源和低沉对提高热机的工作效率同等重要。这一点可以从热机的卡诺效率ηCN=1-TC⁄TH 得到直观体现,其中的TH和TC分别为热源和热沉的温度。

来源:知社学术圈

根据热力学基本定律,高源和低沉对提高热机的工作效率同等重要。这一点可以从热机的卡诺效率ηCN=1-TCTH 得到直观体现,其中的THTC分别为热源和热沉的温度。众所周知,温度高达6000 K的太阳是大自然馈赠给人类的一个热源。

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对太阳能的利用贯穿于人类文明历史;大自然同时馈赠给人类一个温度低至3 K的热沉—外太空。近年来,通过辐射制冷技术对这一热沉的开发利用目前引起了人们的广泛兴趣。然而,在实际应用中,由于辐射制冷板和太阳能电池板或加热器往往都需要铺设在屋顶,因此这两种技术往往相互争夺屋顶空间。

最近美国斯坦福大学范汕洄教授、中国东南大学陈震教授、以及其他团队成员提出了一种新型的光子学设计成功解决了这一难题。建立在该团队以前实现的昼夜24小时将器件持续辐射制冷至环境温度以下40摄氏度的工作基础上,新设计的亮点在于将太阳能技术和辐射制冷技术合二为一,使得这两种技术不但不相互干扰,而且可以相互提升对方的工作效率。该工作于北京时间2018年11月8日发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule 上,题为“Simultaneously and Synergistically Harvest Energy from the Sun and Outer Space”。该研究有望重新定义人们有效利用可再生能源的方式。

理论分析表明:利用太阳和地球分别作为热源和热沉驱动热机的最大输出功率为1355 W/m2,对应的效率为85%;利用地球和外太空分别作为热源和热沉驱动热机的最大输出功率为48 W/m2,对应的效率为25%;利用地球和外太空分别作为热源和热沉驱动热机的最大输出功率为1403 W/m2,对应的效率为88%。可见,同时利用太阳和外太空可以将热机效率和输出功率同时推进到新的理论极限。然而,问题在于在实际应用中如何最大限度地利用建筑物屋顶空间同时铺设太阳能板和辐射制冷板,使二者不相互争夺铺设空间,又能相互提高彼此的性能呢?

(A)利用太阳作为热源获取能量的理论极限分析

(A)利用太阳作为热源获取能量的理论极限分析

(B)利用外太空作为热沉获取能量的理论极限分析

(C)分别利用太阳和外太空作为热源和热沉获取能量的理论分析

为解决上述问题,研究人员设计并搭建了如下图所示的实验装置,将太阳能吸收板和辐射制冷板从上往下垂直叠加放置。这样设计的优点在于可以最大限度地利用建筑物屋顶铺设最大面积的太阳能吸收板和辐射制冷板。其中,太阳能吸收板选用常用的半导体材料锗,辐射制冷板选用该团队以前设计的双层薄膜(氮化硅和硅)制冷器。该制冷板在2016年发表的Nature Communications上成功实现了昼夜24小时持续辐射制冷至环境温度以下40摄氏度的制冷效果。装配有ZnSe窗口的真空装置将辐射制冷器与周围环境热隔离,以实现制冷效果。锗太阳能吸收板的突出优点在于在吸收太阳能波段光子的同时可以让底部辐射制冷器辐射的中红外波段光子畅通无阻地通过。

(A)实验装置示意图

(A)实验装置示意图

(B)太阳能吸收板和真空装置实物图

(C)辐射制冷器和真空装置内部细节图

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光谱仪测试验证了光子学设计:在太阳波段,顶部的锗太阳能吸收板的平均吸收率高达70%以上,而透过率几乎为零,这就保证了太阳波段光子绝大部分被锗板吸收使其温度升高,而不会到达底部的辐射制冷板从而影响其制冷效果。在中红外波段,尤其是对应于8-13微米的大气窗口,锗板和ZnSe窗口的穿透率,以及辐射制冷板的辐射率都极高,这就保证了从辐射制冷板辐射出的中红外光子能不受阻碍地到达外太空从而实现高性能的辐射制冷。

