一套系统的辐射冷却和太阳能供热–无需供电

该系统在阳光直射的室外环境中将测试系统内部的温度降低了12摄氏度（22华氏度）以上。

研究描述了被动式冷却系统，该系统旨在帮助贫困社区，降低制冷和供暖成本，降低二氧化碳排放量。

像树所提供的阴影一样，被动冷却一直存在。

最近，研究人员一直在探索如何利用防晒的，从建筑物屋顶散发出热量的纳米材料为被动冷却技术（称为辐射冷却或天空冷却）进行涡轮增压。尽管取得了进步，但这种环保技术并不常见，因为研究人员一直在努力最大限度地提高材料的冷却能力。

布法罗大学工程师领导的新研究在这一领域取得了重大进展。

2021年2月8日发表在《细胞报告物理科学》杂志上的一项研究描述了一种独特设计的辐射冷却系统，该辐射冷却系统具有：

将室外阳光直射的环境中的测试系统的温度降低12摄氏度（22华氏度）以上，将用于模拟夜晚的实验室中的测试箱温度降低14摄氏度以上（ 25华氏度）。同时捕获了足够的太阳能，可用于将水加热到大约60摄氏度（140华氏度）。

工程师说，虽然测试的系统只有70平方厘米（27.5英寸）平方，但最终可以扩大规模以覆盖屋顶，目的是减少社会对化石燃料进行冷却和加热的依赖。它还可以帮助电力供应有限的社区。

这项研究的主要作者，UB工程与应用科学学院电气工程教授乔巧强博士说：“在我们的日常生活中，尤其是在变暖的世界中，非常需要加热和冷却。”

研究团队包括威斯康星大学麦迪逊分校的于宗夫博士。 Boon Ooi，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）博士；以及UB的Gan实验室和KAUST的Ooi实验室的成员。

既提供辐射冷却又提供太阳能供暖的新技术，全部都是一个系统，并且无需使用电力或燃料。

系统设计和材料是成功的关键

该系统主要由两个反射镜组成，它们由10个极薄的银和二氧化硅层制成，并以V形放置。

这些镜子吸收入射的阳光，将可见光和近红外波中的太阳能转化为热量。镜子还反射来自“发射器”（两个镜子之间的垂直框）的中红外波，然后反射它们携带到天空中的热量。

甘说：“由于中央散热器的两个表面的热量散发到天空，因此该散热器上的局部冷却功率密度增加了一倍，从而导致了创纪录的高温降低。”

甘说：“大多数辐射冷却系统会散射太阳能，这限制了系统的冷却能力。”“即使选择了理想的光谱，在环境温度为25摄氏度的情况下，冷却功率的上限约为每平方米160瓦特。相比之下，这些系统顶部的太阳能约为每平方米1000瓦特。简直是浪费。”

分拆公司旨在将技术商业化

Gan联合创立了一家分拆公司Sunny Clean Water LLC，该公司正在寻找合作伙伴将该技术商业化。

“我们系统的关键创新之一是能够在单个系统中分离并保留不同组件中的太阳能和辐射冷却能力，”第一作者，工程学院电气工程博士学位候选人Lyu Zhou说道。应用科学。“在夜晚，辐射冷却很容易，因为我们没有太阳能输入，因此热量散发出去，我们很容易实现辐射冷却。但是白天降温是一个挑战，因为阳光明媚。在这种情况下，您需要找到策略将太阳能加热与冷却区域分开。”

这项工作是建立在Gan先前实验室领导的研究基础上的，该实验室涉及创建一个锥形系统，以在拥挤的城市中实现无电制冷，以适应气候变化。

“新的双面体系结构实现了创纪录的局部制冷功率密度，超过每平方米280瓦。在没有真空隔热的标准大气压下，我们在实验室环境中将温度降低了14.5摄氏度，在室外环境中使用简单的实验系统将温度降低了12摄氏度。”作者，宋浩民博士，工程与应用科学学院电气工程研究助理教授。

“重要的是，我们的系统不只是浪费太阳能输入能量。取而代之的是，太阳能被太阳光谱选择镜吸收，可以用于太阳能热水，在发展中国家被广泛用作节能设备。”“它可以在不需要电力的单个系统中同时保留太阳能和辐射冷却效果。这真的是一种“魔术”的冰与火系统。

研究小组将继续研究改善技术的方法，包括研究如何捕获足够的太阳能以煮沸水，使其适合饮用。

参考：周雨，宋浩敏，张楠，雅各布·拉达，马修·辛格，张华凡，Boon S. Ooi，余宗富和甘巧强的“混合集中式辐射制冷和太阳能供热系统”，2021年2月8日，Cell Reports Physical科学.DOI：
10.1016 / j.xcrp.2021.100338

这项工作得到了美国国家科学基金会热传输过程计划的资助。