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地球太热了!这种超冷材料薄薄一层涂在建筑外 降温又省电!

2020-01-02 17:07 前瞻网   

 

地球太热了!这种超冷材料薄薄一层涂在建筑外 降温又省电!

当商人霍华德·比斯拉(Howard Bisla)受命拯救当地一家濒临破产的商店时,他首先考虑的问题之一是能效。2018年6月,他联系了加州萨克拉门托当地的电力供应商,想要升级电灯。但供应商有另一个主意,提出安装一个实验性的冷却系统:即使在炙热的太阳下,太阳能板也能保持比周围环境更低的温度,还不消耗能源。

铝背面板现在放置在商店的屋顶上,镜面表面覆盖着一层薄薄的冷却膜,并与天空形成一定角度。商店的管道下面有冷却液体,再加上新的灯,已经减少了大约15%的电费。“即使在大热天,它们也不热。”比斯拉说。

这些面板来自加州斯坦福大学的一项研究。2014年,该校研究人员宣布,他们创造了一种材料,即便在阳光直射下也比周围环境温度更低。团队的两名成员,Shanhui Fan和Aaswath Raman,以及同事Eli Goldstein,成立了一家初创公司SkyCool Systems,并为比斯拉提供太阳能电池板。从那时起,他们和其他研究人员已经制造了大量的材料,包括薄膜、喷漆和处理过的木材,这些材料在高温下可以保持凉爽。

这些材料都依赖于一种被称为被动辐射冷却来提高自然散热效果。地球上的每一个人、建筑物和物体都散发热量,但地球上像毯子一样的大气层吸收了大部分热量并将其反射回来。然而,波长在8到13微米之间的红外线不会被大气层捕获,而是离开地球,逃逸到寒冷的外层空间。早在20世纪60年代,科学家就试图利用这一现象进行实际应用。但是被动辐射冷却只有在晚上才会被注意到:在白天,阳光沐浴在我们身上的热能比我们送到太空的要多得多。

这种新材料可以反射广谱的光,就像镜子或白漆一样。但是,在部分关键的8-13-µm红外光谱中,它们强烈吸收,然后放出辐射。当这些材料面对天空时,红外线可以直接穿过大气层进入太空。这有效地将这些材料与取之不尽用之不竭的热源连接起来,在这个热源中,它们可以持续释放热量,而不会再反射回来。因此,材料可以散发出足够的热量,使温度始终比周围的空气低几度;研究表明,在炎热、干燥的地方,温差可能超过10°C。位于坦佩的亚利桑那州立大学城市气候研究中心主任戴维·赛勒(David Sailor)把它们称为超冷材料。

一些研究人员说,这些材料不仅可以节省电费,还可以减少对耗电的制冷和空调的需求,从而降低全球变暖。“我相信在四到五年内,白天辐射冷却系统将成为建筑的首选技术。”澳大利亚悉尼新南威尔士大学的Mattheos Santamouris说,他自己也在致力于改进这种材料。“它是未来的空调。”

一些研究人员甚至提出,这些材料可能被视为地球工程战略的一部分,以帮助地球散发热量,应对全球气温上升。“与其试图阻止来自太阳的热量,不如让地球释放更多的热量?”加州大学戴维斯分校的物理学家杰里米·芒迪问道。

但许多科学家对这些想法持谨慎态度。到目前为止,对可以节省多少电能的理论估计是基于短时间内测试的小样本数据。人们还怀疑这种材料在不同气候和地区下有效性。在干燥的气候和晴朗的天气下,降温效果最好;当天气多云或潮湿时,水蒸气会阻挡红外线辐射。这种超冷材料可能不是在所有的天气下都能使用,也不可能适用于所有的建筑。

另一个未知因素是消费者是否会接受这个想法。赛勒说,即使是用反光的白色屋顶代替破旧的屋顶来给房屋降温,这样简单的措施也没有被房主广泛采用。然而,他的建模工作表明,与白色屋顶相比,使用超冷涂料可能会节省两倍的能源。他说:“这可能会改变游戏规则。”

不惧太阳

2012年,Raman正在攻读Fan的博士学位,研究收集太阳能的材料。意识到没有人知道如何在阳光直射下使用它,他研究了一种材料克服太阳热量所需的光学特性。它必须比白漆更有效地反射200纳米至2.5 µm波长的太阳光谱,而白漆的反射率已高达94%。 并且它必须吸收并释放尽可能接近8-13 µm关键波长范围内的全部波长。

