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斯坦福大学开发新型材料将建筑物的热量向太空传递

能源世界2018-04-15 16:49:15

美国斯坦福大学的工程师发明了一种革命性的涂层材料,能够帮助冷却建筑物,甚至是在阳光灿烂的白天。这一发明的主要工作原理是辐射建筑物的热量并将它直接反射至太空。这种新型的超薄多层材料无需空调即可冷却建筑物,它在反射太阳光以减少进入建筑物的热量的同时将建筑物内部的热量反射至太空。

这种新型的超薄多层材料无需空调即可冷却建筑物

由斯坦福大学电子工程学教授范善辉(Shanhui Fan)和研究助理阿斯沃斯· 罗曼(Aaswath Raman)带领进行的这项节省能量的突破性进展被发表在期刊《自然》上。这项发明的核心是一种超薄多层的材料,后者以一种新颖的方式处理可见和不可见的太阳光。

红外辐射形式的不可见光是所有物体和生物释放热量的方式之一。当我们站在封闭的烤箱前,无需触摸我们就能感受到的热量就是红外光。这种不可见的导热的光就是斯坦福科研小组最新发明里从建筑物里分流并反射至太空的光。

当然太阳光也会加热建筑物。这种最新材料除了可以处理红外光,还能够当做一个不可思议的高效镜子,后者可以反射几乎所有的入射光。这一结果就是斯坦福研究小组所谓的光子辐射冷却——它既能“卸载”建筑物内的红外热量,又能反射加热建筑物的太阳光。从而实现对空调需求更少的更冷却的建筑物。

“这是非常新颖但又非常简单的想法,”美国加州大学伯克利分校电机与计算机科学系教授、光子晶体领域的开创者、带领能源效率电子科学中心的伊莱·雅布罗诺维奇( Eli Yablonovitch)这样说道。“多亏了范教授的研究,我们现在不仅可以在夜晚利用辐射冷却,还能反直觉的在白天使用。”

研究人员表示他们所设计的这种成本效益较高的材料适用于大规模部署在建筑物屋顶。尽管它仍是非常年轻的科技,但他们相信有朝一日这种技术可以帮助减少对电量的需求。美国建筑物里所使用的能量中15%被用于空调系统。

在实践过程中研究人员认为涂层或可以被镀在更坚硬的材料上,从而使得它能够忍受这种元素。“研究小组还显示了如何通过将热量辐射至寒冷黑暗的太空从而被动的冷却结构。” 斯坦福大学荣誉教授、SLAC国家加速器实验室(简称为SLAC,前身为直线加速器中心)的前主任、诺贝尔物理学奖获得者物理学家伯顿·里克特(Burton Richter)这样说道。

研究首席作者罗曼表示一个温暖的世界需要无需动力的冷却技术。“对所有发展中国家而言,光子辐射冷却不仅能够迎合城市地区不断暴涨的空调需要,还能够在某些农村地区实现离网冷却。”

面朝太空的窗户

真正的突破性进展在于斯坦福发明的这项材料是如何辐射建筑物的能量。众所周知热量可以以三种形式传递:传导、对流和辐射。传导是通过接触传递能量,这就是为什么你必须戴手套才能触摸炙热的烤盘。对流是通过空气或者流体的移动传递热量,它就是当烤箱打开时迎面扑来的温暖气体。辐射则是以红外光的形式传递热量。

最新的涂层结构是将导热的红外光直接辐射至太空。这种超薄的涂层被设定以精确的频率将建筑物内的导热红外光辐射,并在不加热空气的前提下穿过大气层,考虑到全球变暖的危险这一特征非常关键。“这就像有一扇开向太空的窗户。”范说道。

瞄准镜子

但是将热量传输至太空还远远不够。这一多层涂层还能够作为高效的镜子,阻挡照射至建筑物的97%的太阳光。“我们创造了某个既是辐射器又是反射的东西。” 罗曼表示。辐射和反射的结合使得白天光子辐射冷却的温度比周围空气要低9华氏度。

这个多层材料厚度只有1.8微米,比最薄的铝箔还要薄。它是由七层二氧化硅和二氧化铪组成,后者位于一个薄的银层上面。这些材料层并非拥有统一的厚度,而是专门设计以形成一种新材料。它的内部结构被设定得能够以特定频率辐射红外线,使得红外线能够不加热建筑物附近的空气而直接进入大气层。

“这种光子途径使得我们可以精确的调节太阳光反射和红外热辐射,”研究合作作者、应用物理博士研究生朱林晓(Linxiao Zhu)这样说道。“我个人对(斯坦福大学研究小组的)这些研究结果感到非常激动。”美国麻省理工学院的物理学教授马林·索尔亚契奇(Marin Soljacic)这样说道,“这是纳米光子能力的一个伟大例子。”

从原型到建造面板

想要实际推广光子辐射冷却,需要至少解决两个技术难题。第一个是如何将建筑物内的热量传导至整个外部涂层。一旦热量到达既定位置,涂层可以将热量散射至太空,但工程师们必须首先确定如何高效的将建筑物热量传递至涂层材料的位置。

第二个问题是生产。目前斯坦福大学研究小组的原型大小只相当于一人份的披萨。冷却建筑物需要巨大的面板。研究人员表示大面积生产设备可以实现所需要的面板规模。

宇宙的冰箱

从更广义的角度看,研究小组认为这一项目是朝将太空的寒冷作为有利资源加以利用迈出的第一步。就像太阳光可以作为太阳能的可再生来源一样,寒冷的宇宙也可以提供广阔的区域以减少热量。

“产生热量的每一个物体都将热量传输给散热器。”范说道。“我们所做的就是创造一种新的方法,使得我们可以利用宇宙的寒冷作为白天的散热器。”

除了范教授、罗曼和朱,这项研究的其它合作作者还包括已经毕业的机械工程硕士研究生马克·阿布·安诺玛(Marc Abou Anoma)和已经毕业的应用物理学博士研究生伊登·拉斐艾利(Eden Rephaeli)。这项研究得到了美国能源部能源高级研究计划局(Advanced Research Project Agency-Energy,简称ARPA-E)的资金支持。


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