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“冷热双吸”新材料的横空面世!太阳和深空24小时全天候冷热能量捕获和利用
2022/5/24 8:59:06 阅读: 470次
光谱择性吸收涂层是一种具有对可见近红外线高吸收、对红外光高反应的特种图层,广泛运用与太阳能光热转换,例如太阳能热水器、太阳能发电等。几十年来选择性吸收图层一直是太阳能热利用技术领域中一向十分活跃的研究课题。而如今,是否有一种材料,能够分别以太阳、太空为热源、冷源实现“冷热双吸”,并且无需外部能源消耗,就能持续捕获利用太阳和深空的冷热能量,在同一个材料上实现“冷热同体”呢?
 
  太阳和太空是地球能量循环的终极热源和终极冷源。光热转换通过对太阳辐射直接利用,获得高温热能。而天空辐射制冷可以将地表能量以红外辐射形式通过大气窗口直接发射至低温太空,获得低温冷量,实现对深空低温的超远距直接利用。然而,目前的光热转换和天空辐射制冷都依赖于静态的光谱选择性涂层,但两种过程存在红外光谱冲突,目前技术都是对单一目标、单一功能的利用。有没有可能存在一种涂层材料,既能吸热又能吸冷呢?
 
  近日,中国科学技术大学工程学院太阳能光热综合利用安徽省重点实验室裴刚教授,与该校核科学技术学院邹崇文研究员联合研究团队,创新性提出利用光谱自适应调控机制对太阳热源和太空冷源进行时间解耦,突破目前对太阳热源和太空冷源的单一利用方式。
 
  研究团队研制了一种基于二氧化钒相变材料的多层膜光谱选择性自适应涂层,该涂层在白天太阳辐照下处于金属态,整体涂层太阳吸收率为0.89,红外发射率仅为0.25,表现为光热吸收特性;在夜间无辐照条件下,处于绝缘态,涂层在大气窗口波段具有高的发射率,在其余中红外波段具有低的发射率,表现为辐射制冷特性。
 
  研究团队解决了光热转换和辐射制冷存在的红外光谱冲突,并分别强化其性能,在同一个材料上实现‘冷热同体’,优化了空间和成本。实测结果表明,使用了多层膜光谱选择性自适应涂层的实验器件,表面温度在白天可以比环境温度高170℃,在夜间可以比环境温度低20℃,具有白天光热转换、夜间辐射制冷的自适应功能。器件可以24小时全天候运行,极大提升冷热能量捕获的综合效率。
 
  该项研究不仅发展了太阳能与天空辐射制冷综合利用理论并提出了多种综合利用过程的光谱耦合原则,引入光学薄膜和光子晶体结构,实现了涂层多截止波长下的光谱选择性;并且对日间天空辐射制冷技术的研究,通过高性能光谱选择性涂层的开发、低热损系统研制以及辐射传输路径优化等手段,实现了太阳辐照条件下的被动制冷效果。
 
  “冷热双吸”新材料的横空面世,为基于太阳热源和太空冷源的能量捕获和高效利用提供了一种全新的途径,并且能够广泛应用于建筑节能、光伏冷却、热电转换领域,对实现“双碳”目标、缓解地球温室效应等具有积极意义。未来还可用于深空探索,供应太空基地能源等方面发挥作用。
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