211service.com
Een materiaal dat warmte in de ruimte gooit, kan binnenkort airconditioning opnieuw uitvinden
James-tempel
Eli Goldstein, een frisse medeoprichter van SkyCool Systems, trok de garagedeur open aan de zijkant van de krappe werkruimte van de Stanford spin-out in Burlingame, Californië, en rolde een set vierkante zilveren panelen de parkeerplaats op.
Ze waren naar de zon gekanteld, bedekt met wat leek op perfect kreukvrije aluminiumfolie en bevestigd aan een metalen frame met een reeks pijpen, buizen en thermometers.
De temperaturen bereikten die dag 104 ˚F op het schiereiland van San Francisco, het begin van een zeldzame en verzengende hittegolf in de Bay Area. Als je voor de panelen stapt, voelt het alsof je langs een open oven loopt.
Wat precies het punt is. De panelen van SkyCool zijn in wezen hightech spiegels, ontworpen om gebouwen veel efficiënter te koelen dan traditionele airconditioningsystemen door gebruik te maken van een vreemde optica die een smalle band van straling de ruimte in laat ontsnappen (zie The Sky May Hold the Secret to Efficient to Efficient Airconditioning ). Afhankelijk van de toepassing en de klimaatomstandigheden kan de technologie de energie die wordt gebruikt om constructies te koelen met 10 tot 70 procent verminderen, waardoor een van de grootste afzonderlijke eisen aan het Amerikaanse net wordt verminderd en de uitstoot van broeikasgassen dienovereenkomstig wordt verminderd.
Om te begrijpen hoe het werkt, is een beetje achtergrond vereist. Alle objecten geven warmte af in de vorm van infraroodstraling, een onzichtbare vorm van licht net rechts van rood in het spectrum. Het doel van jassen, wanten en sjaals is om zoveel mogelijk van die stralingswarmte vast te houden en ons warm te houden op winterdagen. De atmosfeer zelf, voornamelijk in de vorm van watermoleculen, straalt ook een deel van de warmte terug.
Maar een strookje emissies in het midden-infraroodbereik (met golflengten tussen acht en 13 micrometer, voor degenen die de score bijhouden) glipt er doorheen en ontsnapt door wat is beschreven als een venster in de ruimte . Materialen die straling in dat bereik uitzenden, werpen het letterlijk in de koude ruimten, of op zijn minst de koele bovenste atmosfeer, waardoor de oppervlakken zelf onder de temperatuur van de omringende lucht kunnen zakken. Dit natuurlijke fenomeen zorgt ervoor dat er rijp ontstaat op oppervlakken onder de open nachtelijke hemel, zoals autoruiten en grassprieten, zelfs als de temperatuur niet onder het vriespunt komt.
Een cruciale uitdaging om dit mechanisme op een nuttige manier te benutten, was dat overdag de warmte van de zon het verkoelende effect over het algemeen compenseert. Maar in onderzoek dat voor het eerst werd gepubliceerd in Natuur eind 2014 hebben de wetenschappers achter SkyCool Systems dat probleem omzeild door een geavanceerd materiaal te ontwikkelen dat is afgestemd om infrarood licht uit te stralen in het bereik dat door de atmosfeer glipt en tegelijkertijd 97 procent van het zonlicht weerkaatst. Geplaatst op een dak in direct zonlicht, bleef het materiaal 4,9 ˚C onder de omgevingsluchttemperatuur, a koelvermogen van 40,1 watt per vierkante meter.
Drie van de onderzoekers die bij dit werk betrokken waren, hebben medeoprichter SkyCool-systemen afgelopen voorjaar in een poging om de technologie te commercialiseren. Goldstein is de chief technology officer van de startup; Aaswath Raman, hoofdauteur van het originele artikel en een van MIT Technology Review ’s 35 Innovators Under 35 in 2015, fungeert als chief executive; en Shanhui-fan , een Stanford-hoogleraar elektrotechniek, treedt op als adviseur.
De passieve stralingskoelingspanelen van SkyCool worden geëvalueerd in een veldproef in Davis, Californië.
