一種透光率可達95%的新型氣凝膠能夠大幅提升光熱轉換溫度和效率
發布者:lzx | 來源:高分子科技 | 0評論 | 502查看 | 2019-07-04 10:24:04    

太陽能光熱利用因其低成本、易儲能、理論效率高等優點,成為當前科學研究和商業化的熱點技術。太陽能光熱轉換中的重要一步是將太陽光高效地轉換為高溫熱能。目前,研究者主要通過提高光學系統聚光比,設計高效太陽能光熱吸收板并配合真空管來達到這一目的。


但是精密的控制機制、復雜的加工工藝、嚴苛的氣密性要求等因素制約了其進一步的大規模應用。因此,如何在無需高聚光比、特殊吸收板和真空的條件下實現高溫、高效的太陽能光熱轉換成為了一個亟待解決的難點。


陳剛教授和Evelyn Wang教授團隊共同研發了一種新型高透光、低導熱的二氧化硅氣凝膠,大幅提高了無聚光、非真空條件下的光熱轉換溫度和效率。基于傳統的溶膠-凝膠合成工藝,通過優化孔隙和粒徑大小,這種新型氣凝膠透光率達到95%以上,肉眼甚至難以察覺該氣凝膠的存在。


同時,這種新型氣凝膠繼承了傳統非透明氣凝膠的高孔隙率,低密度和低熱導率的特點。由于其特殊的光學和熱學性質,這種新型氣凝膠可以大幅降低傳統光熱轉換系統的熱損失,并提高系統的工作溫度(圖1)。


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圖1:通過提升透光率和降低熱損失,新型高透光隔熱氣凝膠大幅提高光熱轉換的溫度和效率。


經過長期的探索,由陳剛教授和Evelyn Wang教授帶領的團隊研發了一種快速水解沉淀(Rapid-hydrolysis-condensation)制備二氧化硅氣凝膠的方法。該方法可以精細調控氣凝膠孔隙和粒徑大小。由于傳統氣凝膠中較大的孔徑和粒徑(~20nm)會嚴重地散射可見光,尤其是波長較短的藍色光,傳統氣凝膠會呈現出淡藍色的半透明狀(透光率~70%)。經過系統性地制備參數優化,該團隊大幅度縮小了二氧化硅氣凝膠的孔徑和粒徑(~6nm)并成功實現了大面積、單片、高透光氣凝膠的制備(圖2)。這種新型氣凝膠同時具有低密度(100-200kg/m3)、低熱導率(0.02-0.1W/mK)和耐高溫(700°C)等特點。


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圖2:高透光氣凝膠樣品與玻璃載玻片透明度對比,(a)光學照片,(b)紫外-可見光-近紅外光譜


利用這種新型氣凝膠,該團隊實現了自然太陽光(非聚光)、無真空條件下獲得265°C(室內)和220°C(冬季室外,圖3)高溫的試驗結果。這一成果開辟了一條太陽能光熱利用的新思路。例如,傳統非聚光太陽能集熱器被大量應用于家用熱水器。通過加入這種新型氣凝膠,這些低成本太陽能集熱器不再受限于提供熱水(~80°C),而是可以提供價值更高的工業用熱、冬季取暖用熱等等。通過進一步優化和規模化生產,這種新型氣凝膠的生產成本有望大幅降低,使其擁有更加廣闊的應用前景。


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圖3:(a)氣凝膠太陽能光熱收集裝置戶外試驗照片(地點:麻省理工學院樓頂平臺),(b)試驗過程中太陽能吸收板溫度,環境溫度和太陽輻射強度數據


以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200°C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”為題發表在ACS Nano。論文的第一作者為麻省理工學院博士生趙霖,共同通訊作者為麻省理工學院的陳剛教授和Evelyn Wang教授。關于這種新型氣凝膠的制備、理論計算和其他應用的相關文獻已發表于Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。

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