24-hr Solid-State Power Generation with Self-Adaptive Tunable Radiative Coatings
Dit artikel demonstreert een zelfadaptief solid-state energieopwekkingssysteem dat 24-uurs bedrijf bereikt door thermo-elektrische generatoren te integreren met een instelbare radiatieve coating die autonoom schakelt tussen een hoge zonneabsorptiviteit voor verwarming overdag en een hoge infraroodemissiviteit voor koeling 's nachts via een temperatuurgestuurde VO2-faseovergang, waardoor het conventionele zwarte absorbers in zowel dagelijkse als nachtelijke vermogensopbrengst overtreft.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
De zon is een meedogenloze bron van hitte, terwijl het koude vacuüm van de ruimte een constante, diepe kilte biedt. Decennialang hebben wetenschappers geprobeen machines te bouwen die energie oogsten uit deze twee extremen, in de hoop energie op te wekken zonder bewegende delen of brandstof. De uitdaging ligt in het feit dat een apparaat erg heet moet worden om elektriciteit te genereren uit de zon, maar ook erg koud moet worden om elektriciteit te genereren uit de nachtelijke hemel. Meestal is een materiaal dat goed is in het absorberen van zonlicht ook goed in het uitstralen van warmte, wat het moeilijk maakt om het extreme temperatuurverschil te handhaven dat vereist is voor energieopwekking. Bovendien zijn de meeste materialen statisch; ze gedragen zich op dezelfde manier of de zon nu schijnt of de sterren te zien zijn. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers gezocht naar materialen die hun gedrag automatisch kunnen veranderen, als een slimme huid die weet wanneer hij warmte moet opzuigen en wanneer hij die moet laten ontsnappen.
Een team onderzoekers aan de Arizona State University heeft nu een apparaat gedemonstreerd dat precies dit doet, door continu twintig vier uur lang elektriciteit op te wekken met niets anders dan de zon en de kou van de ruimte. Ze bouwden een speciale coating die bovenop een stapel thermoelektrische modules ligt — apparaten die temperatuurverschillen direct omzetten in elektriciteit. Deze coating is gemaakt van een dunne film van vanadiumdioxide, een materiaal dat zijn interne structuur verandert op basis van temperatuur. Wanneer de zon er vol op staat en de coating warm wordt, schakelt het over naar een staat die fungeert als een perfecte zonneabsorber, waardoor het licht opzuigt terwijl het de hitte vasthoudt. Wanneer de zon ondergaat en de coating afkoelt, schakelt het opnieuw en wordt het een zeer efficiënte radiator die de hitte efficiënt afgeeft aan de koude hemel. Deze zelfaanpassende schakeling vindt plaats zonder externe controles, batterijen of sensoren, volledig aangedreven door de temperatuur van de coating zelf.
De onderzoekers ontwierpen deze coating met grote precisie, waarbij ze verschillende materialen in lagen aanbrachten om ervoor te zorgen dat de schakeling precies werkt waar dat nodig is. Ze plaatsten de vanadiumdioxidefilm op een siliciumbasis, gescheiden door een tussenlaag die helpt bij het afstemmen van de manier waarop licht met het oppervlak interageert. Overdag, wanneer de vanadiumdioxide warm is, absorbeert de coating 90 procent van het invallende zonlicht, maar reflecteert het grootste deel van de infrarode warmte, waardoor het apparaat heet blijft. 's Nachts, wanneer het materiaal afkoelt tot onder een bepaald punt, wordt het transparant voor infrarood licht in een specifiek bereik, waardoor het zijn warmte efficiënt kan uitstralen naar de atmosfeer. Dit creëert een groot verschil in hoe het oppervlak energie uitstraalt tussen dag en nacht, een verandering van 0,62 in het vermogen om energie uit te stralen, wat een aanzienlijke sprong is voor dit type materiaal.
Om te testen of dit concept daadwerkelijk energie kon opwekken, namen de onderzoekers hun apparaat mee naar buiten en lieten ze het door volledige dag- en nachtcycli gaan. Ze testten het systeem in twee omgevingen: binnen een hoogvacuümkamer om het koelende effect van de wind te verwijderen, en in de open lucht waar convectie een rol speelt. In het vacuüm bewees het apparaat zijn waarde door rond het middaguur 1,64 watt per vierkante meter aan vermogen te generen. Dit was 28 procent meer vermogen dan een standaard zwart oppervlak onder dezelfde omstandigheden zou kunnen produceren. Toen de nacht viel, wisselde het apparaat van modus en begon het weer elektriciteit te generen uit de kou, waarbij het 26 milliwatt per vierkante meter produceerde. Dit was 6_3 procent meer dan het zwarte oppervlak behaalde in de nacht. Het vermogen om tussen deze twee modi te schakelen, stelde het apparaat in staat om een constante stroom elektriciteit te produceren, waarbij het voltage stijgt tijdens de dag en in negatieve waarden daalt tijdens de nacht naarmate het temperatuurverschil omkeert.
Toen de onderzoekers de test verplaatsten naar de open lucht, waren de resultaten iets lager door het koelende effect van de wind, maar het apparaat presteerde nog steeds beter dan het standaard zwarte oppervlak. In de hitte van een zomerdag bereikte het gecoate apparaat temperaturen van 87 graden Celsius, terwijl het ongecoate zwarte monster slechts 67 graden bereikte. Deze extra hitte vertaalde zich naar een vermogensoutput van 0,48 watt per vierkante meter rond het middaguur, een verbetering van 14 procent ten opzichte van het zwarte monster. 's Nachts bleef het apparaat elektriciteit genereren, hoewel de aanwezigheid van lucht het temperatuurverschil iets verminderde. Zelfs met deze realistische uitdagingen behield het systeem een continue cyclus van energieopwekking, wat bewijst dat de zelfaanpassende coating buiten het laboratorium werkt.
De studie vergeleek de slimme coating ook met andere gespecialiseerde materialen om te zien hoe dicht ze bij de theoretische limieten lagen. Ze testten een bijna perfecte zonneabsorber en een zeer selectieve radiatieve koeler van lithiumfluoride. Deze referentiematerialen lieten zien dat er nog ruimte is voor verbetering in het ontwerp, aangezien de slimme coating niet quite de piekprestaties van de gespecialiseerde, enkelvoudige materialen bereikte. Echter, het vermogen van de slimme coating om beide taken in één pakket te vervullen door automatisch te schakelen, biedt een praktische weg voorwaarts. De onderzoekers demonstreerden dat een enkel apparaat open-circuit voltages kon produceren variërend van 433 millivolt tijdens de dag tot -62 millivolt tijdens de nacht in een vacuüm, en van 300 millivolt tot -51 millivolt in de open lucht. Deze continue, vierentwintig uur durende cyclus van energieopwekking, aangedreven door een materiaal dat zijn eigen eigenschappen aanpast in reactie op het weer, markeert een belangrijke stap naar duurzame, solid-state energieoogst die geen bewegende delen en geen menselijke interventie vereist.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.