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环境温差中的零能耗保温

已有 5405 次阅读 2016-8-21 16:43 |系统分类:科普集锦| 节能, 保温, 能源材料, 温度捕获

[注:此文仅仅是关于可行性论证的一个粗浅介绍,至于能否真正实现并走向应用,现在看来,还遥不可及!]


何为“环境温差中的零能耗保温”?清晰起见,这里不妨从月球表面说起:


人们都知道,月球的表面温差非常大,太阳照射到的表面(朝阳面),其温度可高达1270C,而另一面——太阳照射不到的表面(背阳面),其温度可低达-1830C. 朝阳面与背阳面之间的温差高达3100C. 其实,类似的情况在很多场合都会遇到,例如在太空中飞行的人造卫星和航天器,它们的朝阳面和背阳面都有巨大的温差。为此,科学家们让人造卫星不停旋转,从而确保人造卫星保留在一个相对恒定的安全温度;而对航天器而言,特别是载人航天器,其中的保温系统是必不可少的,这也就耗费了很多用于保温的电能。鉴此,黄吉平课题组提出的一个问题是:既然朝阳面和背阳面有如此大的温差(即环境温差),那么,这个温差能否为我们人类所用呢?需知最适合人类居住的温度也就是200C左右。假设(仅仅是假设!)一个航天器的朝阳面和背阳面温度分别为1000C-1000C,这个温度区间已经包含了适宜我们人类居住的温度200C,那么,为什么还需要耗费电能以维持航天器内部温度(200C)呢?为什么不可以设置合适的航天器外壳,使其对环境温度自动响应,从而维持航天器内部的温度为200C?如果可以,这样的好处显而易见:不再需要额外消耗电能用于保温了,或说,实现了“环境温差中的零能耗保温”。


至此,一个科学问题也就浮现出来了,即:如何从环境温差中捕获、并维持特定的温度?——这正是黄吉平课题组在此文[1]中提出并致力解决的问题。他们是这样做的:图一(a)展示的是他们的理论模型或框架,A材料(Type-A)是一种相变材料,它的转变温度是Tc,当温度远高于Tc时,A材料是热的良导体,而当温度远低于Tc时,A材料是热的不良导体。B材料(Type-B)也是一种相变材料,它的转变温度也是Tc,但是,与A材料不同的是,当温度远高于Tc时,B材料是热的不良导体,而当温度远低于Tc时,B材料是热的良导体。A材料和B材料之间填充的是普通材料(Common material)。注意:这里的转变温度Tc就是T0(低温端温度)和T3(高温端温度)之间的某一个值,它就是期望捕获的温度,由以上分析可见,通过选用合适的材料,Tc是可以预先确定的。图一(b-d)中的模拟结果显示,保持低温端温度(T0)不变时,当高温端温度(T3)323.2K上升到338.2K,再上升到353.2K时,中央区域的温度几乎维持不变,即分别为293.3K, 293.4K, 293.5K. 而对照组中的温度则显著变化[见图一(f-h)],分别为298.2K,305.7K, 313.2K.可见,温度捕获效果实现了。这里最后还需要补充的是,图一中仅仅是为了比较的便利,人为的把低温端的温度固定不变,事实上,如果低温端温度也显著变化的话,类似的温度捕获效果同样呈现,这是因为Tc是固定的,它满足T0<Tc<T3.



