智能涂層實現 24小時全天候冷熱能量捕獲與利用

科技日報訊 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學了解到，該校工程學院教授裴剛與國家同步輻射實驗室研究員鄒崇文團隊合作，提出了一種全新的能量利用方法，該方法分別以太陽和太空為熱源和冷源，巧妙利用光譜自適應智能涂層來解決光熱轉換過程和輻射制冷過程的光譜沖突，實現24小時全天候的冷熱能量捕獲和利用。相關研究成果近日發表在國際期刊《美國科學院院刊》上。

從熱力學的角度來看，太陽和太空是地球能量循環的終極熱源和終極冷源。光熱轉換通過對太陽輻射直接利用，獲得高溫熱能；而天空輻射制冷可以將地表能量以紅外輻射形式通過大氣窗口直接發射至低溫太空，獲得低溫冷量，實現對深空低溫的超遠距直接利用。然而，目前的光熱轉換和天空輻射制冷都依賴于靜態的光譜選擇性涂層，但兩種過程存在紅外光譜沖突，目前技術都是對單一目標、單一功能的利用。

基于此，研究團隊創新性地提出利用光譜自適應調控機制對太陽熱源和太空冷源進行時間解耦，突破目前對太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。科研人員研制了一種基于二氧化釩相變材料的多層膜光譜選擇性自適應涂層，該涂層在白天太陽輻照下處于金屬態，整體涂層太陽吸收率為0.89，紅外發射率僅為0.25，表現為光熱吸收特性；在夜間無輻照條件下，處于絕緣態，涂層在大氣窗口波段具有高的發射率，在其余中紅外波段具有低的發射率，表現為輻射制冷特性。實測結果表明，該器件表面溫度在白天可以比環境溫度高170℃，在夜間可以比環境溫度低20℃，具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自適應功能。器件可以24小時全天候運行，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。

這一研究結果為基于太陽熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑，該技術可以廣泛應用于建筑節能、光伏冷卻、熱電轉換以及深空探索等領域。