(A)AM1.5太阳辐射光谱

(A)AM1.5太阳辐射光谱

(B)大气透射率

(C-D)锗太阳能吸收板在太阳光谱和中红外波段的穿透率和吸收率

(E-F)ZnSe窗口在太阳光谱和中红外波段的穿透率

(G-H)辐射制冷板在太阳光谱和中红外波段的辐射率

典型实验结果如下图所示:日出之前,太阳能吸收板的温度与环境温度基本相同;日出之后,太阳能吸收板的温度逐渐偏离环境温度,到正午时,二者温差最大,达到24摄氏度。之后,二者温度又逐渐接近;日落之后,二者温度又基本相同。在整个实验时间段内,辐射制冷板的温度变化趋势基本与环境温度保持一致,温度差保持在25-30摄氏度之间。

实验结果:日出之后太阳吸收板的温度渐渐偏离环境温度;到正午时,二者温差达到24摄氏度;之后二者温度又逐渐趋于相同。在整个测试时间段内辐射制冷板降温保持在环境温度以下25-30摄氏度之间。

如下图所示,实验结果与理论预测基本一致。随着太阳热流的增大,太阳能吸收板与周围环境之间的温差逐渐增大,但辐射制冷板与环境温差却基本保持不变。这一结果强调了实验装置中顶部太阳能吸收板的两大作用:其一是吸收太阳能转化为热能;其二是保证底部的辐射制冷板辐射的中红外波长的光子无地透过并最终到达外太空实现辐射制冷。图中太阳能吸收板的温度波动较大,而辐射制冷板的温度波动较小。这是因为太阳能吸收板放置在真空装置之外,受楼顶风速波动的影响较大;而辐射制冷板置于真空装置之内,基本不受外界风速波动的影响。

实验与理论结果对比:太阳能吸收板置于真空装置之外受风速波动影响,导致其温度波动较大;辐射制冷板置于真空装置之内基本不受外界风速影响,导致其温度波动很小。

如果将太阳能吸收板也置于真空装置之内,其温度可以大大提升,但是需要重新对辐射制冷板进行光子学设计,以进一步其与太阳能吸收板之间的热耦合,从而保证其高性能的制冷效果。本实验中使用的太阳能吸收板和辐射制冷板的直径在10厘米左右。要实现该技术的大规模使用,需要解决的最主要问题是寻找廉价的红外窗口以取代昂贵的ZnSe窗口。比较有希望的替代品为硅、锗等常用半导体材料。

本实验中的太阳能吸收板实现了将太阳能转化为热能,另一种方案是将其替换为太阳能电池板从而将太阳能直接转化为电能。这样可以实现给建筑物提供电能的同时为建筑物降温。要实现这一方案,需要对市面上常用的硅太阳能电池板进行改进,去掉其背面反光镜面,同时将其重掺杂区域和背面金属电极限制在一个较小的区域,从而保证硅太阳能电池板的大部分区域对中红外波长的光子是的。

团队介绍:

陈震:中国东南大学教授、博士生导师。中组部国家人才计划第十二批获得者,2018年江苏省双创人才入选专家。博士就读于加州大学伯克利分校机械工程系(ChrisDames教授实验室),主修专业为微纳米尺度传热学;博士后工作于斯坦福大学电子工程系(范汕洄教授实验室),主要研究方向为热辐射的纳米光子学控制。主要研究成果分别以第一作者或通讯作者发表在Nature Communications, Joule, Nano Letters, Physical Review B,Applied Physics Letters等国际著名期刊,2013年至今的总引用已超过1300次(Google Scholar)。

朱林晓:斯坦福大学博士,现任密歇根大学博士后研究员。

李炜:范德堡大学博士,现任斯坦福大学博士后研究员。

范汕洄:美国斯坦福大学电子工程系教授、Ginzton实验室主任。范汕洄教授博士毕业于麻省理工学院物理系,目前为美国物理学会(AmericanPhysical Society)、电子工程师学会(IEEE)、光学学会(Optical Society of America)、光学和光子技术学会(SPIE)等众多著名学术组织的当选会士(fellow),国际著名期刊Applied physics letters和 Photonics and Nanostructures: Fundamentals and Applications副主编,是国际公认的光子晶体学的权威学者,辐射制冷、无线电力传输等前沿研究的开拓者和领导者。根据Google Scholar统计,范汕洄教授的的总引用率已超过59000次,H-index高达116,其中2013年至今的总引用已超过32000次。

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