從陽光中獲取更多熱量
2019/07/101337
麻省理工學(xué)院開發(fā)的材料可以被動(dòng)地捕獲太陽能，用于家庭供暖或工業(yè)應(yīng)用。
新開發(fā)的材料非常透明，幾乎看不到它可以解鎖太陽能熱的許多新用途。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）。這種材料可以讓陽光輕松穿過但阻擋太陽熱量逃逸。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，有效收集太陽能熱量的關(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)過程所需的較高溫度水平下收集太陽能。
氣凝膠是一種由二氧化硅顆粒制成的泡沫狀材料，多年來一直被開發(fā)為高效輕質(zhì)的絕緣材料，但它們對(duì)可見光的透明度通常有限，透射率約為70％。王說，開發(fā)一種制造透明度足以用于太陽能熱量收集的氣凝膠的方法是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱難的過程，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95％以上的陽光，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使用聚光系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)，鏡子將太陽光聚焦到中心線或點(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; 該過程中唯一昂貴的部分是干燥，這需要一種稱為臨界點(diǎn)干燥器的專用設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)非常精確的干燥過程，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)批處理過程而不是可以用于卷對(duì)卷制造的連續(xù)過程，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@一過程的成本，”王說。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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