что лучше всего отражает солнечную радиацию
Белее некуда: краска, отражающая до 98.1% солнечного света
Изобретение велосипеда зачастую описывает процесс создания чего-то, что уже создано. Другими словами, бессмысленный труд. Однако в научном мире существует множество трудов, которые можно описать этой фразой. Тем не менее многократное создание одного и того же велосипеда разными людьми позволяет взглянуть на него под разным углом, тем самым усовершенствовав его. Подобная ситуация сложилась и с материалами, способными отражать большой процент солнечного тепла, дабы получить пассивное охлаждение без необходимости в системах кондиционирования. Эта тема уже затрагивалась нами ранее, но ученые из университета Пердью (США) решили взглянуть на эту проблему по-своему, создав при этом ультрабелую краску, способную отражать до 98.1% солнечных лучей. В чем секрет нового лакокрасочного материала, как он создавался, и будет ли его использование на практике действительно выгодным и экологичным? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Лейтмотивом исследований, связанных со снижением экономической и экологической нагрузки на охлаждение, является радиационное (излучательное) охлаждение. Данный метод заключается в пассивном охлаждении за счет специальных устройств, материалов, покрытий и прочего. Чаще всего для реализации радиационного охлаждения применяются сложные многослойные структуры или отражающие металлические слои. Эффект от них, конечно, имеется, однако такой вариант не особо практичен и выгоден.
Попытки реализовать радиационное охлаждение с помощью одного слоя краски тоже часто заканчиваются провалом, ибо в таком случае этот слой будет весьма толстый, а эффект охлаждения незначительный.
Однако, радиационное охлаждение все же имеет свои преимущества, если правильно его реализовать. К примеру, в отличие от активного охлаждения, которое требует электричества, радиационное охлаждение использует атмосферное прозрачное окно («небесное окно») для испускания теплового излучения непосредственно в глубокое небо без потребления энергии. Если тепловое излучение через небесное окно превышает поглощение солнечного света, то на поверхности может сохраняться холодная окружающая среда даже под прямыми солнечными лучами.
Ранее уже были попытки создать краску, способную реализовать радиационное охлаждение. Был вариант, в котором использовался тонкий слой TiO2 на алюминиевой подложке. В зимний день такая структура демонстрировала температуру на 2 °C ниже температуры окружающей среды. Однако, по словам ученых, это, вероятно, было связано скорее с подложкой, а не с самой краской.
Были и варианты без каких-либо красок, основанные на многослойных структурах. В одном из таких вариантов использовались металлический слой, полиэтиленовый аэрогель и делигнифицированная древесина. Очевидно, что подобные конструкции крайне сложны и дороги в реализации, не говоря уже о большой толщине результирующего покрытия.
Другими словами, методов реализации радиационного охлаждения существует довольно много, каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков. Авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили попытать удачу в этой области и создали еще один метод пассивного охлаждения, основанный на сочетании пленки из наночастиц BaSO4 и краски, содержащей эти же наночастицы.
Результаты исследования
Выбор BaSO4 в качестве главного героя данного труда был неслучайным. BaSO4 имеет широкую запрещенную зону, что хорошо для малого солнечного поглощения, и фононный резонанс на 9 мкм, что хорошо для высокой излучательной способности. Приняв во внимание эти особенности, удалось создать пленку из наночастиц BaSO4 с высоким коэффициентом отражения солнечного света (97.6%) и коэффициентом излучения прозрачного окна (0.96).
Для повышения стабильности и надежности пленки была создана акриловая краска, содержащая наночастицы BaSO4 (60% от объема). Высокая концентрация наночастиц и их широкое распределение по размерам позволяют снизить показатель преломления BaSO4, что приводит к коэффициенту отражения солнечного света в 98.1% и излучательной способности в 0.95. По заявлению ученых, их BaSO4-акриловая краска имеет показатель качества 0.77, который является одним из самых высоких среди подобных структур для радиационного охлаждения. При этом их вариант надежен, легок в использовании, а также прекрасно имплементируется в промышленный процесс производства красок.
