科学発明:インテリジェントコーティング「昼間の集熱、夜間の冷房」を実現

 

中国科学技術大学工程科学学院の鞖剛教授、国家同期放射実験室研究員の鄒崇文連合研究チームは新しいエネルギー利用方法を提出した。彼らは,光熱変換と放射冷却過程における「スペクトル衝突」を解決し,太陽熱源と宇宙冷源から24時間全天候にわたってエネルギーを捕獲するスペクトル適応知能コーティングを開発した。

関連研究成果は先日、米国の国家科学アカデミー誌に発表された。

「スペクトル衝突」に直面してから

冷熱はエネルギーの最も重要な端末形式の一つであり、世界の毎年約51%のエネルギーは冷量または熱量の形式で消費されている。しかし、現在、この2つのエネルギーの供給は主に伝統的な化石エネルギーに依存しており、環境問題をさらに激化させるに違いない。

そのため、再生可能エネルギーによる冷房と熱供給は、世界の省エネと温室効果ガスの排出削減に重大な意義を持っている。

「地球環境に比べて、温度約6000 Kの太陽と3 Kの宇宙は地球の究極の熱源と冷源である」。論文の共同第一著者、中国科学技術大学工程科学学院博士後趙斌は「中国科学報」に紹介した。

光熱変換は太陽放射を直接利用することによって、高温熱を得る。スカイ放射冷却は、地表エネルギーを赤外放射の形で大気窓を通って低温宇宙に直接放出し、低温冷却量を得ることができる。

実際、この2つの技術原理は同じで、装置は似ていて、もし2つの物理過程を同じ装置に集積すれば、夜間の冷房と昼間の集熱の2つの機能の特徴を呈することができるだけではなくて、また装置の時間利用率とエネルギー収益を大幅に向上することができます。

「しかし、光熱変換およびスカイ放射冷却は、コーティングのスペクトル選択性の要件に固有の「衝突」を有する。前者は、コーティングが中赤外帯域全体にわたって低い発光率を有することを要求し、後者は、コーティングが大気窓帯域において高い発光率を有することを要求する。」趙斌は言った。

現在、一般的な光熱変換およびスカイ放射冷却技術は、異なるスペクトル選択コーティングによって熱および冷却を収集するが、多くの方法は静的および単一機能であり、異なる固定コーティングを用いて昼間に加熱を提供し、夜に冷却を提供するしかない。

報告されたごく少数の光熱変換−空放射冷却の総合利用も静的非選択性コーティングに基づいており,二機能結合を実現できるが,集熱と冷却性能は単一の光熱変換と空放射冷却技術よりはるかに低い。

「衝突」をどのように解決するかは、2つの装置の機能の重ね合わせ結合を実現すると同時に、それぞれの性能に影響を与えないことであり、ペ剛チームがずっとやってきた仕事である。

「変身」する二酸化バナジウム

今回の研究では、ペガンチームは、エネルギー捕獲モードに基づいてコーティングスペクトル選択性能を「動的に調整」できるスペクトル適応制御機構を革新的に提案した。

このチームは二酸化バナジウム薄膜を狙った。鄒崇文氏は、「二酸化バナジウムは典型的な強い関連遷移金属酸化物であり、特殊な金属-絶縁体相転移特性を有し、相転移温度は約68°Cである」と紹介した。

温度が68°C未満の場合、二酸化バナジウムは非導電性の絶縁体であり、可視光と赤外線を同時に透過することができる。温度が68℃を超えると、二酸化バナジウムは瞬時に低抵抗導体に「変身」し、赤外線の透過を阻止することができる。

鄒崇文氏によると、二酸化バナジウムという温相転移過程における動的赤外スペクトル特性を利用して、多層膜のコーティング設計と結びつけて、適応的なスペクトル知能コーティングを実現し、光熱変換と空放射冷却過程における「スペクトル衝突」を解決することが期待されている。

二酸化バナジウム薄膜の相転移特性はその品質と密接に関連しているため,高品質の二酸化バナジウム薄膜の調製がスマートコーティングの鍵であることが分かった。

「バナジウム原子は多化学価状態を有し、我々が必要とするのは完璧な化学量論比を有する+4価二酸化バナジウムであり、調製過程においてまず成長過程における原子比を制御しなければならない」。鄒崇文は、「原子の割合が少し多いか少ないかは、薄膜の相転移特性に大きな影響を及ぼす」と述べた。

さらに,+4価の二酸化バナジウムには種々の相構造があり,その中でこの相転移特性を有するのは特定の単斜晶相構造のみである。鄒崇文は,純相構造の二酸化バナジウム薄膜の調製は依然として挑戦であると告白した。

たゆまぬ努力を経て、鄒崇文チームは分子ビームエピタキシャルとマグネトロンスパッタリングなどの手段を利用して二酸化バナジウム相転移材料に基づくスペクトル適応知能コーティングの開発に成功した。

多くの分野で使用可能

研究によると、この知能コーティングは昼間の太陽照射下で金属状態にあり、太陽吸収率は0.89であり、赤外発光率は0.25にすぎず、光熱吸収特性として表現されている。夜間の無照射条件下では絶縁状態にあり,コーティングは大気窓帯域で高い発光率を有し,残りの中赤外帯域では低い発光率を有し,放射冷却特性として表現された。

スペクトル適応知能コーティングの現実的な天気条件下での性能を探索するために,ウルムチの晴れた秋に,チームは屋外実験を行った。

実験結果から,このコーティング表面温度は昼間は環境温度より170°C高く,夜間は環境温度より20°C低く,昼間の光熱変換,夜間放射冷却の適応機能を有し,同時に24時間全天候運転を実現でき,冷熱エネルギー捕獲の総合効率を極めて向上させることが分かった。

「この研究は、太陽と宇宙から再生可能エネルギーを捕獲する非常に斬新な方法を提案し、人々の新しい研究の興味を引き起こすだろう」。原稿審査員はこう述べた。

「関連技術は建築省エネ、自動車温度制御、太陽光発電冷却、深空探査などの分野に応用できる」。ペ氏によると、次のステップでは、材料の規模化、冷熱量の効率的な収集と輸送、逆冷熱制御などの方向で研究を展開する。