎳層，并在兩層之間填充了一種鋰溶液。對兩層結(jié)構(gòu)施加低電壓時，它們充當(dāng)電極產(chǎn)生電場，溶液中的鋰離子會遷移并黏附到氧化鎳層。
雖然鋰在溶液中是透明的，但覆蓋在氧化鎳層時卻呈半透明狀。McGehee說：“只需要在電極上覆蓋一層10納米厚的鋰，就能阻擋大部分光線。”他補(bǔ)充道，這樣的窗戶就像是建筑的“太陽鏡”。此外，通過改變電壓也可以分級調(diào)節(jié)遮擋陽光的程度。
如果這些成果順利商業(yè)化，那么在未來10—20年里，窗戶將成為環(huán)保型城市的重要組成部分。這會是人類朝著碳足跡歸零方向邁出的堅(jiān)實(shí)一步。
翻譯：巢栩嘉
來源：科學(xué)美國人