Изображение №1
Коммерческие белые краски (TiO2-акриловая) не могут достичь полноценного охлаждения из-за высокого поглощения в УФ-диапазоне (из-за ширины запрещенной зоны TiO2 в 3.2 эВ) и ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне (из-за акриловой абсорбции).
В данном труде была изготовлена пленка из частиц BaSO4 толщиной 150 мкм на кремниевой пластине (1а) в совмещении с коммерческой белой краской. На СЭМ-снимках (СЭМ от сканирующий электронный микроскоп) пленки BaSO4 (1b) видно образование воздушных пустот. Интерфейсы между наночастицами BaSO4 и воздушной полостью увеличивают рассеяние фотонов в пленке, тем самым увеличивая общий коэффициент отражения солнечного света.
Для повышения надежности структуры необходимо обеспечить устойчивость BaSO4 пленки к воздействию окружающей среды. Именно для этого и была использована акриловая краска. Однако, краска на базе BaSO4 (1c) обладает низким коэффициентом преломления, в отличие от TiO2. Чтобы исправить это, концентрация частиц BaSO4 в краске была повышена до 60%, что значительно выше, чем в промышленных красках.
Изображение №2
Как показано на изображении 2a, для достижения успешного охлаждения ниже температуры окружающей среды необходимы высокая степень отражения солнечного света и высокая степень излучательной способности. Для достижения этого необходимо было уменьшить поглощение в УФ-диапазоне. Это было достигнуто за счет BaSO4, обладающего запрещенной зоной в
А за счет фононного резонанса на 9 мкм возможно проектирование частиц определенного размера так, чтобы лишь один слой был необходим для достижения как отражательной способности, так и излучательной. В результате оптимальный размер частиц BaSO4 составил 400 нм. В результате пленка BaSO4 обладала коэффициентом отражения солнечного света в 97.6% и коэффициентом излучения в 0.96 (2b). Эти показатели лучше тех, что демонстрируют коммерчески доступные теплоотражающие краски (коэффициент отражения солнечного света от 80% до 91%).
Ученые отмечают, что использованная в их структуре кремниевая подложка была всего лишь фундаментом, и никак не участвовала в повышении показателей охлаждения. На графике 2c показано сравнение коэффициента отражения различных структур: с подложкой (разный материал и толщина) и без нее. Как мы можем видеть, использование подложки никак не влияет на охлаждающую способность всей структуры.
Что касается краски, то вариант с высоким содержанием частиц BaSO4 показал лучшие результаты: коэффициент отражения солнечного света — 98.1%; коэффициент излучения — 0.95. Физика, лежащая в основе высокой степени отражения, была смоделирована посредством метода Монте-Карло* (2d).
Метод Монте-Карло* — метод изучения случайных процессов, когда оные описываются математической моделью с использованием генератора случайных величин. Модель многократно обсчитывается, а на основе полученных данных рассчитываются вероятностные характеристики изучаемого процесса.
Толщина слоя краски также была установлена посредством моделирования и практических опытов. При толщине 400 мкм достигались максимальные значения показателей отражения и излучения, тогда как при других толщинах они были немного меньше: при 200 мкм — 95.8%; при 224 мкм — 96.2%; при 280 мкм — 96.8% (2e).
Изображение №3
Далее были проведены полевые испытания, дабы воочию понаблюдать за работой созданной структуры. Опыты проводились 14-16 марта 2018 года в городе Вест-Лафайет (штат Индиана) при пиковом солнечном излучении 907 Вт/м 2 и влажности 42% (3a).
Температура образца упала на 10.5 °C ниже температуры окружающей среды в течение ночи и оставалась на 4.5 °C ниже температуры окружающей среды даже при пиковом солнечном излучении. Для сравнения, коммерческие варианты краски нагревались на 6.8 °C выше температуры окружающей среды при таких же условиях опыта.
Дополнительные опыты в городе Рино (штат Невада) 28 июля 2018 года показали, что мощность охлаждения достигла в среднем 117 Вт/м 2 за суточный период при 10% влажности (3b).
Мощность теплового излучения увеличивалась с повышением температуры поверхности в дневное время, что компенсирует более высокое поглощение солнечной энергии. Таким образом, оценка мощности охлаждения без учета температуры поверхности может быть неверным показателем эффективности охлаждения.
