新型工程材料可以冷却屋顶结构零能耗

科罗拉多大学博尔德分校的一组工程师开发了一种可伸缩的人造超材料——一种具有自然界所没有的非凡性能的工程材料——作为一种建筑空调系统。它有能力冷却物体，即使在阳光直射下，不消耗任何能量和水。

当应用于表面时，超材料薄膜通过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，从而为下面的物体降温。

今天的《科学》(Science)杂志上介绍了这种新材料，它可以为热电厂提供一种环保的辅助冷却手段。目前，热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——比厨房里的铝箔稍微厚一点——而且可以经济地在纸卷上生产，这使它成为一种潜在的可行的大规模住宅和商业应用技术。

“我们认为，这种低成本的制造过程将改变这种辐射冷却技术在现实世界的应用，”该研究的联合主任、科罗拉多大学博尔德分校机械工程系和材料科学与工程项目的助理教授尹晓波说。2015年，尹获得美国国防部高级研究计划局青年教师奖。

这种材料利用了被动辐射冷却，即物体以红外辐射的形式自然散热，而不消耗能量。热辐射提供了一些自然的夜间冷却，在一些地区被用于住宅冷却，但是白天的冷却在历史上是一个更大的挑战。对于暴露在阳光下的结构，即使是少量的直接吸收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的研究人员面临的挑战是创造一种能产生双重冲击的材料:将任何射入的太阳光线反射回大气，同时仍能提供一种逃离红外线辐射的途径。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到聚合物薄膜中。然后他们在下面添加了一层薄薄的银色涂层，以达到最大的光谱反射率。

同样是机械工程教授和美国机械工程师协会会员的杨荣贵补充道:“玻璃聚合物超材料的形成和银涂层都是在卷对卷的过程中大规模生产的。”

在科罗拉多州的Boulder和亚利桑那州的Cave Creek进行的现场测试中，这种超材料成功地证明了其连续72小时的平均辐射冷却功率大于110W/m2，在正午的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区域使用太阳能电池产生的电力，但辐射冷却的优点是昼夜连续运行。

“在屋顶上放置10到20平方米的这种材料，在夏天就可以很好地为独栋住宅降温，”怀俄明大学土木与建筑工程系副教授、论文合著者谭钢(Gang Tan，音译)说。

除了用于建筑物和发电厂的冷却之外，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，从而影响其将太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，并恢复额外的1%到2%的太阳能效率。”“这在规模上有很大的不同。”

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让办公室合作，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年能源部高级研究项目署(ARPA-E)授予Yang, Yin和Tang的300万美元资助的结果。

杨说:“这项技术的关键优势在于，它可以全天候工作，不用电，不用水。我们很高兴有机会在电力工业、航空航天、农业等领域探索潜在的用途。”