從陽光中獲取更多熱量
2019/07/10369
麻省理工學院開發的材料可以被動地捕獲太陽能，用于家庭供暖或工業應用。
新開發的材料非常透明，幾乎看不到它可以解鎖太陽能熱的許多新用途。它產生的溫度遠高于傳統的太陽能集熱器 - 足以用于家庭供暖或需要高于200攝氏度（392華氏度）的工業過程。
該工藝的關鍵是一種新型氣凝膠，一種輕質材料，主要由空氣組成，結構由二氧化硅制成（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。研究結果在麻省理工學院研究生林昭的論文“ ACS Nano ”中有所描述。Evelyn Wang，教授兼機械工程系主任; 陳剛，卡爾理查德索德伯格動力工程教授; 和其他五個人。
Wang解釋說，有效收集太陽能熱量的關鍵是能夠在內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，但安裝和維護相對昂貴。人們對尋找一種較便宜的無源系統非常感興趣，該系統用于在空間加熱，食品加工或許多工業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，多年來一直被開發為高效輕質的絕緣材料，但它們對可見光的透明度通常有限，透射率約為70％。王說，開發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漫長而艱難的過程，涉及幾個研究人員大約四年。但結果是一種氣凝膠可以透過95％以上的陽光，同時保持其高度絕緣的特性。
使其起作用的關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，但保留原始混合物的強度。他們發現，生產比傳統氣凝膠更快干燥的混合物，產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。
在麻省理工學院校園的一個屋頂上進行的測試中，一個被吸收的深色材料組成的被動裝置覆蓋著一層新氣凝膠，能夠在劍橋冬季中期達到并保持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才能實現，鏡子將太陽光聚焦到中心線或點上，但這種系統不需要濃縮，使其更簡單，成本更低。這可能使其適用于需要更高熱量的各種應用。
例如，簡單的平屋頂收集器通常用于家用熱水，產生的溫度約為80℃。但氣凝膠系統所帶來的較高溫度可以使這種簡單的系統也可用于家庭供暖，甚至用于為空調供電。系統。大規模版本可用于為化學，食品生產和制造過程中的各種應用提供熱量。
趙將氣凝膠層的基本功能描述為“像溫室效應一樣。我們用來增加溫度的材料就像地球大氣層提供隔熱一樣，但這是一個極端的例子。“
在大多數情況下，被動式熱量收集系統將連接到包含液體的管道，該液體可以循環以將熱量傳遞到任何需要的地方。另外，Wang建議，對于某些用途，系統可以連接到熱管，這些設備可以在不需要泵或任何活動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有應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干燥器的專用設備，以實現非常精確的干燥過程，從凝膠中提取溶劑同時保留其納米級結構。
因為這是一個批處理過程而不是可以用于卷對卷制造的連續過程，如果系統擴展到工業生產水平，它可能會限制生產率。“擴大規模的關鍵是我們如何降低這一過程的成本，”王說。但即使是現在，初步的經濟分析表明，該系統在某些用途上可以經濟可行，特別是與真空系統相比。
研究小組包括研究科學家Bikram Bhatia，博士后Sungwoo Yang，研究生Elise Strobach，講師Lee Weinstein和博士后Thomas Cooper。這項工作主要由美國能源部的ARPA-E計劃資助。
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