麻省理工學院新開發(fā)的一種新材料非常透明，幾乎看不見，它可以開啟太陽能熱的許多新用途。它產(chǎn)生的溫度比傳統(tǒng)太陽能收集器要高得多——足以用于家庭供暖或需要200多攝氏度(392華氏度)熱工業(yè)過程。

這一過程的關(guān)鍵是一種新型氣凝膠，一種主要由空氣組成的輕質(zhì)材料，其結(jié)構(gòu)由二氧化硅(也用于制造玻璃)制成。這種材料可以讓陽光很容易地通過，但卻阻止了太陽熱量的流失，其研究成果發(fā)表在《ACS Nano》上。

有效收集太陽能的關(guān)鍵是，能夠在保持外部溫度的同時保持內(nèi)部溫度。其中一種方法是利用一層玻璃和一種深色吸熱材料之間的真空，這是許多聚光太陽能收集器使用的方法，但安裝和維護相對昂貴。人們對尋找一種成本較低的被動系統(tǒng)非常感興趣，這種系統(tǒng)可以在空間加熱、食品加工或許多工業(yè)過程所需的較高溫度水平下收集熱量。氣凝膠是一種由二氧化硅顆粒制成的泡沫狀材料，多年來一直被開發(fā)為高效、輕質(zhì)的絕緣材料，但它們對可見光的透明度通常有限，傳輸率在70%左右。

開發(fā)一種透明的氣凝膠來收集太陽能是一個漫長而艱難的過程，幾位研究人員參與了大約四年的時間。但其結(jié)果是一種氣凝膠，在保持其高度絕緣性能的同時，可以穿透95%以上的入射陽光。制造氣凝膠的關(guān)鍵在于制造氣凝膠所用不同材料的精確比例。氣凝膠是將催化劑與含硅化合物顆?；旌显谝后w溶液中，形成一種凝膠，然后將其干燥以排出所有液體，留下的基質(zhì)主要是空氣，但保留了原始混合物的強度。

發(fā)現(xiàn)，制造一種比傳統(tǒng)氣凝膠干得快得多的混合物，會產(chǎn)生一種顆粒間孔隙更小的凝膠，因此散射的光要少得多。在麻省理工學院(MIT)校園屋頂上進行的測試中，一種由一層新型氣凝膠覆蓋的黑色吸熱材料構(gòu)成的被動裝置溫度能夠達到并保持220攝氏度，當時正值劍橋冬季，室外空氣溫度低于0攝氏度。在此之前，這種高溫只能通過使用聚光系統(tǒng)來實現(xiàn)，這種聚光系統(tǒng)使用鏡子將陽光聚焦到中心線或中心點上，但這種系統(tǒng)不需要聚光，因此更簡單，成本也更低。

這有可能使它在需要更高熱量的各種應用中發(fā)揮作用，例如，簡單的屋頂集熱器通常用于家庭熱水，產(chǎn)生的溫度約為80攝氏度，但氣凝膠系統(tǒng)提供的較高溫度可以使這種簡單系統(tǒng)用于家庭供暖，甚至為空調(diào)系統(tǒng)供電。大規(guī)模的版本可以用于為化學、食品生產(chǎn)和制造過程中的各種應用提供熱量。研究人員將氣凝膠層的基本功能描述為“類似溫室效應”。用來提高溫度的材料就像地球大氣層提供絕緣一樣，但這是一個極端的例子。

在大多數(shù)情況下，無源集熱系統(tǒng)將連接到含有液體的管道上，液體可以循環(huán)將熱量傳遞到任何需要的地方。另一種選擇是，對于某些用途，該系統(tǒng)可以連接到熱管，這種裝置可以在不需要泵或任何移動部件的情況下遠距離傳輸熱量。由于原理本質(zhì)上是相同的，基于氣凝膠的太陽能集熱器可以直接取代一些現(xiàn)有應用中使用基于真空的集熱器，從而提供一種成本更低的選擇。制作氣凝膠所用的材料都是豐富而廉價，這個過程中唯一昂貴的部分是干燥。

這需要一個稱為臨界點干燥器的專門設(shè)備，是一個非常精確的干燥過程，從凝膠中提取溶劑，同時保持其納米級結(jié)構(gòu)。因為這是一個批量生產(chǎn)的過程，而不是一個可以用于卷對卷生產(chǎn)的連續(xù)生產(chǎn)過程，如果該系統(tǒng)擴大到工業(yè)生產(chǎn)水平，可能會限制生產(chǎn)速度。擴大規(guī)模的關(guān)鍵是如何降低這一過程成本。但即使是現(xiàn)在，初步的經(jīng)濟分析表明，該系統(tǒng)在某些用途上在經(jīng)濟上是可行的，特別是與基于真空的系統(tǒng)相比。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《ACS Nano》

DOI: 10.1021/acsnano.9b02976

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