Пассивное охлаждение, как и тень от дерева, существует всегда.
Недавно исследователи изучают, как ускорить метод пассивного охлаждения, известный как радиационное или небесное охлаждение, с помощью солнцезащитных наноматериалов, которые излучают тепло вдали от крыш зданий. Несмотря на достигнутый прогресс, эта экологически чистая технология не является обычным явлением, поскольку исследователи изо всех сил пытались максимизировать возможности охлаждения материалов.
Новые исследования под руководством инженеров Университета Буффало добились значительного прогресса в этой области.
Исследование, опубликованное 8 февраля в журнале Cell Reports Physical Science, описывает уникальную систему радиационного охлаждения, которая:
- Снижена температура внутри тестовой системы на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами более чем на 12 градусов Цельсия (22 градуса по Фаренгейту).
- Снижена температура испытательного бокса в лаборатории, предназначенной для имитации ночи, более чем на 14 градусов по Цельсию (25 градусов по Фаренгейту).
- Одновременно получено достаточно солнечной энергии, которую можно использовать для нагрева воды примерно до 60 градусов по Цельсию (140 градусов по Фаренгейту).
В то время как тестируемая система была всего 70 сантиметров (27.5 дюймов в квадрате, в конечном итоге его можно будет увеличить, чтобы покрыть крыши, говорят инженеры, с целью снижения зависимости общества от ископаемого топлива для охлаждения и обогрева. Это также может помочь сообществам с ограниченным доступом к электричеству.
«В нашей повседневной жизни существует большая потребность в отоплении и охлаждении, особенно в охлаждении в условиях потепления», - говорит ведущий автор исследования Цяоцян Ган, доктор философии, профессор электротехники в Школе инженерии и прикладных наук Университета Нью-Йорка. наук.
В исследовательскую группу входят Цзунфу Ю, доктор философии, Университет Висконсин-Мэдисон; Бун Оой, доктор философии, Университет науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии; и сотрудники лаборатории Гана в UB и лаборатории Оои в KAUST.
Дизайн системы и материалы - ключ к успеху
Система состоит из двух зеркал, состоящих из 10 чрезвычайно тонких слоев серебра и диоксида кремния, расположенных в форме буквы V.
Эти зеркала поглощают падающий солнечный свет, превращая солнечную энергию из видимых и ближних инфракрасных волн в тепло. Зеркала также отражают волны среднего инфракрасного диапазона от «излучателя» (вертикальной коробки между двумя зеркалами), который затем отражает тепло, которое они несут, в небо.
«Поскольку тепловое излучение от обеих поверхностей центрального теплового излучателя отражается к небу, локальная плотность мощности охлаждения на этом излучателе удваивается, что приводит к рекордно высокому снижению температуры», - говорит Ган.
«Большинство систем радиационного охлаждения рассеивают солнечную энергию, что ограничивает охлаждающие возможности системы», - говорит Ган. «Даже при идеальном спектральном отборе верхний предел мощности охлаждения при температуре окружающей среды 25 градусов Цельсия составляет около 160 Вт на квадратный метр. В отличие от этого, солнечная энергия около 1000 Вт на квадратный метр поверх этих систем была просто зря."
Спинофф-компания стремится коммерциализировать технологию
Ган стал соучредителем дочерней компании Sunny Clean Water LLC, которая ищет партнеров для коммерциализации этой технологии.
«Одним из ключевых нововведений нашей системы является возможность разделять и сохранять солнечное отопление и радиационное охлаждение на разных компонентах в одной системе», - говорит соавтор Лю Чжоу, кандидат технических наук в области электротехники. в Школе инженерии и прикладных наук. «Ночью радиационное охлаждение легко, потому что у нас нет солнечной энергии, поэтому тепловые выбросы просто исчезают, и мы легко реализуем радиационное охлаждение. Но дневное охлаждение является проблемой, потому что светит солнце. В этой ситуации вам нужно найти способы отделить солнечное отопление от зоны охлаждения."
Работа основана на предыдущем исследовании, проведенном лабораторией Гана, которое включало создание конусообразной системы безэлектрического охлаждения в густонаселенных городах для адаптации к изменению климата.
Новая двухсторонняя архитектура обеспечивает рекордную плотность мощности локального охлаждения, превышающую 280 Вт на квадратный метр. При стандартном атмосферном давлении без вакуумной теплоизоляции мы добились снижения температуры на 14,5 градусов по Цельсию ниже температуры окружающей среды в лабораторных условиях и более чем на 12 градусов по Цельсию при тестировании на открытом воздухе с использованием простой экспериментальной системы», - говорит другой соавтор. автор, Хаомин Сонг, доктор философии, доцент кафедры электротехники в Школе инженерии и прикладных наук.
Важно, что наша система не просто тратит впустую поступающую солнечную энергию. Вместо этого солнечная энергия поглощается солнечными спектрально-селективными зеркалами, и ее можно использовать для солнечного нагрева воды, которая широко используется в качестве источника энергии. эффективное устройство в развивающихся странах», - говорит Ган. «Он может сохранять как солнечный нагрев, так и радиационное охлаждение в одной системе без электричества. Это действительно своего рода «волшебная» система изо льда и пихты».
Исследовательская группа продолжит поиск способов улучшения технологии, в том числе изучение того, как получить достаточно солнечной энергии для кипячения воды, чтобы сделать ее пригодной для питья.
Работа была поддержана программой теплового переноса Национального научного фонда США.