科技，讓高樓玻璃窗戶大變樣

李忠東

摩天大樓不但能夠充分利用土地資源，而且還是城市的“面子”，可以演化成固定景點(diǎn)。最高點(diǎn)的變化在一定程度上標(biāo)志著城市的繁榮昌盛，很難想象一座國際性的大都市沒有傲人的摩天大樓。據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會提供的數(shù)據(jù)，2018年，全球有230棟高度超過200米（約為40層）的摩天大樓竣工，成為200米高以上建筑竣T數(shù)持續(xù)增長的第6年，與2017年的144座相比，增加了60%。

然而，摩天大樓還會導(dǎo)致一系列環(huán)境問題，其中的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)是對建筑的溫度控制。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，美國能源專項(xiàng)中18%的資金用于給建筑供熱和制冷。在寒冷的季節(jié)里，從窗戶流失的暖折合價(jià)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(jià)值數(shù)額更大。為此，高樓窗戶及其玻璃的革命勢在必行，其將成為綠色科技的下一個(gè)風(fēng)口。

新型玻璃窗能發(fā)電

經(jīng)過多年的研發(fā)，美國加利福尼亞州的Ubiquitous Energy公司開發(fā)出一種會發(fā)電的玻璃窗。科研人員在玻璃薄板之間加入多種有機(jī)聚合物層，其中一些能完全透光，而另外一些能吸收不可見的紅外線和紫外線。當(dāng)光線透過玻璃時(shí)，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。這有點(diǎn)像反向運(yùn)行的透明電腦顯示器，顯示器用電點(diǎn)亮屏幕的各個(gè)像素點(diǎn)。而這種發(fā)電玻璃在光線透過玻璃時(shí)，能在不同位置產(chǎn)生電流。

在給定的光照水平下，玻璃的發(fā)電能力大約是常規(guī)屋頂光伏的1/3，其透光率大約是普通玻璃的一半，達(dá)到這些指標(biāo)已足以使這種玻璃窗成為一種實(shí)用的產(chǎn)品。這種新型玻璃窗不僅能呈現(xiàn)美國加利福尼亞州北部壯觀的山景和美麗的天空，還能兼做光伏電池，為公司的照明、電腦和空調(diào)等供能。科研人員表示，玻璃的透光率有望大幅提高。至于較低的發(fā)電效率，由于窗戶覆蓋的面積大于屋頂，因此能用面積優(yōu)勢彌補(bǔ)效率上的不足。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。

新材料改善窗玻璃性能

美國密歇根州的Mackinac Technology公司研制出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(shí)，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以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）。隱形的涂層能減少塑料表面反射的光線，增加窗戶的透光量和室內(nèi)清晰度。

只要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。涂層塑料薄板很輕，不會明顯增加窗戶重量。得益于美國政府機(jī)構(gòu)的部分資助，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，在2022年正式投入使用前，將在更大的試點(diǎn)項(xiàng)目中進(jìn)行推廣測試。

智能窗戶自動調(diào)節(jié)進(jìn)光量

強(qiáng)烈的太陽光會通過朝南建筑物的窗戶射入室內(nèi)，雖然能增加房間的溫度，但可能會看不清電腦屏幕。人們并不喜歡在陽光充足的高清晰度環(huán)境下工作，常常會選擇拉上窗簾，但這樣不可避免地會遮擋窗外的風(fēng)景，無法享受陽光帶來的其他好處。為緩解陽光的刺眼感，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校的一個(gè)材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)長期致力于改進(jìn)“電致變色”窗戶。他們試圖通過外加電場，使材料發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化，以控制窗戶的明暗度，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)。

在此基礎(chǔ)上，他們設(shè)計(jì)了一種智能窗戶，里面包括一個(gè)含有鉑的銦錫氧化物層和一個(gè)氧化鎳層，并在兩層之間填充了一種鋰溶液。在對兩層結(jié)構(gòu)施加低電壓時(shí)，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。溶液中透明的鋰覆蓋在氧化鎳層時(shí)，呈半透明狀。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。這樣的窗戶就像是建筑的“太陽鏡”，通過改變電壓，可以分級調(diào)節(jié)遮擋陽光的強(qiáng)度。

窗戶安裝透明太陽能電池板

韓國科研人員設(shè)計(jì)的太陽能窗戶上裝有透明的太陽能電池板，窗戶的側(cè)下角和底端設(shè)有插座設(shè)計(jì)，通過窗戶將太陽能進(jìn)行吸收存儲，并轉(zhuǎn)化為電能，將窗戶的使用率提高到最大。這種透明太陽能電池將為我們的可再生能源工作帶來巨大的福音，有可能取代摩天大樓中的窗戶和汽車中的天窗等。

晶體硅是開發(fā)玻璃狀、高效、高穩(wěn)定性和中性色太陽能電池的最佳材料，自20世紀(jì)50年代以來，一直是太陽能電池制造商的首選。雖然該材料與其他同類產(chǎn)品相比具有最高的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，但無法提供透明度。

為了避免過去一直困擾透明太陽能電池的偏紅色調(diào)和其他顏色，制造具有中性色的透明晶體硅，韓國科研人員找到了解決這一難題的方法。他們在晶體硅中打出一些頭發(fā)大小的小孔，以便使光線可以穿過。這些孔以精心設(shè)計(jì)的圖案排列，人眼看不見。測試表明，透明太陽能電池具有長期的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)換效率為12.2%。該團(tuán)隊(duì)還測試了太陽能電池作為窗戶的潛力，發(fā)現(xiàn)低角度的光線使這種太陽能電池的電流減少不到4%，而在常規(guī)太陽能電池上，電流下降約30%。科學(xué)家們正在努力構(gòu)建此類型太陽能電池的放大版本，并追求15%的轉(zhuǎn)換效率。由于這種太陽能電池板的制造過程與傳統(tǒng)太陽能電池非常相似，這使得商業(yè)化的難度比以前要小得多。