Raman和Fan认为,所有这些都可以通过纳米级的工程材料来实现。创造出比穿过它们的光的波长更小的结构应该会增强某些波长的吸收和释放,而抑制另一些波长的吸收和释放。

这个小组提出了在表面上蚀刻图案的想法,并于2013年发表。然后,该团队向美国高级研究项目署(ARPA-E)提交了一份提案,希望获得资助。

“我立刻想到,‘哇,我真的很想看到有人真的这么做。’”Howard Branz回忆道,他当时是华盛顿特区ARPA-E的项目主管,现在是科罗拉多州博尔德的技术顾问,“我们做了很多夜间辐射冷却的工作,但在大范围、充足的阳光下这样做结果是相当令人吃惊的。”

Branz给了研究人员40万美元和一年时间。在如此短的时间内,斯坦福团队决定简化设计,并尝试以更熟悉的方式分层材料。为了创造出高反射性的东西,研究人员交替使用了四层薄薄的材料,它们分别具有很强的折射光(二氧化铪)和微弱的折射光(二氧化硅或玻璃),后者是光学工程中常用的主题,其工作原理是光波在通过不同的层时会产生干扰。他们使用同样的原理来放大红外辐射,在上面放置三层更厚的相同材料。

当研究人员在户外测试这种材料时,即使在每平方米850瓦的阳光直射下,它也比环境温度低5摄氏度。(在海平面上晴朗的一天,阳光直射强度可达1000 Wm2左右)。

成功之后,ARPA-E资助了其他超冷材料的提案。其中一个想法来自科罗拉多大学博尔德分校的Xiaobo Yin和Ronggui,他们想要大规模制造材料,所以选择使用了廉价的塑料和玻璃。尺寸合适的玻璃球(几微米不等)强烈释放出8-13-µm范围的波长。 将它们嵌入厚度为50 µm的透明聚甲基戊烯薄膜中(一种在某些实验室设备和炊具中使用的塑料),并用反射银作为支撑材料就足以制造出超冷材料。 更重要的是,研究人员可以使用卷对卷技术(每分钟可产出5米)来制作薄膜。

事实证明,许多材料在结构正确的情况下会表现出超级冷却,而不只是奇异或特殊的材料。2018年,纽约哥伦比亚大学和伊利诺斯州勒蒙特阿尔贡国家实验室的研究人员报告了一种超冷涂料,这种涂料是基于一种可喷涂的聚合物涂层。团队成员Yuan Yang解释说,许多聚合物自然会发出8-13 µm的红外光,因为它们的化学键(例如碳原子之间或碳与氟之间的化学键)在拉伸和松弛时会发出红外光。关键是要增强聚合物反射阳光的能力。

Yuan Yang的学生Jyotirmoy Mandal现在是加州大学洛杉矶分校拉曼实验室的博士后研究员,他用少量的水将氟化聚合物前体溶解在丙酮中。这种混合物可以喷到表面上,形成均匀的聚合物涂层,并散布有微小的水滴。挥发性的丙酮先干燥,然后是水滴,留下充满空气的气孔。Yuan Yang说,最终的结果是内部有气孔的白色涂层反射阳光。

去年5月,科罗拉多大学的研究小组报告了另一种材料:一种冷却木材,由马里兰大学帕克分校的Liangbing Hu和Tian Li制作。Tian Li说,就像聚合物一样,木材也含有化学键,释放出一定的红外辐射。净降温效果可以通过化学方法去除一种叫做木质素的刚性成分,使木材反光,并压缩产品,使其纤维素纤维排列一致,并释放大量红外辐射。

科学家们还用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成了超冷薄膜,这种硅树脂材料可用于润滑剂、护发素和橡皮泥等产品。早在去年8月,威斯康星大学麦迪逊分校的Zongfu和纽约州立大学布法罗分校的Qiaoqiang Gan发现,一种喷涂聚有100µm PDMS层的铝膜,当中午放置下校园停车场时,比环境温度低11°C。

保持凉爽

几乎所有的研究团队都为他们的发明申请了专利,现在正努力将它们推向市场。Gan正在与他拒绝透露姓名的行业合作伙伴合作,将PDMS -铝膜商业化。哥伦比亚大学已将其超冷涂料授权给纽约初创公司MetaRE进行开发。MetaRE首席执行长April Tian说,该公司还在与业界合作开发用于屋顶、冷藏运输、仓储和纺织的涂料。她表示,该产品与传统油漆相比“极具竞争力”。

