近日，中國科學技術大學團隊提出了一種全新的能量利用方法，可以實作24小時全天候捕獲和利用太陽與深空的冷熱能量，為高效利用太陽和太空能量提供了新途徑。
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人類社會使用的絕大部分能源均來自太陽輻射，能源做功利用之後的餘熱則可以通過中紅外熱輻射散失到低溫太空中去。從熱力學的角度來看，太陽和太空是地球能量循環的終極熱源和終極冷源。光熱轉換通過對太陽輻射直接利用，獲得高溫熱能。天空輻射制冷則可以将地表能量以紅外輻射形式，通過大氣視窗直接發射至低溫太空，獲得低溫冷量，實作對深空低溫的超遠距直接利用。
然而，目前的光熱轉換和天空輻射制冷都依賴于靜态的光譜選擇性塗層，兩種過程均存在紅外光譜沖突，以往技術都是對單一目标、單一功能的利用。
此次，中國科學技術大學工程學院與太陽能光熱綜合利用安徽省重點實驗室教授裴剛、國家同步輻射實驗室與核科學技術學院研究員鄒崇文，聯合研究團隊創新性提出利用光譜自适應調控機制，對太陽熱源和太空冷源進行時間解耦，突破目前對太陽熱源和太空冷源的單一利用方式。
前述團隊提出一種能量利用方法，該方法分别以太陽（約6000K開氏度）和太空（約3K開氏度）為熱源和冷源，巧妙利用光譜自适應智能塗層，來解決光熱轉換過程和輻射制冷過程的光譜沖突，最終實作24小時全天候對冷熱能量的捕獲和利用。相關研究成果4月19日發表在《美國科學院院報》（PNAS）。
圖檔來自《美國科學院院報》（PNAS）
團隊研制了一種基于二氧化釩相變材料的多層膜光譜選擇性自适應塗層。該塗層在白天太陽輻照下處于金屬态，整體塗層太陽吸收率為0.89，紅外發射率僅為0.25，表現為光熱吸收特性。在夜間無輻照條件下，塗層處于絕緣态，在大氣視窗波段具有高發射率，在其餘中紅外波段具有低發射率，表現為輻射制冷特性。
實測結果表明，前述器件表面溫度在白天可以比環境溫度高170℃（攝氏度），在夜間可以比環境溫度低20℃，具有白天光熱轉換、夜間輻射制冷的自适應功能。器件可以24小時全天候運作，極大提升冷熱能量捕獲的綜合效率。這一研究結果為基于太陽熱源和太空冷源的能量捕獲和高效利用提供了一種全新的途徑。
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裴剛團隊一直緻力于太陽能和天空輻射制冷領域的研究。一方面，他們發展了太陽能與天空輻射制冷綜合利用理論，并提出了多種綜合利用過程的光譜耦合原則，引入光學薄膜和光子晶體結構，實作了塗層多截止波長下的光譜選擇性；另一方面，他們深耕于日間天空輻射制冷技術，通過高性能光譜選擇性塗層的開發、低熱損系統研制以及輻射傳輸路徑優化等手段，實作了太陽輻照條件下的被動制冷效果。這些技術可以廣泛應用于建築節能、光伏冷卻、熱電轉換以及深空探索等領域。鄒崇文團隊長期從事二氧化釩相變薄膜的制備、相變調控研究，以及在紅外/太赫茲器件、智能塗層、雷射防護和非制冷紅外探測器等方面的器件應用。
論文第一作者為中科大工程學院敖顯澤、趙斌和國家同步輻射實驗室李博文，通訊作者為裴剛和鄒崇文。前述研究獲得國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會、中央高校基大學研業務費專項資金以及多能互補能源轉化研究中心等項目和機構的支援。相關測試工作取得中國科大微納中心、同步輻射國家實驗室軟X射線磁性圓二色實驗站(BL12B)以及紅外譜學和顯微成像實驗站(BL01B)的支援。