Поскольку созданная BaSO4 краска предназначена для наружного применения, необходимо было также проверить ее надежность. Для этого были проведены тесты на истирание, атмосферные воздействия на открытом воздухе и определение вязкости.
Изображение №4
Во время тестов на истирание (4a) на образец помещали пару абразивных кругов с нагрузкой 250 г на каждый круг. Обновление кругов производилось каждые 500 циклов, между чем измерялась потеря массы образца. Коэффициент износа определялся как потеря массы (мг) на каждые 1000 циклов. Результирующий коэффициент износа BaSO4 краски достигал 150, что сравнимо с коммерческими красками (104). Тест влияния окружающей среды проводился довольно просто: образец помещали под открытым небом на 3 недели (4b). В течение всего времени коэффициент отражения солнечного света и коэффициент излучения оставались практически неизменными. Вязкость BaSO4 краски также была измерена и показала значения, схожие с оным для коммерческих вариантов (4c).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В данном труде ученые в очередной раз обратили свое внимание на вопрос радиационного охлаждения, который соблазняет своей экологичностью и экономичностью по сравнению с классическими методами. Их идея заключается в использовании микроскопических частиц BaSO4 и создании двухслойной структуры. Один слой это пленка из этих частиц, второй — акриловая краска, в состав которой входят опять же частицы BaSO4.
В результате полученная пленка смогла показать коэффициент отражения солнечного света 97.6%, а коэффициент излучения 0.96. Но это еще не максимум, что может разработанная структура. Совместив пленку из BaSO4 с краской, в состав которой также входит BaSO4, удалось достичь коэффициента отражения солнечного света 98.1% и коэффициента излучения 0.95.
По надежности и износостойкости полученная краска ничем не уступает своим коммерческим собратьям. Кроме того, имплементация данной разработки в промышленность не требует больших затрат или специфического оборудования. Другими словами, создавать и использовать такой материал будет довольно просто и выгодно.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
1. Как называется солнечная радиация, доходящая до Земли без изменений.
1. Как называется солнечная радиация, доходящая до Земли без изменений?
2. Какая поверхность лучше всего отражает солнечную радиацию?
3. Назовите основные климатообразующие факторы?
4. Какой из климатических факторов оказывает наибольшее влияние при формировании климата Владивостока?
5. Как образуется холодный фронт?
6. Какой характер осадков при прохождении теплого фронта?
7. Какое давление в центре циклона?
8.Как движутся воздушные массы в антициклоне?
9.Какую погоду зимой и летом приносит циклон?
10.Как теплые течения влияют на формирование климата?
11.Какая закономерность прослеживается в распределении летних температур по территории России? Объяснить причины.
12.На каких склонах гор выпадает больше осадков?
13.Где в России выпадаем минимальное количество осадков?
14.Как изменяется количество осадков при движении с запада на восток?
15.Объясните разницу январских температур в Мурманске и Норильске, расположенных примерно на одной широте.
16.Чем умеренный муссонный климат отличается от умеренного морского?
17.Какие воздушные массы зимой в субарктическом климатическом поясе?
18.Какие воздушные массы зимой в умеренном климатическом поясе?
19.Какие воздушные массы летом в субарктическом климатическом поясе?
20.Какие основные элементы климата рассматриваются при его характеристике?
2011dnevnoe
2011dnevnoe2 курс
Рассеянная солнечная радиация образуется в результате рассеивания солнечных лучей в атмосфере. Молекулы воздуха и взвешенные в нем частицы (мельчайшие капельки воды, кристаллики льда и т. п.), называемые аэрозолями, отражают часть лучей. В результате многократных отражений часть их все же достигает земной поверхности; это рассеянные солнечные лучи. Рассеиваются в основном ультрафиолетовые, фиолетовые и голубые лучи, что и определяет голубой цвет неба в ясную погоду. Удельный вес рассеянных лучей велик в высоких широтах (в северных районах). Там солнце стоит низко над горизонтом, и потому путь лучей к земной поверхности длиннее. На длинном пути лучи встречают больше препятствий и в большей степени рассеиваются.
