一种低成本更简单更环保的太阳热能转化方法

2019-10-18 10:09:17

由哥伦比亚工程学院材料科学与工程学助理教授袁扬带领的研究人员,以及哥伦比亚大学和斯坦福大学化学系的同事们,已经开发出了一种新的,可扩展且低成本的“浸入式干燥”方法用于制造高效的选择性太阳能吸收器(SSA),该吸收器可以利用并将阳光转化为热能,用于从取水,产生蒸汽到住宅取暖的各种能源相关应用。

该团队的方法在8月28日发表在《先进材料》上的新论文“用于高效太阳能热能转换的可伸缩,'干式'制造等离子宽广选择性等离子体吸收器”中进行了概述。

作者确定,通过广角设计,通过它们的方法制成的等离子体纳米涂层箔的性能与现有的SSA相同或更好,并且无论太阳的角度如何,全天都能保持高效率。他们提出,简单,廉价且环保的工艺是当前SSA制造方法的一种有吸引力的替代方法。

元阳说:“我们看到了一种快速,廉价,可持续的高性能SSA制造方法的需求未得到满足。” “我们感到高兴的是,我们相对简单的过程所产生的SSA与其他研究报告的商业SSA和设计水平相当。据我们所知,这是首次使用这种过程制造等离子SSA,并且具有可扩展性和成本。这种方法使我们更接近使太阳能成为更多人的实际现实。”

收集阳光以获取可再生能源仍然是科学家的主要目标。太阳能热转换器可以吸收整个太阳能光谱中的光,并以非常高的效率将其转换为热能,为太阳能的收集提供了非常有前途的途径。然而,以低成本实现高效的太阳热转换仍然是一个挑战。

作为太阳能热转换器的表面组件,SSA是理想的,因为它们对太阳辐射和热辐射具有相反的光学特性。它们在所有颜色的阳光下(从紫外线到可见光,再到近红外光)都非常黑,因此可以吸收几乎所有的光并变得非常热。但是,与普通的黑色表面不同,当涉及到热辐射(中红外到远红外光)时,它们是金属的,即非发射性的。因此,热量不会因为辐射而散失,可以用于例如加热水或产生蒸汽。

大多数SSA是使用更复杂,耗能大或危险的制造工艺(例如真空沉积或电镀)制成的。这增加了环境足迹和成本,同时限制了它们的可访问性。作为制造SSA的基础,浸渍和干燥工艺是一种有吸引力的选择,因为它可产生高效的SSA,同时避免了其他方法带来的成本和环境危害。

通过与哥伦比亚工程实验室空间和哥伦比亚纳米计划(CNI)的仪器和设施合作,研究人员能够使用廉价的工艺制造金属基等离子体SSA,该工艺可以调整SSA以适应不同的工作条件,并且与工业生产兼容制造方法。

通过将涂覆有反应性金属(锌)的金属条浸入含有反应性较低的金属(铜)离子的溶液中,可以通过电置换反应在锌条上轻松形成铜的太阳能吸收纳米颗粒。

该研究的主要作者,元阳研究小组的一名博士生Jyotirmoy Mandal说:“这一过程的美妙之处在于它可以非常简单地完成。” “我们只需要金属条,剪刀即可将其切成一定尺寸,在烧杯中放入盐溶液,还可以使用秒表来计时浸入过程。”

SSA的角度广,可解决太阳能吸收表面面临的另一个长期问题:从日出到日落全天吸收太阳光的能力。在测试中,与现有设计相比,所得的SSA在所有角度均显示出明显更高的太阳吸收率(当太阳高于时,吸收率约为97%,接近地平线时约为80%)。

未参与这项研究的科罗拉多大学博尔德分校机械工程系教授兼SP Chip和Lori Johnson教职研究员Ronggui Yang指出,在获得广角高吸光率材料时,存在重大挑战。低热发射率。

他说:“低成本和可扩展的方法受到了许多研究人员的追捧。” “杨的研究团队展示了一种基于“浸涂-干燥”技术的可扩展且环保的工艺,这让我感到非常兴奋。他们耐用且高性能的等离激元太阳能吸收器将立即应用于太阳能系统。”

该团队计划测试除锌铜和锌银以外的其他金属组合,并探索进一步提高效率的方法。他们对在发展中国家将简单且负担得起的过程用于太阳能转换的潜力感到特别兴奋。

曼达尔说:“对于科学家来说,找到切实可行的方法来解决最严重的社区(如南亚)中与能源和环境有关的问题至关重要。”

杨说:“这是一个有前途的例子,说明如何以相对简单,便宜和可持续的方式开发用于能源相关应用的新型光学表面。” “易于制造的太阳能吸收器可能在实现可再生能源的未来中发挥重要作用。”

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