一种透光率可达95%的新型气凝胶能够大幅提升光热转换温度和效率
发布者:lzx | 来源:高分子科技 | 0评论 | 562查看 | 2019-07-04 10:24:04    

秒速时时彩官网太阳能光热利用因其低成本、易储能、理论效率高等优点,成为当前科学研究和商业化的热点技术。太阳能光热转换中的重要一步是将太阳光高效地转换为高温热能。目前,研究者主要通过提高光学系统聚光比,设计高效太阳能光热吸收板并配合真空管来达到这一目的。


秒速时时彩官网但是精密的控制机制、复杂的加工工艺、严苛的气密性要求等因素制约了其进一步的大规模应用。因此,如何在无需高聚光比、特殊吸收板和真空的条件下实现高温、高效的太阳能光热转换成为了一个亟待解决的难点。


秒速时时彩官网陈刚教授和Evelyn Wang教授团队共同研发了一种新型高透光、低导热的二氧化硅气凝胶,大幅提高了无聚光、非真空条件下的光热转换温度和效率。基于传统的溶胶-凝胶合成工艺,通过优化孔隙和粒径大小,这种新型气凝胶透光率达到95%以上,肉眼甚至难以察觉该气凝胶的存在。


秒速时时彩官网同时,这种新型气凝胶继承了传统非透明气凝胶的高孔隙率,低密度和低热导率的特点。由于其特殊的光学和热学性质,这种新型气凝胶可以大幅降低传统光热转换系统的热损失,并提高系统的工作温度(图1)。


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图1:通过提升透光率和降低热损失,新型高透光隔热气凝胶大幅提高光热转换的温度和效率。


经过长期的探索,由陈刚教授和Evelyn Wang教授带领的团队研发了一种快速水解沉淀(Rapid-hydrolysis-condensation)制备二氧化硅气凝胶的方法。该方法可以精细调控气凝胶孔隙和粒径大小。由于传统气凝胶中较大的孔径和粒径(~20nm)会严重地散射可见光,尤其是波长较短的蓝色光,传统气凝胶会呈现出淡蓝色的半透明状(透光率~70%)。经过系统性地制备参数优化,该团队大幅度缩小了二氧化硅气凝胶的孔径和粒径(~6nm)并成功实现了大面积、单片、高透光气凝胶的制备(图2)。这种新型气凝胶同时具有低密度(100-200kg/m3)、低热导率(0.02-0.1W/mK)和耐高温(700°C)等特点。


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秒速时时彩官网图2:高透光气凝胶样品与玻璃载玻片透明度对比,(a)光学照片,(b)紫外-可见光-近红外光谱


秒速时时彩官网利用这种新型气凝胶,该团队实现了自然太阳光(非聚光)、无真空条件下获得265°C(室内)和220°C(冬季室外,图3)高温的试验结果。这一成果开辟了一条太阳能光热利用的新思路。例如,传统非聚光太阳能集热器被大量应用于家用热水器。通过加入这种新型气凝胶,这些低成本太阳能集热器不再受限于提供热水(~80°C),而是可以提供价值更高的工业用热、冬季取暖用热等等。通过进一步优化和规模化生产,这种新型气凝胶的生产成本有望大幅降低,使其拥有更加广阔的应用前景。


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图3:(a)气凝胶太阳能光热收集装置户外试验照片(地点:麻省理工学院楼顶平台),(b)试验过程中太阳能吸收板温度,环境温度和太阳辐射强度数据


以上成果以“Harnessing Heat Beyond 200°C from Unconcentrated Sunlight with Nonevacuated Transparent Aerogels”为题发表在ACS Nano。论文的第一作者为麻省理工学院博士生赵霖,共同通讯作者为麻省理工学院的陈刚教授和Evelyn Wang教授。关于这种新型气凝胶的制备、理论计算和其他应用的相关文献已发表于Joule,Optics Express,Journal of Non-Crystalline Solids等期刊。

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