图一:温度捕获理论的模型及有限元模拟结果:(a-d)零能耗恒温器;(e-h)对照组。此图出自论文[1]



上面介绍的是温度捕获理论及其模拟结果。但是,上述温度捕获效果能否在实验中实现呢?为此,黄吉平课题组制备了实验样品,细节可见图二。基于图二(a,b)的实验设计,从图二(c)可见,实验样品的材料设计符合理论上对A材料和B材料的要求。针对图二(b)的实验样品,其测试结果就在图三(a-c)中。可以看到,此时当高温端温度显著变化,该样品中央区域的温度基本维持不变;而对照组[图三(d-f)]中同样区域的温度却显著变化。该实验结果显示了环境温差中零能耗保温的现实可行性。


图二:(a-b)实验样品设计;(c)A材料和B材料的实验参数(Experiment)与理论条件(Theory)的对比。此图出自论文[1]


图三: 实验测试结果:(a-c)零能耗恒温器;(d-f)对照组。此图出自论文[1]


至此,已经完整介绍了环境温差中零能耗保温的理论、模拟和实验。其实,这个概念的提出还有更多的应用价值,除了上文提及的用于航天器保温外,它还可用于设计热隐身衣——其可以使得热流不能够进入某个特定区域,但并不影响外面热流线的分布,好似这个特定区域不存在似的。当前,热隐身衣的研究收到越来越多学者的关注[2-9],迄今,国内外研究人员[2-9]发展了不同的理论方法或实验手段用于获得热隐身效果,值得一提的是,2015年,黄吉平课题组提出开关热隐身的概念[9],从而使得实现能够随环境变化的智能热隐身衣成为可能. 但是,对现有的所有热隐身衣[2-9]而言,当其处于变化的环境温差中时,其中央隐身区域的温度也会随着环境温度的变化而显著变化,这就制约了热隐身衣的进一步发展,为此,黄吉平课题组[1]基于零能耗保温这个新概念,设计了一种新型热隐身衣,其中央隐身区域的温度几乎不随环境温度变化[图四]



图四:新型热隐身衣:中央隐身区域温度不随环境温度变化而变化。(a)理论设计;(b-d)有限元模拟结果。此图出自论文[1]


黄吉平课题组在论文[1]中提出的温度捕获理论有助于实现新的保温方法或控温方法,而零能耗保温这个概念则对节能领域有参考价值。


参考文献

[1] X. Y. Shen, Y. Li, C. R. Jiang, and J.P. Huang, “Temperature trapping: Energy-free maintenance of constanttemperatures as ambient temperature gradients change”, Phys. Rev. Lett. 117,055501 (2016) [此文被美国物理学会Physics选为Focus专题报道,其中文翻译版:http://blog.sciencenet.cn/blog-683185-993567.html ]
[2] C. Z. Fan, Y. Gao, and J. P. Huang, “Shaped graded materials with an apparentnegative thermal conductivity”, Appl. Phys. Lett. 92, 251907 (2008)

[3] J. Y. Li, Y. Gao, and J. P.Huang, “A bifunctional cloak using transformation media”, J. Appl. Phys. 108,074504 (2010)

[4] S. Narayana and Y. Sato, “Heatflux manipulation with engineered thermal materials”, Phys. Rev. Lett. 108,214303 (2012)

[5] R. Schittny, M. Kadic, S.Guenneau, and M. Wegener, “Experiments on transformation thermodynamics:Molding the flow of heat”, Phys. Rev. Lett. 110, 195901 (2013)

[6] T. C. Han, X. Bai, D. L. Gao, J.T. L. Thong, B. W. Li, and C.-W. Qiu, “Experimental demonstration of a bilayerthermal cloak”, Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014)

[7] H. Y. Xu, X. H. Shi, F. Gao, H.D. Sun, and B. L. Zhang, “Ultrathin three-dimensional thermal cloak”, Phys.Rev. Lett. 112, 054301 (2014)

[8] Y. G. Ma, Y. C. Liu, M. Raza, Y.D. Wang, and S. L. He, “Experimental demonstration of a multiphysics cloak:Manipulating heat flux and electric current simultaneously”, Phys. Rev. Lett.113, 205501 (2014)

[9] Y. Li, X. Y. Shen, Z. H. Wu, J.Y. Huang, Y. X. Chen, Y. S. Ni, and J. P. Huang, “Temperature-dependenttransformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopicthermal diodes”,Phys. Rev. Lett. 115, 195503 (2015)




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