AZoCleantech Junqiao Wu博士谈到他的团队smart-roof涂料的发展。这项技术可以用来改变屋顶材料,自动禁用放射性冷却在冬天和让我们的冷暖取决于季节。
你是如何开始你的研究为屋顶涂料吗?
我一直在研究材料的物理相变材料,二氧化钒,多年来(如。、科学,355,371(2017)和《自然纳米技术。4,732 (2009)]。当我阅读文献辐射冷却,我开始想,如果我们在冬天时需要保留与辐射冷却热吗?然后我意识到可以用二氧化钒temperature-adaptive,可切换的屋顶材料。
当前冷屋顶系统是什么?
目前,屋顶材料可以用常数在热红外发射率高(8 ~ 14微米),同时以最小的太阳能吸收。这些材料是对强大的被动辐射冷却以适应炎热的气候。热发射率是一个物理参数描述如何强烈的表面辐射热量从表面到天空。材料具有高的热发射率比低放射性材料保持凉爽,即使他们两个坐在相同的环境。
你的团队开发了一种smart-roof涂层。涂层包括什么?
涂料是一个三层结构,由周期性阵列的相变材料tungsten-doped二氧化钒,坐在一个透明氟化钡层之上,有一个金属层下面。整个结构支持灵活的磁带。
热的图片(上面一行):普通屋顶材料发射率较低,(中间行)TARC(底下一行)普通屋顶材料和高发射率,应用热成像照相机:(左列)20度摄氏25摄氏度(中间列),(右列)摄氏30度。亮的图像显示的更多的热量辐射表面(因此更强的辐射冷却)。很明显,TARC是独一无二的,它从一个低辐射模式转换在低温到高温高辐射模式。图片来源:Junqiao吴,加州大学伯克利分校
如何smart-roof涂料与现有技术在市场上有何不同?
炎热的气候需要屋顶太阳能吸收较低和较高的热发射率保持凉爽,而寒冷的天气要求屋顶太阳能吸收高和低的热发射率保持房子温暖。然而,对于大多数气候,天气是热的在夏天或白天,和寒冷的冬天或夜间,因此需要一个屋顶,可以自动(即没有用户的激活或能量输入)这两个模式之间进行切换。我们的技术正是解决这一需求。
涂料的主要优势是什么?
涂层自动开关在应对环境温度和发射率而无需人工激活。因此,它可以保持房子相对温暖,当温度低于22oC和保持房子相对凉爽,当温度高于26oC,没有电力或天然气消费。结构设计,它并非最大化建筑节能在夏天,冬天也没有,但却能最大的能量在整个一年对于一个给定的气候。我们称之为“整体分析”。
材料是如何帮助我们的家庭根据天气冷暖外面?这有助于减少能源成本如何?
在炎热的天气里,一个屋顶,热发射率高,能辐射热量向天空保持房子相对凉爽,节约空调能源;在寒冷的天气,一个屋顶较低的发射率可以最大限度地保留房子,内部的热量保持温暖,加热所需的节能。我们的屋顶利用temperature-triggered固相固相相变的结构,高辐射率状态之间切换温度高于26oC和低辐射状态温度低于22oC,因此最大限度地节约能源,而不是在夏天或冬天,但整体在所有季节在一年。
图片来源:Alexphot / Shutterstock.com
有可能这是在更广泛的范围内采用吗?可能面临的挑战是什么,怎么可能被克服?
我们正在开发的产品在更大的尺度上,以更低的成本。我们必须使用不同的材料具有独特的材料加工技术。我们已经正在取得进展。
如何重要的是零排放在全球变暖空调和取暖吗?
可以估计,对于大多数气候区,屋顶上使用我们的产品可以节省住宅供暖和空调的建筑物能源约10%,相比其他现有屋顶材料。
这种材料是如何自动关掉放射性冬天冷吗?
物理机制是基于固相固相相变的关键材料(二氧化钒),在材料自动变化从绝缘体和透明的热红外在低温下,作为一个金属和高温热红外反射。相变是由环境温度,而不是由人类活动:类似于水自动从固体冰液体在一定温度下,除了这里的变化从固态到另一个固态材料。在预设的相变温度,材料的发射率和辐射强度大大改变了。
当执行你的研究,你如何能够预测年度节能temperature-adaptive辐射涂层(TARC)提供了在不同的气候区?
天气信息对所有天气的气候区可用的数据库。使用一个物理模型,我们模拟TARC的表面温度比所有其他non-switching屋顶材料不同的城市在不同时间超过365天。仿真考虑阳光吸收,热辐射,以及空气对流,注入到从屋顶或消散的能量。屋顶的表面温度差异然后转化为节能需要保持房子的内部温度预设,舒适的温度。
开发TARC时你面临什么挑战?
这个项目在一段时间内持续了整整三年。合成材料、设计结构、制造设备,产品描述,和模拟性能,都花了大量的试验和修正。我们终于成功了。
怎么能电池的涂层被用作热保护吗?怎么这几个不同的行业中获益呢?
像人类一样,充电电池也喜欢生活在一个舒适的温度范围。过热和过冷会损害电池,缩短其寿命。设想,TARC还可用于电池热管理零能耗。众所周知,充电电池广泛使用在许多行业,如电子、空间和运输。
项目的下一步是什么?
扩大产品,延伸其生命周期,优化其性能,针对不同的应用场景和定制。
读者在哪里可以找到更多的信息?
这篇论文发表在科学,374,1504 (2021)。它可在:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf7136
关于博士Junqiao吴
Junqiao Wu博士目前是加州大学的材料科学教授,伯克利,教员在劳伦斯伯克利国家实验室的科学家。他的荣誉包括29日罗斯·n·塔克纪念奖,总统早期职业科学家和工程师奖(PECASE)从白宫和当选的美国物理协会(APS)。
吴集团探索物理和电子材料的应用,和高被引论文的发表了超过250场。有关更多信息,请参见吴组研究网站http://wu.mse.berkeley.edu
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