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科學家實現連續24小時從太陽和深空獲取能源
2022-05-17 18:05
來源:中國科學報
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  能源和環保,一直是熱點話題。如何更高效獲取和使用可再生能源,是人類社會可持續發展的關鍵,也是科學家孜孜不倦的追求。

  近日,中國科學技術大學工程科學學院教授裴剛、國家同步輻射實驗室研究員鄒崇文聯合研究團隊提出了一種全新的能量利用方法,開發了一種光譜自適應智能涂層,解決了光熱轉換和輻射制冷過程中的“光譜沖突”,實現了從太陽熱源和太空冷源中連續24小時的能量捕獲。

  相關研究成果日前發表于美國《國家科學院院刊》。

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  戶外實驗裝置圖和數據圖(含實驗和模擬) 中國科大供圖

  從直面“光譜沖突”開始

  冷和熱是能源最重要的終端形式之一,全球每年約51%的能源以冷量或熱量的形式消耗。然而,目前冷量和熱量的供給主要依賴傳統化石能源,這無疑會進一步加劇環境問題。

  因此,依靠可再生能源實現供冷和供熱,對于全球節能和減少溫室氣體排放方面具有重大意義。

  “相比較地球環境,溫度約為6000K的太陽和3K的太空是地球的終極熱源和終極冷源?!?論文共同第一作者趙斌向《中國科學報》介紹。

  光熱轉換通過對太陽輻射直接利用,獲得高溫熱能;天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過大氣窗口直接發射至低溫太空,獲得低溫冷量。

  實際上,這兩種技術原理相同、裝置相似,如果將兩種物理過程集成于同一裝置,不僅能實現夜間制冷和白天集熱的雙功能特點,同時還可以大大提升裝置的時間利用率和能量收益。

  “但是光熱轉換和天空輻射制冷對涂層的光譜選擇性需求存在固有‘沖突’,前者要求涂層在整個中紅外波段具有低發射率,后者要求涂層在大氣窗口波段具有高發射率?!?趙斌說。

  目前常用的光熱轉換和天空輻射制冷技術是通過不同的光譜選擇性涂層來收集熱和冷,但是大多數方法是靜態和單功能的,只能分別利用不同的固定涂層在白天提供加熱,在夜晚提供冷卻。

  而已報道的極少數光熱轉換-天空輻射制冷綜合利用也多基于靜態非選擇性涂層,雖然能實現雙功能耦合,但集熱和制冷性能大大低于單一的光熱轉換和天空輻射制冷技術。

  如何解決“沖突”,實現兩種裝置功能疊加耦合的同時而又不影響各自性能,是裴剛團隊一直在做的工作。

  會“變身”的二氧化釩

  此次研究中,裴剛團隊創新性提出一種光譜自適應調控機制,即涂層光譜選擇性能可根據能量捕獲模式進行“動態調整”。

  團隊將目標瞄準了二氧化釩薄膜。鄒崇文介紹,“二氧化釩是一種典型的強關聯過渡金屬氧化物,它具有特殊的金屬-絕緣體相變特性,相變溫度在68攝氏度左右?!?/p>

  當溫度低于68攝氏度時,二氧化釩是一種不導電的絕緣體,能夠同時透過可見光和紅外線;當溫度超過68攝氏度,二氧化釩會瞬間“變身”為低電阻的導體,而且可以阻擋紅外線透過。

  鄒崇文說,利用二氧化釩這種溫致相變過程中的動態紅外光譜特性,結合多層膜的涂層設計,有望實現自適應的光譜智能涂層,解決光熱轉換和天空輻射制冷過程中的“光譜沖突”。

  二氧化釩薄膜的相變特性與其質量密切相關,因此高質量的二氧化釩薄膜制備是智能涂層的關鍵。

  “釩原子具有多化學價態,而我們需要的是具有完美化學計量比的+4價二氧化釩,在制備過程中首先要控制生長過程中的原子比例?!?鄒崇文說,“原子比例多一點或者少一點,對薄膜的相變特性影響都很大?!?/p>

  此外,+4價的二氧化釩還有各種相結構,而其中只有某種特定的單斜相結構才具有這種相變特性。鄒崇文坦言,制備出這種純相結構的二氧化釩薄膜仍是一項挑戰。

  經過不懈努力,鄒崇文團隊利用分子束外延和磁控濺射等手段成功研制了一種基于二氧化釩相變材料的光譜自適應智能涂層。

  可應用于建筑節能、深空探測等領域

  研究發現,這種智能涂層在白天太陽輻照下處于金屬態,整體涂層太陽吸收率為0.89,紅外發射率僅為0.25,表現為光熱吸收特性;在夜間無輻照條件下,處于絕緣態,涂層在大氣窗口波段具有高的發射率,在其余中紅外波段具有低的發射率,表現為輻射制冷特性。

  為了探索光譜自適應智能涂層在現實天氣條件下的性能,在烏魯木齊一個晴朗的秋日,團隊進行了戶外實驗。

  實測結果表明,這種涂層表面溫度在白天可以比環境溫度高170℃,在夜間可以比環境溫度低20℃,具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自適應功能,同時,可實現24小時全天候運行,極大提升了冷熱能量捕獲的綜合效率。

  審稿人評述該工作,“這項研究提出了一種非常新穎的從太陽和太空捕獲可再生能源的方法,將引起人們新的研究興趣?!?/p>

  “相關技術可以應用于建筑節能、汽車溫控、光伏冷卻、深空探測等領域?!迸釀傉f,下一步,將在材料規?;苽?、冷熱量的高效收集與傳輸、逆向冷熱調控等方向開展研究。(來源:中國科學報 王敏)

 

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