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不需要用电的冷却系统

发布时间:2019-03-18 09:18:18

它看上去就像是个普通的屋顶,但是斯坦福大学帕卡德电气工程大楼的楼顶却是冷却技术创新发展的一个里程碑,并将在某天成为我们日常生活的一部分。自2013年以来,电气工程学教授范汕洄(Shanhui Fan)和他的学生、研究助理们一起将这片屋顶开发成为某种高科技镜面光学表面的试验台,并希望能在未来给我们带来低能耗的空调和制冷系统。

一项2014年的研究首次显示光学表面自身的冷却能力。现在,范和前助理研究员阿斯沃斯·拉曼(Aaswath Raman)以及伊莱·戈德斯坦(Eli Goldstein)共同展示了使用这种表面的系统能将水流的温度降到周围空气的温度以下。而整个冷却过程不需要用电。

“这项研究建立在我们之前关于辐射天空冷却研究的基础上,但将其应用发展到了下一个阶段。它次通过高保真技术演示了如何利用辐射天空冷却来被动冷却液体,通过这样做,能将其与冷却系统结合到一起来节约电能。”拉曼这样表示说,他是详细介绍这项技术的那篇论文的主要共同作者,论文在9月4日发表于《自然·能源》上。

范和戈德斯坦,拉曼一起创立了SkyCool Systems 公司,致力于继续测试这项技术,并将其商业化。

将我们的热量送到太空

辐射天空冷却是一个自然过程,每个人,每个物体都会经历,这是源于分子释放热量的那些瞬间。你能在日落后,道路冷却放出热量时亲眼目睹它。这种现象在无云的夜晚尤为明显,因为在没有云层时,我们自己和周围物体的热量都更容易通过辐射穿过地球大气层,延伸传递到浩瀚寒冷的太空中。

本文的主要作者,范解释说:“如果你有很冷的东西——例如宇宙——而你要将热量分散到它内部,那你不用任何电力或者做功,热自然而然的就会流动过去。鉴于这一原因,大量的热从地球上流入到宇宙中。”

虽然我们自己的身体通过天空和周围环境的辐射冷却作用释放出热量,但我们都知道,阳光明媚,天气炎热的日子里,辐射天空冷却却是名不副实。这是因为阳光给你带来的温暖比辐射天空冷却带走的热量更多。为了解决这一问题,该小组在表面上加了一种多层光学薄膜,可以反射大约97%的太阳光,同时通过大气持续散发掉表面的热量。由于没有阳光中热量的参与,辐射天空冷却效应甚至能在晴朗的天气下将温度降到比周围环境空气温度更低的水平。

“有了这项技术,限制我们的将不再是周围环境空气的温度,而是更冷的东西——天空和宇宙的温度,”戈德斯坦这样表示说。他也是这篇论文的主要共同作者。

2014年发表的实验是借助一个直径约8英寸的多层光学表面进行的,它只展示了这种光学表面自身的冷却状况。自然而言,下一步就是将这项技术规模化,看看它如何能作为一个更大的冷却系统的一部分去进行工作。

辐射天空冷却投入使用

在他们的论文中,研究人员创建了一个系统,把涂了这种特殊光学表面的面板放到自来水管上面,并于2015年9月在帕卡德电气工程大楼的楼顶进行了测试。这些面板每边边长两英寸多,研究人员一次运行四个这样的面板。他们发现,随着水流以相对较快的速度流过,这些面板在三天内能始终将水温降到比周围环境低3到5摄氏度的水平上。

研究人员还将这个实验的数据运用到了一个数值模拟过程中,在这个模拟中他们的面板将被覆盖到拉斯维加斯一栋两层高的商业办公楼的楼顶,并被接入冷却系统。拉斯维加斯是个炎热干燥的地方,他们的面板能在那样的地方发挥出的效果。他们要计算出,如果用蒸发制冷循环系统替代传统的空冷制冷机,并让系统内的冷凝器使用他们这种面板进行冷却,将能节省多少电。他们发现,在夏季那几个月中,面板冷却系统将节省下14.3兆瓦的电力,这意味着用于冷却建筑物的电力将减少21%。在整个一段时间中,

不需要用电的冷却系统

每日节省的电力将在18%到50%之间进行波动。

触手可得的未来

现在,SkyCool Systems 正在一处测试设备中测量如果将这种节能面板集成到传统的空调和制冷系统中,又将能节省多少能源。戈德斯坦和拉曼都乐观地认为,这一技术将在接下来的日子里具有广泛的适用前景。研究人员致力于将他们的面板造的更容易与标准空调和制冷系统集成起来,他们特别希望能将自己的技术运用到冷却数据中心这一严肃的任务上。

范还对辐射冷却技术的其他方面进行了研究。他和拉曼把辐射天空冷却的概念应用到了太阳能电池的增效涂层上。范和斯坦福大学材料科学与工程学教授,SLAC国家加速器实验室光子科学家崔屹一起发明了一种冷却织物。

他说:“把宇宙看作是一个巨大的冷却源,利用这一点,带来了许多新奇有趣的创意,这一切都是多么迷人!”

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