作者:仇旻等 来源:《光:科学与应用》 发布时间:2024/1/24 17:58:54
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当空气成为能源:夜间辐射增温新策略

 

自古至今,保温在许多工农业过程中发挥着至关重要的作用。其中夜间保温由于缺乏太阳能量,而更具挑战性。在夜间,地表通过大气透明窗口(8-14 μm)向太空(~3K)直接辐射传热,导致地面附近的温度急剧下降,对农业(作物)、运输(户外线缆)等均构成了巨大威胁。传统夜间保温依赖于能耗高的主动加热器,需要额外的电力供应系统并增加碳排放。无源保温方式,如绝热毯和低发射率(low-e)薄膜,提供了能源友好的替代方案。然而,这些方法效果甚微,净热损耗较大。

众所周知,空气具有较高的比热容,在夜间可以保持比地面高的温度,在一定程度上可以成为地面物体增温的外部热源。然而,要利用地球上方的大气空间的能量,传导和对流机制已无法胜任,必须采用辐射热传递方式。

近日,浙江大学李强教授和西湖大学仇旻教授研究团队提出了一种基于纳米光子调控的夜间增温策略,即被动地抑制物体在大气透明窗口(8-14 μm)的热辐射,同时主动地利用大气辐射波段(5-8 μm和14-16 μm)的能量。

具体来说,他们在目标表面覆盖一层纳米级光学薄膜(增温膜)来实现,该薄膜在大气透明波段具有高反射率,在大气辐射波段具有高吸收率,因此能够实现对能量的高效调控,从而有效提高目标温度。

该成果以“Night-time Radiative Warming Using the Atmosphere”为题发表在Light: Science & Applications。

图1:(a)地表与大气及外太空辐射热传递示意图。(b)红外吸收/辐射率谱图。

为了开发这一策略,研究团队首先建立了一个能量流模型,集成了光热-热光转换、多个热力学源和温度场。通过考虑环境因素,他们提出,一个理想的中红外选择性反射器可以有效提高目标温度,并在某些情况下产生正净热增益(Pnet>0)。

在此基础上,研究团队通过光学仿真优化,设计并制备了这一器件,其采用宽带红外吸收衬底结合锗、硫化锌一维光子晶体膜系,实现了大气透明窗口反射率达0.9,大气辐射波段吸收率达0.7。

户外热测试验证了该策略的有效性。实验表明,通过覆盖这种增温膜,目标的温度较传统的低发射率薄膜和宽带吸收表面分别提高2.1℃/4.4℃。更重要的是,实验中观察到的净热损失仅为9 W m-2,而宽带反射和宽带吸收表面的净热损失分别为16 W m-2和39 W m-2。

此外,作者评估了该增温策略在不同气候城市的应用潜力,结果显示不同气候城市的年均节约电量均可达到300 kWh m-2。

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图2:(a)室外温度测试实验结果。(b)净热损耗测试实验结果。(c)不同气候城市节能效应估算。

前景与展望

本研究提出了一种基于纳米光子调控的夜间增温策略,通过调控光热-热光转换,能够高效地控制能量流动,在很多热管理场景中具有应用价值。这种新颖的夜间增温策略理论上可以在没有电力输入的情况下,实现正净热增益,为可持续热管理提供了新的途径,因此在应对气候变化挑战和促进碳中和方面具有相当大的潜力。(来源:LightScienceApplications微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41377-023-01315-y

 
 
 
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