Hệ thống làm mát thụ động có thể có lợi cho các địa điểm không có lưới điện

Hệ thống làm mát thụ động có thể có lợi cho các địa điểm không có lưới điện

    Hệ thống làm mát thụ động có thể có lợi cho các địa điểm ngoài lưới điện
    bởi David L. Chandler, Viện Công nghệ Massachusetts

    Passive cooling system could benefit off-grid locations
    Hai mẫu thiết bị làm mát thụ động đã được thử nghiệm trên mái của Tòa nhà 1 của MIT: Ở bên trái, một mẫu của hệ thống mới, kết hợp làm mát bay hơi, làm mát bức xạ và cách nhiệt. Ở bên phải, một thiết bị chỉ sử dụng làm mát bay hơi, để thử nghiệm so sánh. Ảnh: Zhengmao Lu


    Khi thế giới nóng lên, việc sử dụng các hệ thống điều hòa không khí ngốn điện được dự báo sẽ tăng lên đáng kể, gây căng thẳng cho các lưới điện hiện có và bỏ qua nhiều địa điểm có ít hoặc không có nguồn điện đáng tin cậy. Giờ đây, một hệ thống sáng tạo được phát triển tại MIT cung cấp một cách sử dụng làm mát thụ động để bảo quản cây lương thực và bổ sung cho máy điều hòa không khí thông thường trong các tòa nhà, không cần nguồn điện và chỉ cần một lượng nhỏ nước.

    Hệ thống kết hợp làm mát bằng bức xạ, làm mát bay hơi và cách nhiệt trong một gói mỏng có thể giống với các tấm pin mặt trời hiện có, có thể cung cấp tới khoảng 19 độ F (9,3 độ C) làm mát từ nhiệt độ môi trường, đủ để cho phép thực phẩm an toàn lưu trữ lâu hơn khoảng 40 phần trăm trong điều kiện rất ẩm ướt. Nó có thể tăng gấp ba lần thời gian lưu trữ an toàn trong điều kiện máy sấy.

    Các phát hiện được báo cáo trên tạp chí Cell Reports Physical Science, trong một bài báo của MIT postdoc Zhengmao Lu, Arny Leroy Ph.D. '21, các giáo sư Jeffrey Grossman và Evelyn Wang, và hai người khác. Trong khi cần nghiên cứu thêm để giảm chi phí của một thành phần quan trọng của hệ thống, các nhà nghiên cứu nói rằng cuối cùng một hệ thống như vậy có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu làm mát của nhiều nơi trên thế giới, nơi thiếu điện hoặc nước hạn chế việc sử dụng các hệ thống làm mát thông thường.

    Hệ thống kết hợp khéo léo các thiết kế làm mát độc lập trước đó, mỗi thiết kế cung cấp lượng điện năng làm mát hạn chế, để tạo ra khả năng làm mát tổng thể nhiều hơn đáng kể — đủ để giúp giảm thất thoát thực phẩm do hư hỏng ở những nơi trên thế giới vốn đang bị hạn chế về nguồn cung cấp thực phẩm. Nhận thấy tiềm năng đó, nhóm nghiên cứu đã được hỗ trợ một phần từ Phòng thí nghiệm Hệ thống Thực phẩm và Nước Abdul Latif Jameel của MIT.

    Lu nói: “Công nghệ này kết hợp một số tính năng tốt của các công nghệ trước đó như làm mát bay hơi và làm mát bức xạ. Bằng cách sử dụng sự kết hợp này, ông nói, "chúng tôi cho thấy rằng bạn có thể kéo dài tuổi thọ thực phẩm đáng kể, ngay cả ở những nơi bạn có độ ẩm cao", điều này hạn chế khả năng của các hệ thống làm mát bằng bức xạ hoặc bay hơi thông thường.

    Ở những nơi có hệ thống điều hòa không khí hiện có trong các tòa nhà, hệ thống mới có thể được sử dụng để giảm tải đáng kể cho các hệ thống này bằng cách đưa nước mát đến phần nóng nhất của hệ thống, bình ngưng. Lu nói: “Bằng cách giảm nhiệt độ bình ngưng, bạn có thể tăng hiệu suất của máy điều hòa không khí một cách hiệu quả, nhờ đó bạn có thể tiết kiệm năng lượng.

    Ông nói, các nhóm khác cũng đang theo đuổi công nghệ làm mát thụ động, nhưng "bằng cách kết hợp các tính năng đó một cách hiệp đồng, giờ đây chúng tôi có thể đạt được hiệu suất làm mát cao, ngay cả ở những khu vực có độ ẩm cao mà công nghệ trước đây thường không thể hoạt động tốt."

