“冷熱雙吸”新材料的橫空面世！太陽和深空24小時全天候冷熱能量捕獲和利用
【化工儀器網 項目成果】光譜擇性吸收涂層是一種具有對可見近紅外線高吸收、對紅外光高反應的特種圖層，廣泛運用與太陽能光熱轉換，例如太陽能熱水器、太陽能發電等。幾十年來選擇性吸收圖層一直是太陽能熱利用技術領域中一向十分活躍的研究課題。而如今，是否有一種材料，能夠分別以太陽、太空為熱源、冷源實現“冷熱雙吸”，并且無需外部能源消耗，就能持續捕獲利用太陽和深空的冷熱能量，在同一個材料上實現“冷熱同體”呢？
太陽和太空是地球能量循環的終極熱源和終極冷源。光熱轉換通過對太陽輻射直接利用，獲得高溫熱能。而天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過大氣窗口直接發射至低溫太空，獲得低溫冷量，實現對深空低溫的超遠距直接利用。然而，目前的光熱轉換和天空輻射制冷都依賴于靜態的光譜選擇性涂層，但兩種過程存在紅外光譜沖突，目前技術都是對單一目標、單一功能的利用。有沒有可能存在一種涂層材料，既能吸熱又能吸冷呢？
近日，中國科學技術大學工程學院太陽能光熱綜合利用安徽省重點實驗室裴剛教授，與該校核科學技術學院鄒崇文研究員聯合研究團隊，創新性提出利用光譜自適應調控機制對太陽熱源和太空冷源進行時間解耦，突破目前對太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。
研究團隊研制了一種基于二氧化釩相變材料的多層膜光譜選擇性自適應涂層，該涂層在白天太陽輻照下處于金屬態，整體涂層太陽吸收率為0.89，紅外發射率僅為0.25，表現為光熱吸收特性；在夜間無輻照條件下，處于絕緣態，涂層在大氣窗口波段具有高的發射率，在其余中紅外波段具有低的發射率，表現為輻射制冷特性。
研究團隊解決了光熱轉換和輻射制冷存在的紅外光譜沖突，并分別強化其性能，在同一個材料上實現‘冷熱同體’，優化了空間和成本。實測結果表明，使用了多層膜光譜選擇性自適應涂層的實驗器件，表面溫度在白天可以比環境溫度高170℃，在夜間可以比環境溫度低20℃，具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自適應功能。器件可以24小時全天候運行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。
該項研究不僅發展了太陽能與天空輻射制冷綜合利用理論并提出了多種綜合利用過程的光譜耦合原則，引入光學薄膜和光子晶體結構，實現了涂層多截止波長下的光譜選擇性；并且對日間天空輻射制冷技術的研究，通過高性能光譜選擇性涂層的開發、低熱損系統研制以及輻射傳輸路徑優化等手段，實現了太陽輻照條件下的被動制冷效果。
“冷熱雙吸”新材料的橫空面世，為基于太陽熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑，并且能夠廣泛應用于建筑節能、光伏冷卻、熱電轉換領域，對實現“雙碳”目標、緩解地球溫室效應等具有積極意義。未來還可用于深空探索，供應太空基地能源等方面發揮作用。
(資料來源：科技日報)
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