新型工程材料可以冷卻屋頂結(jié)構(gòu)零能耗

科羅拉多大學(xué)博爾德分校的一組工程師開發(fā)了一種可伸縮的人造超材料——一種具有自然界所沒有的非凡性能的工程材料——作為一種建筑空調(diào)系統(tǒng)。它有能力冷卻物體，即使在陽(yáng)光直射下，不消耗任何能量和水。

當(dāng)應(yīng)用于表面時(shí)，超材料薄膜通過有效地將入射的太陽(yáng)能反射回太空，同時(shí)允許表面以紅外熱輻射的形式散發(fā)熱量，從而為下面的物體降溫。

今天的《科學(xué)》(Science)雜志上介紹了這種新材料，它可以為熱電廠提供一種環(huán)保的輔助冷卻手段。目前，熱電廠需要大量的水和電來(lái)維持機(jī)器的運(yùn)行溫度。

研究人員的玻璃-聚合物混合材料只有50微米厚——比廚房里的鋁箔稍微厚一點(diǎn)——而且可以經(jīng)濟(jì)地在紙卷上生產(chǎn)，這使它成為一種潛在的可行的大規(guī)模住宅和商業(yè)應(yīng)用技術(shù)。

“我們認(rèn)為，這種低成本的制造過程將改變這種輻射冷卻技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，”該研究的聯(lián)合主任、科羅拉多大學(xué)博爾德分校機(jī)械工程系和材料科學(xué)與工程項(xiàng)目的助理教授尹曉波說(shuō)。2015年，尹獲得國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局青年教師獎(jiǎng)。

這種材料利用了被動(dòng)輻射冷卻，即物體以紅外輻射的形式自然散熱，而不消耗能量。熱輻射提供了一些自然的夜間冷卻，在一些地區(qū)被用于住宅冷卻，但是白天的冷卻在歷史上是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于暴露在陽(yáng)光下的結(jié)構(gòu)，即使是少量的直接吸收太陽(yáng)能也足以抵消被動(dòng)輻射。

因此，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一種能產(chǎn)生雙重沖擊的材料:將任何射入的太陽(yáng)光線反射回大氣，同時(shí)仍能提供一種逃離紅外線輻射的途徑。為了解決這個(gè)問題，研究人員將可見散射但紅外輻射的玻璃微球嵌入到聚合物薄膜中。然后他們?cè)谙旅嫣砑恿艘粚颖”〉你y色涂層，以達(dá)到最大的光譜反射率。

同樣是機(jī)械工程教授和機(jī)械工程師協(xié)會(huì)會(huì)員的楊榮貴補(bǔ)充道:“玻璃聚合物超材料的形成和銀涂層都是在卷對(duì)卷的過程中大規(guī)模生產(chǎn)的?！?/p>

在科羅拉多州的Boulder和亞利桑那州的Cave Creek進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，這種超材料成功地證明了其連續(xù)72小時(shí)的平均輻射冷卻功率大于110W/m2，在正午的陽(yáng)光直射下的平均輻射冷卻功率大于90W/m2。這種冷卻功率大致相當(dāng)于在類似區(qū)域使用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力，但輻射冷卻的優(yōu)點(diǎn)是晝夜連續(xù)運(yùn)行。

“在屋頂上放置10到20平方米的這種材料，在夏天就可以很好地為獨(dú)棟住宅降溫，”懷俄明大學(xué)土木與建筑工程系副教授、論文合著者譚鋼(Gang Tan，音譯)說(shuō)。

除了用于建筑物和發(fā)電廠的冷卻之外，這種材料還可以幫助提高太陽(yáng)能電池板的效率和壽命。在陽(yáng)光直射的情況下，太陽(yáng)能電池板可能會(huì)過熱，從而影響其將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的能力。

尹說(shuō):“只要將這種材料應(yīng)用到太陽(yáng)能電池板的表面，我們就可以冷卻電池板，并恢復(fù)額外的1%到2%的太陽(yáng)能效率?！薄斑@在規(guī)模上有很大的不同。”

這些工程師已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利，并與科羅拉多大學(xué)博爾德分校的技術(shù)轉(zhuǎn)讓辦公室合作，探索潛在的商業(yè)應(yīng)用。他們計(jì)劃于2017年在博爾德建造一個(gè)200平方米的“冷卻農(nóng)場(chǎng)”原型。

這項(xiàng)發(fā)明是2015年能源部高級(jí)研究項(xiàng)目署(ARPA-E)授予Yang, Yin和Tang的300萬(wàn)美元資助的結(jié)果。

楊說(shuō):“這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它可以全天候工作，不用電，不用水。我們很高興有機(jī)會(huì)在電力工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域探索潛在的用途。”