(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)
(http://www.glossary.ru/cgi-bin/gl_sch2.c gi?RQgkog.outt:p!hgrgtx!nlstup!vuilw)tux yo)
Измерение солнечной радиации.
Для измерения солнечной радиации служат актинометры и пиргелиометры. Интенсивность солнечной радиации обычно измеряется по её тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени.
Измерение интенсивности солнечной радиации производится пиранометром Янишевского в комплекте с гальванометром или потенциометром.
При замерах суммарной солнечной радиации пиранометр устанавливают без теневого экрана, при замерах же рассеянной радиации с теневым экраном. Прямая солнечная радиация вычисляется как разность между суммарной и рассеянной радиацией.
При определении интенсивности падающей солнечной радиации на ограждение пиранометр устанавливают на него так, чтобы воспринимаемая поверхность прибора была строго параллельна поверхности ограждения. При отсутствии автоматической записи радиации замеры следует производить через 30 мин в промежутке между восходом и заходом солнца.
Радиация, падающая на поверхность ограждения, полностью не поглощается. В зависимости от фактуры и окраски ограждения некоторая часть лучей отражается. Отношение отраженной радиации к падающей, выраженное в процентах, называется альбедо поверхности и измеряется альбедометром П.К. Калитина в комплекте с гальванометром или потенциометром.
Для большей точности наблюдения следует проводить при ясном небе и при интенсивном солнечном облучении ограждения.
Солнечные излучения. Некоторые физические основы эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом
Осадчий Г.Б., инженер
Для определения основных и второстепенных факторов, влияющих на эффективность аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом, базовым модулем ряда систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1], обратимся к рисунку 1 — где приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие изменения значений различных видов солнечного излучения и их суммарного значения на этом пути.
Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения (энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.
Для оценки эффективности активного использования различных видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных, техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.
Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙10 24 кал тепла. Оно измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях), которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности, перпендикулярную солнечным лучам.
Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде отраженной радиации.
Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение), в свою очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию (собственное излучение).
Прямое солнечное излучение относится к основному природному фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного пруда.
Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называется прямой солнечной радиацией.
Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (с длинами волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм)
Солнечный спектр можно разделить на три основных области:
• ультрафиолетовое излучение ( λ 0,7 мкм) — 46 % интенсивности. Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм 12 мкм) солнечного излучения практически не поступает на Землю [2].
С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм
Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли — на диапазон 0,29 – 2,5 мкм [3].
Проследим, как перераспределяются, в общем виде, потоки энергии, которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной мощности (1,36 кВт/м 2 ), попадающей на Землю, и проследим за их путями в атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м 2 ), короткий ультрафиолет солнечного спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их. Ещё три процента (40,8 Вт/м 2 ) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном стратосферы. Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м 2 ) остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше водяного пара практически нет).
Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м 2 ) приходятся на «окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм 2 ), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи — оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2 ) начального светового потока — достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2 ) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2 ) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2 ) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2 ) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8 Вт/м 2 ) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м 2 ), а остальное распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408 Вт/м 2 ) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м 2 ) вниз.
Это была описана общая, осредненная, картина перераспределения солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой деятельности и вот почему.
Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в высоких.
Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20, и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5) при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600 и 400 Вт/м 2 (при 42 ⁰ — m = 1,5, а при 15 ⁰ — m = 4). В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м 2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный ореол» в радиусе ≈ 5⁰.
В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.
Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы
Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня — 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.
Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую — водяной пар. Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2 средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом) до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы — от 0,67 до 0,77 [4].
Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном излучение видимого спектра [1], с той длиной волны, которая беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1 см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая граница пропускания инфракрасного излучения составляет — 2,7 мкм.
Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по степи также снижает прозрачность атмосферы.
Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем, чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение λmax×Τ=c¹[ с¹= 0,2898 см∙град. (закон Вина)], с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой Τ (⁰К). Например, человеческое тело, имеющее температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λmax = 9,3 мкм [5]. А стенки, например, гелиосушилки, с температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λmax = 8 мкм.