“冷热同体”新材料,可持续捕获利用深空和太阳的冷热能量

作者:放心测系统     发表时间:2022-11-12 21:35:41   浏览次数:24


无需外部能源消耗,能够分别以太阳、太空为热源、冷源实现“冷热双吸”,可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”,听上去似乎只存在于科幻当中。

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,提出了一种全新的能量利用方法,让“科幻”照进了现实。研究人员分别以太阳(约6000K)和太空(约3K)为热源和冷源,巧妙利用光谱自适应智能涂层来解决光热转换过程和辐射制冷过程的光谱冲突,实现24小时全天候持续的冷热能量捕获和利用。这项研究成果日前发表在国际著名期刊《美国科学院院刊》上。

中国科大供图

神奇涂层让新材料“冷热同体”

人类社会使用的绝大部分能源均来自于太阳辐射。能源做功利用之后的余热,一般是通过中红外热辐射散失到低温太空中去。

从热力学的角度来看,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?

面对这一具有挑战性的课题,中国科学技术大学的科研团队在前期工作积累的基础上,发起了新的探索。裴刚教授团队一直致力于太阳能和天空辐射制冷领域的研究。邹崇文研究员团队长期从事二氧化钒相变薄膜的制备、相变调控研究,在红外/太赫兹器件、智能涂层、激光防护和非制冷红外探测器等方面的器件应用研究方面造诣颇深。

两支科研团队联合与碰撞产生了创新的火花。他们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。

为了达到这一目标,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。

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。

“我们主要的技术突破,是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。”裴刚说,这项研究一方面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;另一个方面,研究团深耕日间天空辐射制冷技术,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。

助力实现“双碳”目标,未来还可给太空基地供能源

“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。

人类利用阳光已开发出不少应用,比如光伏发电、太阳能热水器等。而利用太空辐射制冷,近年来成为国际新兴科研热点。

裴刚表示,他们研制的这种新材料,表面温度白天可比环境温度高170摄氏度,夜晚可比环境温度低20摄氏度,能够24小时全天候运行。这项技术可以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。

来源:科技日报

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