从阳光中获取更多的热量

一种新开发的材料非常透明,几乎看不见,它可以开启太阳能热的许多新用途。它产生的温度比传统的太阳能收集器要高得多——足以用于家庭供暖或需要200多摄氏度(392华氏度)热量的工业过程。

这一过程的关键是一种新型气凝胶,一种主要由空气组成的轻质材料,其结构由二氧化硅(也用于制造玻璃)制成。这种材料可以让阳光很容易地通过,但却阻止了太阳热量的流失。麻省理工学院研究生Lin Zhao在《ACS Nano》杂志上发表的一篇论文描述了这一发现;机械工程系系主任,教授;陈刚,卡尔·理查德·索德伯格电力工程教授;和5人。

王解释说,有效收集太阳能的关键是能够在保持外部温度的同时保持内部温度。其中一种方法是利用一层玻璃和一种深色吸热材料之间的真空,这是许多聚光太阳能收集器使用的方法,但安装和维护相对昂贵。人们对寻找一种成本较低的被动系统非常感兴趣,这种系统可以在空间加热、食品加工或许多工业过程所需的较高温度水平下收集太阳能。

气凝胶是一种由二氧化硅颗粒制成的泡沫状材料,多年来一直被开发为高效、轻质的绝缘材料,但它们对可见光的透明度通常有限,传输率在70%左右。王说,开发一种透明的气凝胶来收集太阳能是一个漫长而艰难的过程,几位研究人员参与了大约四年的时间。但其结果是一种气凝胶,在保持其高度绝缘性能的同时,可以穿透95%以上的入射阳光。

使它的关键工作是精确率的不同的材料用于创建气凝胶,它是由混合催化剂的颗粒silica-containing复合液体溶液中,形成一种凝胶,然后干燥所有的液体,留下一个矩阵,主要是空气,而且保留了原始混合物的力量。他们发现,制造一种比传统气凝胶干得快得多的混合物,会产生一种颗粒间孔隙更小的凝胶,因此散射的光要少得多。

在测试一个屋顶在麻省理工学院的校园,一个被动元件组成的黑暗吸热材料覆盖着一层新的气凝胶能够达到和保持温度220 C,在剑桥的冬天室外空气时低于0 C。

在此之前,这种高温只能通过使用聚光系统来实现,这种聚光系统使用镜子将阳光聚焦到中心线或中心点上,但这种系统不需要聚光,因此更简单,成本也更低。这有可能使它在需要更高热量的各种应用中发挥作用。

例如,简单的屋顶集热器通常用于家庭热水,产生的温度约为80摄氏度,但气凝胶系统提供的较高温度可以使这种简单的系统用于家庭供暖,甚至为空调系统供电。大规模的版本可以用于为化学、食品生产和制造过程中的各种应用提供热量。

赵将气凝胶层的基本功能描述为“类似温室效应”。我们用来提高温度的材料就像地球大气层提供绝缘一样,但这是一个极端的例子。”

在大多数情况下,无源集热系统将连接到含有液体的管道上,液体可以循环将热量传递到任何需要的地方。另一种选择是,王建议,对于某些用途,该系统可以连接到热管,这种装置可以在不需要泵或任何移动部件的情况下远距离传输热量。

由于原理本质上是相同的,基于气凝胶的太阳能集热器可以直接取代一些现有应用中使用的基于真空的集热器,从而提供一种成本更低的选择。制作气凝胶所用的材料都是丰富而廉价的;这个过程中唯一昂贵的部分是干燥,这需要一个称为临界点干燥器的专门设备,允许一个非常精确的干燥过程,从凝胶中提取溶剂,同时保持其纳米级结构。

因为这是一个批量生产的过程,而不是一个可以用于卷对卷生产的连续生产过程,如果该系统扩大到工业生产水平,它可能会限制生产速度。王说:“扩大规模的关键是如何降低这一过程的成本。”但即使是现在,初步的经济分析表明,该系统在某些用途上在经济上是可行的,特别是与基于真空的系统相比。

研究团队包括研究科学家比克拉姆·巴蒂亚、博士后杨成宇、研究生埃莉斯·斯特罗巴赫、导师李·韦恩斯坦和博士后托马斯·库珀。这项工作主要由美国能源部的ARPA-E项目资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/aerogel-passive-heat-sunlight-0702

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