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(yīng)的特種圖層，廣泛運(yùn)用與太陽能光熱轉(zhuǎn)換，例如太陽能熱水器、太陽能發(fā)電等。幾十年來選擇性吸收圖層一直是太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)“冷熱雙吸”，并且無需外部能源消耗，就能持續(xù)捕獲利用太陽和深空的冷熱能量，在同一個材料上實(shí)現(xiàn)“冷熱同體”呢？
太陽和太空是地球能量循環(huán)的終極熱源和終極冷源。光熱轉(zhuǎn)換通過對太陽輻射直接利用，獲得高溫?zé)崮?。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(fā)射至低溫太空，獲得低溫冷量，實(shí)現(xiàn)對深空低溫的超遠(yuǎn)距直接利用。然而，目前的光熱轉(zhuǎn)換和天空輻射制冷都依賴于靜態(tài)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(shù)都是對單一目標(biāo)、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(xué)技術(shù)大學(xué)工程學(xué)院太陽能光熱綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裴剛教授，與該校核科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄒崇文研究員聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性提出利用光譜自適應(yīng)調(diào)控機(jī)制對太陽熱源和太空冷源進(jìn)行時(shí)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(tuán)隊(duì)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(yīng)涂層，該涂層在白天太陽輻照下處于金屬態(tài)，整體涂層太陽吸收率為0.89，紅外發(fā)射率僅為0.25，表現(xiàn)為光熱吸收特性；在夜間無輻照條件下，處于絕緣態(tài)，涂層在大氣窗口波段具有高的發(fā)射率，在其余中紅外波段具有低的發(fā)射率，表現(xiàn)為輻射制冷特性。
研究團(tuán)隊(duì)解決了光熱轉(zhuǎn)換和輻射制冷存在的紅外光譜沖突，并分別強(qiáng)化其性能，在同一個材料上實(shí)現(xiàn)‘冷熱同體’，優(yōu)化了空間和成本。實(shí)測結(jié)果表明，使用了多層膜光譜選擇性自適應(yīng)涂層的實(shí)驗(yàn)器件，表面溫度在白天可以比環(huán)境溫度高170℃，在夜間可以比環(huán)境溫度低20℃，具有白天光熱轉(zhuǎn)換、夜間輻射制冷的自適應(yīng)功能。器件可以24小時(shí)全天候運(yùn)行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。
該項(xiàng)研究不僅發(fā)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(xué)薄膜和光子晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(shù)的研究，通過高性能光譜選擇性涂層的開發(fā)、低熱損系統(tǒng)研制以及輻射傳輸路徑優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于建筑節(jié)能、光伏冷卻、熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、緩解地球溫室效應(yīng)等具有積極意義。未來還可用于深空探索，供應(yīng)太空基地能源等方面發(fā)揮作用。
(資料來源：科技日報(bào))