其他初创企业也强调了他们的产品可以节省多少电力。Fan和Raman已经为SkyCool系统的面板开发了一个专有系统。2017年,他们预测,在内华达州炎热干燥的拉斯维加斯,该系统可以减少建筑物夏季21%的制冷用电量。Raman说,这些太阳能电池板将在三到五年内收回成本。Yin和Ronggui Yang在博尔德开了一家名为Radi-Cool的公司,将这种嵌入玻璃的塑料商业化。去年1月,他们报告说,如果将这种材料与亚利桑那州凤凰城、佛罗里达州迈阿密以及德克萨斯州休斯顿的商业建筑里的水冷却器整合在一起,它可以减少32-45%的夏季制冷用电。与此同时,Hu已经将这种超冷木材材料授权给了马里兰州的InventWood公司,这是他与人共同创立的公司。他预测,这将为美国16个城市节省20-35%的冷却能源。

但布达佩斯中欧大学的环境科学家、专门研究减缓气候变化问题的戴安娜·乌尔热-沃尔萨茨(Diana Urge-Vorsatz)提醒说,这些估计是基于实验和模型得出的,这些实验和模型的局限性太大,无法将其外推到城市的整栋建筑上。Yin补充说,实际的节能效果和超冷材料多久能收回成本将取决于建筑物的结构、位置和天气条件。

位置是最大的障碍。位于东兰辛的密歇根州立大学机械工程师詹姆斯•克劳斯纳(James Klausner)表示:“在某些地理区域,它就是行不通,因为那里的大气不够干燥。但他说,这并不是太令人反感,因为效果好的地区是干旱地区,如美国西南部或中东,这些地区对空调有很高的需求。”

另一个挑战是辐射冷却系统可能会增加冬季的取暖成本。为了解决这个问题,Santamouris正试图在超冷材料上引入一层液体,当温度降到足够低时,这种材料就会冻结。一旦液体凝固,辐射就无法再逃逸到太空,因此冷却效果被切断。去年10月,Mandal 和Yang报告了另一种停止过冷的方法。如果他们用异丙醇填充聚合物涂层的孔隙,涂层就会开始捕捉热量而不是释放热量。这可以通过将空气吹过空隙使其干燥来逆转。

还有一个问题:这些材料只有在能够将辐射直接送到外太空的冷散热器时,才能实现超冷。在城市环境中,建筑物、人和其他物体会挡道,吸收热量并重新散发出去。目前性能最好的材料以大约100 Wm的速度散热。Gan和Yu希望通过将他们的薄膜垂直于屋顶来使其翻倍,这样释放物就可以从两个表面逸出。但这将需要在薄膜周围添加能够将释放物反射到天空的材料。

研究人员正在寻找其他方法来提高材料的冷却能力。去年10月,剑桥麻省理工学院的Evelyn Wang和她的同事们报道,在干燥的智利阿塔卡马沙漠中,用轻质绝缘气凝胶覆盖辐射冷却膜可使结构比周围环境凉爽13°C。 相比之下,没有气凝胶降温仅为1.7C。 她说,气凝胶概念可以与其他超冷材料一起使用。

利用超冷材料进行地球工程以减缓全球变暖的梦想似乎遥不可及,而且从实际的角度来看也不太可能实现。去年9月,Munday用“粗略计算”表明,如果用现有材料覆盖1-2%的地球表面,就可以平衡当前不断上升的温度,这些材料在白天可以产生大约100 Wm的冷却能量。但是,德国波茨坦高级可持续发展研究所的气候科学家马克·劳伦斯说,由于经过几十年的发展,太阳能电池板的覆盖率仍然没有达到这个水平,因此这项新兴技术不可能及时发挥作用。与任何地球工程建议一样,Munday也承认干扰降水模式和当地气候可能会产生意想不到的后果——乌尔热-沃尔萨茨也认为这可能是个问题。

然而,Raman认为,被动辐射冷却可能有很多好处。例如,它可以帮助阻止太阳能电池板在温度上升时降低效率。Yin说,所有的发电和转换过程都会产生废热,即使它们使用的是可再生能源而不是化石燃料。他说:“这是唯一一种利用所有这些浪费的热量并将其反射回太空的技术。”

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