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麻省理工开发出新材料:从阳光中收集热量,能达220摄氏度!

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麻省理工学院新开发的一种新材料非常透明,几乎看不见。它可以开辟太阳能的许多新用途。它产生的温度比传统的太阳能集热器高得多,这对于需要超过200摄氏度(392华氏度)的家庭供暖或工业过程来说是足够的。这一过程的关键是一种新型气凝胶,一种主要由空气组成的轻质材料,其结构由二氧化硅制成(也用于制造玻璃)。这种材料允许阳光容易通过,但它防止了太阳热量的损失。其研究结果发表于《ACS Nano》。

有效收集太阳能的关键是在保持外部温度的同时保持内部温度。一种方法是利用玻璃层和深色吸热材料之间的真空。这是许多聚光太阳能集热器使用的方法,但安装和维护相对昂贵。人们对寻找一种低成本的被动式系统非常感兴趣,这种系统可以在空间加热、食品加工或许多工业过程所需的较高温度水平下收集热量。

气凝胶是一种由二氧化硅颗粒制成的泡沫状材料,多年来已发展成为一种高效轻质的绝缘材料,但其对可见光的透明度通常有限,透光率约为70%。开发一种透明气凝胶来收集太阳能是一个漫长而困难的过程,几名研究人员参与了大约四年。然而,结果是气凝胶可以穿透超过95%的入射阳光,同时保持其高绝缘性能。

制造气凝胶的关键在于用于制造气凝胶的不同材料的精确比例。气凝胶是一种凝胶,是将催化剂和含硅化合物颗粒混合在液体溶液中,然后干燥以排出所有液体而形成的。剩余的基质主要是空气,但保持了原始混合物的强度。人们发现,产生一种比传统气凝胶干燥得快得多的混合物会产生一种颗粒间孔隙更小的凝胶,从而散射的光更少。

在麻省理工学院校园屋顶进行的测试中,一种由黑色吸热材料制成的被动装置被一种新型气凝胶覆盖,当剑桥冬季室外气温低于0摄氏度时,该装置能够达到并保持220摄氏度的温度。在此之前,这种高温只能通过使用聚光系统来实现,该系统使用镜子将阳光聚焦在中心线或中心点上,但是该系统不需要聚光,因此它更简单且更便宜。

这可以使它在各种需要高热的应用中发挥作用。例如,简单的屋顶收集器通常用于家庭热水,产生大约80摄氏度的温度。然而,气凝胶系统提供的较高温度可以使这种简单的系统用于家庭取暖,甚至用于空调系统的供电。大规模版本可用于为化学、食品生产和制造过程中的各种应用提供热量。研究人员将气凝胶层的基本功能描述为“类似于温室效应”

用于提高温度的材料与地球大气提供的隔热材料相同,但这是一个极端的例子。在大多数情况下,被动集热系统将连接到一个包含液体的管道,该管道可以循环并将热量传递到任何需要的地方。另一种选择是,对于某些应用,该系统可以连接到热管,热管可以远距离传热,而不需要泵或任何移动部件。

由于原理基本相同,基于气凝胶的太阳能集热器可以直接替代一些现有应用中使用的基于真空的集热器,从而提供更低成本的选择。用来制造气凝胶的材料既丰富又便宜,而这个过程中唯一昂贵的部分就是干燥。这需要一种叫做临界点干燥器的特殊设备,这是一种非常精确的干燥过程,可以从凝胶中提取溶剂,同时保持其纳米级结构。

因为这是一个批量生产过程,而不是可用于批量生产的连续生产过程,如果系统扩展到工业生产水平,生产速度可能会受到限制。扩大规模的关键是如何降低这一过程的成本。但即使是现在,初步的经济分析表明,该系统在某些应用中是经济可行的,特别是与基于真空的系统相比。

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