新的太阳能结构在全阳光下为建筑物降温

电气工程学教授樊善辉（中心）和研究生Aaswath Raman（左）和Eden Rephaeli（右）已经开发出一种太阳能冷却装置，该装置可以在不向贫困地区提供电力的情况下提供空调。

斯坦福大学的科学家设计了一种全新的冷却结构，可以在太阳照耀时通过反射太阳光并发射逃逸到地球大气所需的关键波长范围内的热辐射来进行冷却。

没有空调的房屋和建筑物被冷藏。在夏日的阳光下不会变热的汽车内饰。挖掘冰冷的外层空间以冷却地球。你说科幻小说吗？好吧，也许不再了。

斯坦福大学的研究人员团队设计了一种全新的冷却结构，即使在阳光普照的情况下也可以冷却。这种结构可以通过将阳光反射回寒冷的空间中来极大地改善建筑物，汽车和其他结构的日光冷却。他们描述该设备的论文于3月5日发表在Nano Letters上。

电气工程学教授，论文的资深作者樊善辉解释说：“人们通常将空间视为来自太阳的热源，但是远离太阳的外部空间确实是一个寒冷而寒冷的地方。”“我们开发了一种新型结构，可反射绝大多数阳光，同时又将热量传递到寒冷中，即使在白天也能冷却人造结构。”

从工程的角度来看，这个窍门是双重的。首先，反射器必须反射尽可能多的阳光。反射器不良会吸收过多的阳光，在此过程中会发热并无法达到冷却的目的。

第二个挑战是该结构必须有效地将热量（例如，从建筑物中）散发出回太空。因此，该结构必须在大气几乎透明的特定波长范围内非常有效地发射热辐射。在此范围之外，热辐射与地球大气相互作用。大多数人都熟悉这种现象。众所周知，温室效应是造成全球气候变化的原因。

二合一目标

新的结构同时实现了这两个目标。这是一种有效的宽带光镜，可反射大部分阳光。它还可以在逃离地球大气所需的关键波长范围内非常有效地发出热辐射。

作为缓解气候变化的策略，已经广泛研究了夜间的辐射制冷，但白天制冷需求达到峰值。

该论文的共同第一作者，范实验室的博士生埃登·雷法利（Eden Rephaeli）说：“尚无人能克服日光辐射冷却的挑战，即日光照射时的冷却。”“这是一个很大的障碍。”

斯坦福大学的研究团队已经成功地转向了纳米结构的光子材料，从而在其他方面脱颖而出。可以对这些材料进行工程设计，以增强或抑制某些波长的光反射。

范实验室的博士候选人，论文的第一作者之一阿斯瓦斯·拉曼（Aaswath Raman）说：“与以前在该领域的努力相比，我们采取了截然不同的方法。”“我们将热辐射器和太阳能反射器组合到一个设备中，从而使其性能更高，更坚固且实用。尤其让我们感到兴奋的是，这种设计使工业规模和离网应用都可行。”

使用经过工程设计的纳米光子材料，该团队能够强烈抑制面板吸收多少热量感应日光，而它在逃逸地球大气所必需的关键频率范围内非常有效地辐射热量。该材料由石英和碳化硅制成，它们都是非常弱的阳光吸收剂。

净冷却功率

新设备能够实现每平方米超过100瓦的净冷却功​​率。相比之下，当今标准的效率为10％的太阳能电池板产生的电量几乎相同。从理论上讲，这意味着范的辐射散热板可以在屋顶上代替，在屋顶上，现有的太阳能板可为建筑物的冷却所需的空调系统供电。

换句话说，在夏天最热的时候，只有10％的屋顶被辐射冷却板覆盖的典型的单层独栋房屋可以抵消35％的全部空调需求。

辐射冷却相对于其他冷却设备（例如空调）具有另一个深远的优势。它是一种被动技术。它不需要能量。它没有活动部件。易于维护。您将其放在屋顶或建筑物的侧面，即可立即开始工作。

不断变化的冷却视野

除了商业意义之外，范和他的合作者还预见了广泛的潜在社会影响。地球上的大部分人口生活在拥挤在赤道周围的阳光普照的地区。在这些地方，驱动空调的电力需求激增，这对经济和环境构成了挑战。这些地区往往很贫瘠，而驱动冷却所需的电力通常意味着化石燃料发电厂，加剧了温室气体的问题。

“除了这些地区，我们可以预见在发展中国家甚至无法进行空调的发展中国家电网地区的辐射冷却应用。有很多人可以从这种系统中受益。”范说。

出版物：Eden Rephaeli等人，“实现高性能的白天辐射冷却的超宽带光子结构”，Nano Lett。，2013，13（4），第1457–1461页； DOI：10.1021 / nl4004283

图像：诺伯特·冯·德·格罗本