新型工程材料可以冷却屋顶结构零能耗

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当应用于表面时，超材料薄膜可以有效地将入射的太阳能反射回太空，同时允许表面以红外热辐射的形式散发热量，从而冷却下面的物体。

今天的《科学》(科学)杂志介绍了这种新材料，它可以为火电厂提供一种环保的辅助冷却方式。目前火力发电厂需要大量的水和电来维持机器的运行温度。

研究人员的玻璃-聚合物混合材料只有50微米厚，——比厨房里的铝箔略厚，并且可以在纸卷上经济地生产，这使其成为大规模住宅和商业应用的潜在可行技术。

“我们相信这种低成本的制造工艺将改变这种辐射冷却技术在现实世界中的应用，”该研究的联合主任、科罗拉多大学博尔德分校机械工程和材料科学与工程项目系助理教授尹晓波说。2015年，尹获得国防部高级研究计划局颁发的青年教师奖。

这种材料采用被动辐射散热，即物体以红外辐射的形式自然散热，不消耗能量。热辐射提供了一些自然的夜间冷却，用于一些地区的住宅冷却，但白天冷却是历史上更大的挑战。对于暴露在阳光下的结构，即使是少量直接吸收的太阳能也足以抵消被动辐射。

因此，科罗拉多大学博尔德分校研究人员面临的挑战是创造一种可以产生双重影响的材料3360，以将任何进入的太阳光线反射回大气，同时还提供一种逃避红外辐射的方法。为了解决这个问题，研究人员将可见散射但红外辐射的玻璃微球嵌入聚合物薄膜中。然后，他们在它下面添加了一层薄银涂层，以实现最大的光谱反射率。

杨，他也是机械工程教授和机械工程师学会成员，补充说：“玻璃聚合物超材料和银涂层的形成是在卷到卷工艺中大规模生产的。”

在科罗拉多州博尔德和亚利桑那州凯夫克里克的实地测试中，这种超材料已经成功证明其72小时的平均辐射冷却功率大于110W/m2，在中午阳光直射下的平均辐射冷却功率大于90W/m2。这种冷却功率大致相当于在类似地区使用太阳能电池产生的功率，但辐射冷却的优势是昼夜连续运行。

“通过在屋顶上放置10到20平方米的这种材料，它可以在夏天很好地冷却单户住宅，”怀俄明大学土木与建筑工程系副教授、论文的合著者Gang Tan说。

除了用于冷却建筑物和发电厂，这种材料还可以帮助提高太阳能电池板的效率和寿命。在阳光直射的情况下，太阳能电池板可能会过热，从而影响其将阳光转化为电能的能力。

尹：说：“只要将这种材料应用到太阳能电池板的表面，我们就可以冷却电池板，并恢复1%到2%的太阳能效率。”“这在规模上造成了很大的差异。”

这些工程师已经为这项技术申请了专利，并与科罗拉多大学博尔德分校的技术转移办公室合作，探索潜在的商业应用。他们计划于2017年在博尔德建造一个200平方米的“冷却农场”原型。

这项发明是2015年美国能源部高级研究计划局(ARPA-E)给予杨、尹、唐300万美元资助的结果。

杨：“这项技术的关键优势在于，它可以在没有电和水的情况下全天工作。我们很高兴有机会探索电力工业、航空航天和农业领域的潜在应用。”

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