从一个系统的辐射冷却和太阳能加热 - 不需要电力

辐射冷却太阳能加热装置

该系统将测试系统内的温度降低,在阳光下的户外环境中超过12摄氏度(22华氏度)。信贷:布法罗大学

研究描述了被动冷却系统,旨在帮助贫困社区,减少制冷和供暖成本,降低二氧化碳排放。

被动降温就像树荫一样,一直存在。

最近,研究人员一直在探索如何将被动冷却技术充电,被称为辐射或天空冷却 - 具有防晒,纳米材料,从建筑屋顶上发出热量。虽然取得了进展,但这种环保技术并不普遍,因为研究人员努力最大限度地提高了材料的冷却能力。

新研究领导纽约州立大学布法罗分校工程师在该领域取得了重大进展。

《华尔街日报》于2021年2月8日发表了一项研究细胞报告物理科学描述了一种独特设计的辐射冷却系统:

  • 将在户外环境下的测试系统内的温度降低到直接阳光下的户外环境超过12度科尔斯群岛(22度华氏温度)。
  • 降低了实验室中测试箱的温度,意味着模拟夜晚,超过14摄氏度(25华氏度)。
  • 同时捕获足够的太阳能,可用于将水加热至约60摄氏度(140华氏度)。

当测试的系统仅为70厘米(27.5英寸)的平方时,最终可能会缩小以覆盖屋顶,工程师说,从而降低社会对化石燃料进行冷却和加热的依赖。它还可以帮助社区获得有限的电力。

“在我们的日常生活中,对供暖和制冷的需求非常大,尤其是在日益变暖的世界中制冷,”该研究的主要作者、UB工程与应用科学学院电气工程教授甘乔强博士说。

研究团队包括曾福宇,威斯康星大学博士博士;Boon Ooi,博士,阿卜杜拉国王科技大学(Kaust)在沙特阿拉伯;和甘克的Lab的成员,以及欧海的实验室。

辐射冷却和太阳能加热

提供散热冷却和太阳能加热的新技术,一切都是一种系统,而不使用电力或燃料。信贷:布法罗大学

系统设计和材料成功的关键

该系统由基本上两个镜子组成,由10层非常薄的银和二氧化硅制成,其置于V形。

这些镜子吸收入射的阳光,将可见光和近红外波段的太阳能转化为热能。镜子还反射来自“发射器”(两个镜子之间的一个垂直盒子)的中红外波,然后发射器将它们携带的热量反射到天空中。

“由于中央热发射体两面的热发射被反射到天空中,该发射体的局部冷却功率密度增加了一倍,从而导致创纪录的高温降低,”Gan说。

“大多数辐射冷却系统分散太阳能,这限制了系统的冷却能力,”甘说。“即使有完美的光谱选择,在环境温度为25摄氏度的情况下,冷却功率的上限约为每平方米160瓦。相比之下,这些系统上每平方米约1000瓦的太阳能都被浪费了。”

Spinoff公司旨在商业化技术

Gan联合创立了一家新公司——阳光净水有限责任公司(Sunny Clean Water LLC),该公司正在寻找合作伙伴,将这项技术商业化。

“我们系统的关键创新之一是在工程学学院电气工程博士候选人的博士候选人联合第一作者Lyu Zhou表示,我们系统的关键创新是能够分离和保留不同部件的太阳能加热和辐射冷却和应用科学。“在夜间,辐射冷却很容易,因为我们没有太阳能输入,因此热排放刚刚出去,我们易于实现辐射冷却。但日间冷却是一个挑战,因为太阳闪耀着。在这种情况下,您需要找到从冷却区域分离太阳能加热的策略。“

这项工作是建立在之前Gan实验室领导的研究基础上的,该研究涉及在拥挤的城市中创建一个无电冷却的锥形系统,以适应气候变化。

“新的双面结构实现了创纪录的本地冷却功率密度,超过280瓦每平方米。在标准大气压力下没有真空热隔离,我们意识到的温度下降14.5摄氏度低于环境温度在实验室环境中,12摄氏度在室外测试使用一个简单的实验系统中,“其他co-first作者说Haomin歌,博士,研究助理教授电气工程在工程和应用科学学院。

“重要的是,我们的系统不是简单地浪费太阳能输入能量。相反,太阳能被太阳光谱选择性镜子吸收,它可以用于太阳能水加热,这在发展中国家被广泛作为一种节能设备使用。”Gan说。“它可以在一个系统中同时保留太阳能加热和辐射冷却效果,而不需要电力。这是一种冰与火的‘魔法’系统。”

该研究团队将继续调查改进技术的方法,包括检查如何捕获足够的太阳能来煮沸水,使其适合饮用。

参考文献:“混合集中辐射冷却和整体系统中的太阳能加热”由刘周,哈萨宁宋,南章,雅各布雷达,马修歌手,华凡张,Zongfu yu和Qiao强Gan,2021年2月8日,细胞报告物理科学
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100338

该工作得到了美国国家科学基金会的热运输过程计划的资金支持。

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