一个新的系统可以在不需要电源的情况下提供被动冷却

2019-10-13 17:54:34

麻省理工学院的研究人员已经设计出一种新的方式,可以在炎热的晴天使用廉价的材料并且不需要化石燃料发电来提供冷却。被动系统可以用来补充其他冷却系统,以在炎热,离网的地方保存食物和药品,实质上是遮阳伞的高科技版本。

该系统允许在中红外光范围内散发热量,这些热量可以直接穿过大气层并辐射到外太空的寒冷中,直接穿透像温室一样的气体。为了防止阳光直射,设备上方悬挂的一小条金属条会阻挡太阳的直射光线。

研究科学家Bikram Bhatia,研究生Arny Leroy,机械工程教授,系主任Evelyn Wang,物理教授Marin Soljacic和麻省理工学院的六位研究人员本周在《自然通讯》杂志上对这种新系统进行了描述。

从理论上讲,他们设计的系统可以在像波士顿这样的地方提供比环境温度低20摄氏度(36华氏度)的冷却。到目前为止,在他们的初始概念验证测试中,他们已达到6 C(约11 F)的冷却。对于需要更多冷却的应用,其余部分可以通过常规制冷系统或热电冷却来实现。

研究人员已经尝试设计无源冷却系统,该系统以中红外波长的光辐射热量,但是这些系统基于复杂的工程光子器件,制造成本高昂,而且难以广泛使用。说。这些设备之所以复杂,是因为它们被设计为几乎完美地反射所有波长的日光,并且大部分时间仅发出中红外范围的辐射。选择性反射率和发射率的组合需要多层材料,其中层的厚度被控制为纳米精度。

但是事实证明,通过仅以直角放置一条窄条来遮挡直射的阳光,以覆盖太阳穿过天空的路径即可实现类似的选择性,而无需设备主动跟踪。然后,由廉价塑料薄膜,抛光铝,白色油漆和绝缘材料组合而成的简单设备可以通过中红外辐射释放必要的热量,这是大多数自然物体冷却的方式,同时防止设备发热被阳光直射加热。实际上,自古以来就使用简单的辐射冷却系统来实现夜间冷却。问题是这种系统在白天无法工作,因为阳光的加热效果至少是可达到的最大冷却效果的10倍。

但是,太阳的加热射线沿直线传播,很容易被遮挡-例如,在炎热的天气中,我们进入树的阴影时会遇到这种情况。通过基本上在上面盖上伞来遮蔽设备,并在设备周围加绝缘材料以保护设备免受周围空气温度的影响,研究人员使被动冷却变得更可行。

Bhatia说:“我们建立了装置,并在MIT屋顶上进行了户外实验。” “这是使用非常简单的材料完成的”,清楚地表明了该系统的有效性。

王说:“这看似简单。” “通过具有独立的阴影和向大气层的发射器-可以相对低成本的两个独立组件-该系统不需要选择性地发射和吸收的特殊能力。我们使用角度选择性来阻止直射的阳光,因为我们继续将载热的波长发射到天空。”

该研究合作者,该论文的合著者沉一晨说,该项目“激发了我们重新思考'阴影'的用法。” 他说:“过去,人们一直只是在考虑使用它来减少热量。但是现在,我们知道,如果将遮阳帘巧妙地与一些支持性的滤光器一起使用,它实际上可以用来冷却物体。”

Leroy说,该系统的一个限制因素是大气中的湿度,它可以阻止空气中的某些红外辐射。在像波士顿这样的地方,靠近海洋并且相对潮湿,这限制了可以实现的冷却总量,将其限制在20摄氏度左右。他指出,但在干燥的环境中,例如美国西南部地区或世界上许多沙漠或干旱环境中,可达到的最大冷却量实际上可能更大,可能高达40 C(72 F)。

虽然大多数辐射冷却研究都集中在可能用于冷却整个房间或建筑物的大型系统上,但这种方法更加局限,Wang说:“这对于制冷应用(如食品存储或疫苗)很有用。” 的确,保护疫苗和其他药物免受热带炎热环境的破坏是一项重大的持续挑战,这项技术可以很好地解决。

Wang说,即使系统不足以将温度一直降低到所需的水平,“至少可以减少电气制冷系统的负荷”,仅提供最后的冷却。

该系统对于某些类型的集中式光伏系统也可能有用,在这种系统中,镜子用于将太阳光聚焦在太阳能电池上以提高其效率。但是,此类系统很容易过热,并且通常需要使用流体和泵进行主动热管理。相反,这种集中系统的背面可以装配有被动冷却系统中使用的中红外发射表面,并且可以在没有任何主动干预的情况下控制加热。

随着他们继续致力于改善系统的工作,最大的挑战是寻找改善设备绝缘性的方法,以防止设备从周围空气中过度加热,同时又不妨碍其散热能力。勒罗伊说:“主要的挑战是找到能透过红外线的绝缘材料。”

该团队已为该发明申请了专利,并希望它能很快找到实际应用。

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