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從陽(yáng)光中獲取更多熱量
2019/07/10279
麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的材料可以被動(dòng)地捕獲太陽(yáng)能,用于家庭供暖或工業(yè)應(yīng)用。
新開(kāi)發(fā)的材料非常透明,幾乎看不到它可以解鎖太陽(yáng)能熱的許多新用途。它產(chǎn)生的溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器 - 足以用于家庭供暖或需要高于200攝氏度(392華氏度)的工業(yè)過(guò)程。
該工藝的關(guān)鍵是一種新型氣凝膠,一種輕質(zhì)材料,主要由空氣組成,結(jié)構(gòu)由二氧化硅制成(也用于制造玻璃)。這種材料可以讓陽(yáng)光輕松穿過(guò)但阻擋太陽(yáng)熱量逃逸。研究結(jié)果在麻省理工學(xué)院研究生林昭的論文“ ACS Nano ”中有所描述。Evelyn Wang,教授兼機(jī)械工程系主任; 陳剛,卡爾理查德索德伯格動(dòng)力工程教授; 和其他五個(gè)人。
Wang解釋說(shuō),有效收集太陽(yáng)能熱量的關(guān)鍵是能夠在內(nèi)部保持熱量而在外面保持冷卻。一種方法是在一層玻璃和深色吸熱材料之間使用真空,這是許多聚光太陽(yáng)能集熱器中使用的方法,但安裝和維護(hù)相對(duì)昂貴。人們對(duì)尋找一種較便宜的無(wú)源系統(tǒng)非常感興趣,該系統(tǒng)用于在空間加熱,食品加工或許多工業(yè)過(guò)程所需的較高溫度水平下收集太陽(yáng)能。
氣凝膠是一種由二氧化硅顆粒制成的泡沫狀材料,多年來(lái)一直被開(kāi)發(fā)為高效輕質(zhì)的絕緣材料,但它們對(duì)可見(jiàn)光的透明度通常有限,透射率約為70%。王說(shuō),開(kāi)發(fā)一種制造透明度足以用于太陽(yáng)能熱量收集的氣凝膠的方法是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱難的過(guò)程,涉及幾個(gè)研究人員大約四年。但結(jié)果是一種氣凝膠可以透過(guò)95%以上的陽(yáng)光,同時(shí)保持其高度絕緣的特性。
使其起作用的關(guān)鍵在于用于制造氣凝膠的不同材料的精確比例,其通過(guò)將催化劑與含二氧化硅的化合物的顆粒在液體溶液中混合,形成一種凝膠,然后干燥而制成。它可以將所有液體排出,留下主要是空氣的基質(zhì),但保留原始混合物的強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)比傳統(tǒng)氣凝膠更快干燥的混合物,產(chǎn)生的凝膠在其顆粒之間具有較小的孔隙空間,因此散射的光更少。
在麻省理工學(xué)院校園的一個(gè)屋頂上進(jìn)行的測(cè)試中,一個(gè)被吸收的深色材料組成的被動(dòng)裝置覆蓋著一層新氣凝膠,能夠在劍橋冬季中期達(dá)到并保持220攝氏度的溫度。室外空氣溫度低于0℃。
這種高溫以前只有通過(guò)使用聚光系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn),鏡子將太陽(yáng)光聚焦到中心線(xiàn)或點(diǎn)上,但這種系統(tǒng)不需要濃縮,使其更簡(jiǎn)單,成本更低。這可能使其適用于需要更高熱量的各種應(yīng)用。
例如,簡(jiǎn)單的平屋頂收集器通常用于家用熱水,產(chǎn)生的溫度約為80℃。但氣凝膠系統(tǒng)所帶來(lái)的較高溫度可以使這種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)也可用于家庭供暖,甚至用于為空調(diào)供電。系統(tǒng)。大規(guī)模版本可用于為化學(xué),食品生產(chǎn)和制造過(guò)程中的各種應(yīng)用提供熱量。
趙將氣凝膠層的基本功能描述為“像溫室效應(yīng)一樣。我們用來(lái)增加溫度的材料就像地球大氣層提供隔熱一樣,但這是一個(gè)極端的例子。“
在大多數(shù)情況下,被動(dòng)式熱量收集系統(tǒng)將連接到包含液體的管道,該液體可以循環(huán)以將熱量傳遞到任何需要的地方。另外,Wang建議,對(duì)于某些用途,系統(tǒng)可以連接到熱管,這些設(shè)備可以在不需要泵或任何活動(dòng)部件的情況下傳遞熱量一段距離。
由于原理基本相同,基于氣凝膠的太陽(yáng)能集熱器可以直接取代現(xiàn)有應(yīng)用中使用的真空集熱器,從而提供更低成本的選擇。用于制造氣凝膠的材料都很豐富且價(jià)格低廉; 該過(guò)程中唯一昂貴的部分是干燥,這需要一種稱(chēng)為臨界點(diǎn)干燥器的專(zhuān)用設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)非常精確的干燥過(guò)程,從凝膠中提取溶劑同時(shí)保留其納米級(jí)結(jié)構(gòu)。
因?yàn)檫@是一個(gè)批處理過(guò)程而不是可以用于卷對(duì)卷制造的連續(xù)過(guò)程,如果系統(tǒng)擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)水平,它可能會(huì)限制生產(chǎn)率。“擴(kuò)大規(guī)模的關(guān)鍵是我們?nèi)绾谓档瓦@一過(guò)程的成本,”王說(shuō)。但即使是現(xiàn)在,初步的經(jīng)濟(jì)分析表明,該系統(tǒng)在某些用途上可以經(jīng)濟(jì)可行,特別是與真空系統(tǒng)相比。
研究小組包括研究科學(xué)家Bikram Bhatia,博士后Sungwoo Yang,研究生Elise Strobach,講師Lee Weinstein和博士后Thomas Cooper。這項(xiàng)工作主要由美國(guó)能源部的ARPA-E計(jì)劃資助。
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