Vorige week publiceerden de onderzoekers een vervolg papier in Natuur Energie , wat aantoont dat een opgeschaalde versie van de technologie kan worden gebruikt om stromend water te koelen. Door panelen op te zetten met dunne waterleidingen er direct onder, verlaagden de onderzoekers de temperatuur van het water met 5 ˚C gedurende drie dagen testen. Het resultaat suggereert dat de technologie kan worden geïntegreerd in bestaande koelmechanismen door de condensorcomponent die wordt gebruikt in conventionele airconditioning en koeling te vervangen of uit te breiden. Door middel van modellering toonden de onderzoekers aan dat de integratie van de technologie in een kantoorgebouw van twee verdiepingen in Las Vegas de elektriciteitsbehoefte van koeling in de zomer met 21 procent zou verminderen.
De mogelijkheid om het systeem achteraf in bestaande gebouwen aan te passen, waardoor de kosten voor eigenaren en huurders worden verlaagd, betekent dat de potentiële markt enorm is. Ongeveer 14 procent van de totale Amerikaanse energieproductie gaat naar het koelen van woon- en commerciële gebouwen. Het moonshot ARPA-E-programma van het Department of Energy, dat: verstrekt $ 3 miljoen aan de SkyCool-onderzoekers in 2012 ontdekten dat geavanceerde stralingskoelingspanelen 10 tot 20 procent van dat gebruik konden verminderen en de piekbelasting op het elektriciteitsnet konden verminderen.
Maar veel grotere energiebesparingen zijn mogelijk voor ontwikkelaars die ervoor kiezen om stralingskoelsystemen direct in nieuwe gebouwen op te nemen tijdens de ontwerpfase, zegt Nick Fernandez, een energieanalist bij het Pacific Northwest National Laboratory. Als het systeem zou worden gekoppeld aan een hydronische stralingskoelsysteem - een zeldzame maar zeer efficiënte manier om gebouwen te koelen die werkt door water te laten circuleren in plaats van lucht te blazen - zou de energiebesparing voor verwarming, koeling en ventilatie bijna 70 procent kunnen bedragen in ideale klimaatomstandigheden , volgens een simulatieanalyse gepubliceerd in 2015 , waarvan Fernandez de hoofdauteur was.
SkyCool is niet het enige bedrijf dat achter deze markt aan gaat. In februari publiceerde een team van ingenieurs van de Universiteit van Colorado, Boulder, een papier in Wetenschap beschrijft een glas-polymeer hybride materiaal dat 's middags een stralingskoelvermogen van 93 (watt per vierkante meter) bereikte onder direct zonlicht. De onderzoekers benadrukten dat ze al hebben ontdekt hoe ze op een betaalbare manier rollen van het filmachtige materiaal kunnen produceren, waardoor het een potentieel levensvatbare grootschalige technologie wordt voor zowel residentiële als commerciële toepassingen. volgens tot een universitaire publicatie.
Net als het Stanford-team hebben de CU Boulder-onderzoekers geld ingezameld bij ARPA-E, een patent aangevraagd en een bedrijf opgericht, Radi-Cool. De wetenschappers zijn in gesprek met potentiële investeerders en fabrikanten, zegt Ronggui Yang, een professor in werktuigbouwkunde, co-auteur van de paper en waarnemend CEO van de startup.
De onderzoekers van SkyCool, die een beperkte hoeveelheid aanvullende federale en particuliere financiering hebben binnengehaald, blijven de efficiëntie van de geavanceerde materialen verbeteren. Raman, de CEO van de startup, weigert om eventuele productprijzen te bespreken, maar hij is van mening dat eventuele aanloopkosten zullen worden gecompenseerd door energiebesparingen op de lange termijn. Als een dakradiator van het type SkyCool dat momenteel wordt ontwikkeld zou kunnen worden geproduceerd en geïnstalleerd voor minder dan 58 cent per vierkante voet, zou de energiebesparing die kosten in ongeveer vijf jaar dekken, schat het Pacific Northwest Lab-onderzoek.
Het bedrijf voert een veldtest uit met zijn nieuwste generatie panelen in Davis, Californië, ongeveer twee uur rijden van Burlingame in de Central Valley, en evalueert de technologie als een manier om zowel airconditioning als commerciële koelsystemen te verbeteren.
De volgende grote mijlpaal van SkyCool wordt een grootschalige demonstratie met een vroege klant of partner, waarmee Raman en Goldstein volgend jaar hopen te beginnen. Ze richten zich op bedrijven met grote koelbehoeften, zoals supermarkten en datacenters, waar energiebesparingen snel oplopen. Gesprekken met potentiële klanten zijn al begonnen.