    Hệ thống bao gồm ba lớp vật liệu, cùng nhau cung cấp khả năng làm mát khi nước và nhiệt đi qua thiết bị. Trên thực tế, thiết bị này có thể giống như một tấm pin mặt trời thông thường, nhưng thay vì tiêu thụ điện, nó sẽ trực tiếp cung cấp khả năng làm mát, chẳng hạn bằng cách hoạt động như mái nhà của một thùng chứa thực phẩm. Hoặc, nó có thể được sử dụng để dẫn nước lạnh qua các đường ống để làm mát các bộ phận của hệ thống điều hòa không khí hiện có và cải thiện hiệu quả của hệ thống này. Việc bảo dưỡng duy nhất được yêu cầu là bổ sung nước cho quá trình bay hơi, nhưng mức tiêu thụ quá thấp nên việc này chỉ cần thực hiện khoảng bốn ngày một lần ở những khu vực khô nhất, nóng nhất và chỉ một tháng một lần ở những khu vực ẩm ướt hơn.

    Lớp trên cùng là aerogel, một vật liệu bao gồm chủ yếu là không khí được bao bọc trong các khoang của một cấu trúc giống như bọt biển làm bằng polyetylen. Vật liệu có tính cách nhiệt cao nhưng cho phép cả hơi nước và bức xạ hồng ngoại đi qua một cách tự do. Sự bốc hơi của nước (bốc lên từ lớp bên dưới) cung cấp một phần năng lượng làm mát, trong khi bức xạ hồng ngoại, tận dụng độ trong suốt cực cao của bầu khí quyển Trái đất ở các bước sóng đó, tỏa một phần nhiệt lên thẳng không khí và vào không gian. —Các máy điều hòa không khí không giống như máy điều hòa không khí, phun không khí nóng ra môi trường xung quanh ngay lập tức.

    Bên dưới aerogel là một lớp hydrogel - một vật liệu giống như bọt biển khác, nhưng là một loại vật liệu có các lỗ chân lông chứa đầy nước chứ không phải không khí. Nó tương tự như vật liệu hiện đang được sử dụng thương mại cho các sản phẩm như miếng làm mát hoặc băng vết thương. Điều này cung cấp nguồn nước để làm mát bay hơi, vì hơi nước hình thành trên bề mặt của nó và hơi nước đi lên ngay qua lớp aerogel và ra ngoài môi trường.

    Bên dưới lớp đó, một lớp giống như gương phản chiếu 

    bất kỳ ánh sáng mặt trời nào chiếu tới nó, gửi nó trở lại qua thiết bị thay vì để nó làm nóng vật liệu và do đó giảm tải nhiệt của chúng. Và lớp aerogel trên cùng, là một chất cách nhiệt tốt, cũng có khả năng phản xạ năng lượng mặt trời cao, hạn chế lượng mặt trời sưởi ấm của thiết bị, ngay cả dưới ánh nắng trực tiếp mạnh.

    Lu giải thích: “Sự mới lạ ở đây thực sự chỉ là tập hợp tính năng làm mát bằng bức xạ, tính năng làm mát bay hơi và cả tính năng cách nhiệt trong một kiến ​​trúc,” Lu giải thích. Lu cho biết, hệ thống đã được thử nghiệm, sử dụng một phiên bản nhỏ, chỉ 4 inch, trên tầng thượng của một tòa nhà tại MIT, chứng minh hiệu quả của nó ngay cả trong điều kiện thời tiết không tối ưu, Lu nói, và đạt được 9,3 độ C làm mát (18,7 F).

    Lu nói: “Thách thức trước đây là các vật liệu bay hơi thường không đối phó tốt với việc hấp thụ năng lượng mặt trời. "Với những vật liệu khác này, thường khi chúng ở dưới ánh nắng mặt trời, chúng sẽ bị đốt nóng, vì vậy chúng không thể đạt được công suất làm mát cao ở nhiệt độ môi trường xung quanh."

    Các đặc tính của vật liệu aerogel là chìa khóa cho hiệu quả tổng thể của hệ thống, nhưng vật liệu đó hiện nay rất đắt tiền để sản xuất, vì nó đòi hỏi thiết bị đặc biệt để làm khô điểm tới hạn (CPD) để loại bỏ dung môi từ từ khỏi cấu trúc xốp mỏng manh mà không làm hỏng nó. Đặc điểm chính cần được kiểm soát để cung cấp các đặc tính mong muốn là kích thước của các lỗ trong aerogel, được tạo ra bằng cách trộn vật liệu polyetylen với dung môi, cho phép nó trở nên giống như một bát Jell-O, và sau đó nhận được dung môi ra khỏi nó. Nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá các cách làm cho quá trình sấy khô này trở nên rẻ hơn, chẳng hạn như sử dụng phương pháp đông khô hoặc tìm các vật liệu thay thế có thể cung cấp cùng chức năng cách nhiệt với chi phí thấp hơn, chẳng hạn như các màng ngăn cách bởi một khe hở không khí.

    Trong khi các vật liệu khác được sử dụng trong hệ thống luôn sẵn có và tương đối rẻ, Lu nói, "aerogel là vật liệu duy nhất là sản phẩm từ phòng thí nghiệm cần được phát triển thêm về mặt sản xuất hàng loạt." Và không thể dự đoán được sự phát triển đó có thể mất bao lâu trước khi hệ thống này có thể trở thành hiện thực để sử dụng rộng rãi, ông nói.

    Nhóm nghiên cứu bao gồm Lenan Zhang thuộc Khoa Cơ khí của MIT và Jatin Patil của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.

    Zalo
    Hotline