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        FIE | 前沿研究:“泵”向更清涼的未來——零碳制冷的電卡材料
        發布時間: 來源: 高教學術公眾號

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          2022年2月25日,本刊發表了來自上海交通大學錢小石教授的觀點文章(Viewpoint):Pumping into a Cool Future: Electrocaloric Materials for Zero-Carbon Refrigeration,介紹了電卡制冷技術在低碳替代技術過程中展現的優越性,闡明了電卡制冷設備在個性化、分布式建筑空調系統中發揮的節能作用,分析了電卡制冷技術目前面臨的挑戰,并展望了電卡制冷技術的廣泛應用前景。

          #1 文章首先對全球建筑能源消耗和空調需求量進行了歸納和分析。

          目前建筑采暖主要依賴于化石能源燃燒和電加熱等手段,采暖能耗約占據建筑能源消耗的約45%,且排放了巨量的二氧化碳。據國際能源署的公開數據顯示,在2019年,由建筑采暖耗能導致的二氧化碳排放量達到了4.3 Gt,約占全球總二氧化碳排放量的12%。熱泵技術憑借其高能量利用率,在建筑采暖領域具有巨大的潛力,而目前熱泵主要被使用在建筑內空間制冷中,制熱主要并不由熱泵提供。在2019年,大空間冷卻消耗的能源約占總空調耗能的15%左右,相當于間接排放了1 Gt的二氧化碳。與此同時,傳統商用空調和冰箱中使用的熱泵仍在使用大量高GWP的HCFC工質,這導致了巨量的直接二氧化碳排放量。

          國際能源署評估建筑內空間冷卻導致的二氧化碳排放量遠沒有達到峰值。一方面,近年來,持續攀升的氣溫和極端天氣使很多城市中的空調使用量增加,導致二氧化碳排放量的進一步增加。另一方面,空調的使用量還沒有達到飽和。另根據國際能源署的統計數據,全球約35%的人口的居住地需要安裝空調,但僅15%的人口真正擁有空調。隨著經濟水平的進一步提升,尤其是發展中國家經濟水平的提升,和全球環境的變化,預計到2050年,擁有空調的人口占比會翻兩番,即達到60%,到2060年,制冷領域的耗電量會增加一倍以上。

          因此,為了降低二氧化碳的排放量,完善目前的熱泵技術是頭等重要的工作。為滿足可持續發展的綠色環保理念,社會呼吁對熱泵技術進行顛覆性創新,比如小型化、定制化、局域化、便攜性、無直接二氧化碳排放、可長期穩定工作并適應市場價格等。

          #2 電卡制冷技術具有替代目前熱泵技術的巨大潛力。

          在諸多正被開發的替代性熱泵技術中,電卡制冷技術滿足上述的多方面要求,具備填補目前制冷制熱領域碳排放技術性問題的關鍵潛力。電卡制冷技術通過在凝聚態物質上施加或移除電場,使材料在兩種極化熵狀態之間發生相變,以實現制冷或制熱效果。電卡效應早在1930年就被發現,但因溫變過小,因此并沒有被廣泛應用。本世紀以來,在鐵電-順電相變溫度附近發現“巨電卡效應”(溫變大于10 K)后,該領域得到了迅速的發展。直接與間接測量結果表明,電介質在加/去電場時,固態制冷工質可以產生5到10 K的溫差,這為電卡效應的工程應用重新提供了可能性。

        圖1 國際能源署根據不同國家和地區的人均收入和需要使用空調的天數對2030年和2060年戶均空調持有量的預估值。

          #3 文章對電卡制冷材料進行了概括和分類。

          除少部分電卡效應在流體、液晶中被預測外,大部分電卡效應都在固態材料中發現,這些固體材料包括無機有機鐵電材料,例如含鉛與無鉛陶瓷,單晶,以及聚偏氟乙烯(PVDF)基鐵電聚合物等。出于對能量可逆性與適用溫區的考慮,研究界普遍認為電卡材料應處于鐵電弛豫或超順電狀態。少數鐵電體僅在超臨界電場驅動下具備寬溫區應用的條件。

          目前無機電卡材料主要包括PbTiO3基、BaTiO3基、KNbO3基、SrTiO3基鈣鈦礦材料,單晶,陶瓷,固溶體,以及二維無機材料等。最近在PbSc0.5Ta0.5O3的多層陶瓷電容器(MLCC)中直接測得的大電卡效應表明,無機材料可通過成熟的商用制造工藝被集成為大塊材料。

          與無機電卡材料不同,有機聚合物電卡材料具有較高的機械強度和介電強度,可以在彎曲、大應變下穩定運行,因此適用于更柔軟的應用場合。此外,聚合物材料可以不經過高溫處理,直接通過卷對卷工藝輕松被制成薄膜和多層電容器形態(用作制冷工質)等,制造工藝簡單。在有機聚合物基礎上,復合納米材料也受到研究人員的關注。研究表明,基于聚合物電卡材料的冷卻設備與其他替代制冷技術設備結構不同,工質具有柔性,傳熱過程無需流體管道,直接使用電能驅動熵變、場效應的可逆性高,驅動電源等系統輔助裝置易于產業化,系統集成度高,易于與微機電系統結合實現制冷系統輕量化,因而可以在發揮高效制冷性能的同時,滿足各種新興技術領域的個性化冷卻需求。

        圖2 電卡制冷循環示意圖。

          #4 電卡制冷設備以電卡制冷材料作為工質,具有諸多優點。

          從熱力學統計理論出發,電卡效應與磁熱效應(由磁場控制材料熵變實現熱力學循環)在物理上近似平行,同樣使用廣義力驅動廣義位移產生熵變,因此電卡制冷設備與磁制冷設備在設計理念上有相似性,固態制冷材料呈線性排列、旋轉排布和級聯等;傳熱機制一般分為固液傳熱和固固傳熱等,有些設備還包含主動回熱裝置。電卡制冷設備的工質本質上是介電電容器,GWP為0,在充放電過程中效率很高,因此設備可以實現熱泵的低碳排放。此外,電卡制冷設備直接、并高效地利用電力,其電源、控制板和其他輔助部件可以集成在日常使用的集成電路中,制冷設備因此可以實現小型化與輕量化,并有望被集成在板載系統中,應用于更靠近熱源的關鍵位置。

          影響建筑能源消耗的一個主要因素是工作溫度范圍或“自然溫度區間”,在這個溫度范圍內,空調系統不需要進行加熱或冷卻。在具有中央空調系統的建筑物中,自然溫度區間往往被設置在比ANSI/ASHRAE標準更嚴格的21到24°C之間。電卡熱泵可以被用作局域化的定點熱管理系統,這種系統可以改變人體周圍的局部熱環境,而不是改變整個建筑物的溫度,從而在不降低人體舒適度的前提下實現更寬的自然溫度區間設定點。如圖3所示,Hoyt等人的研究結果展示了自然溫度區間設定點從21–24°C拓寬后,四個城市一年節省的能源占比。上下各拓寬2°C可以實現超過15%的節能效果。因此,這種局部定點熱管理系統放寬了建筑的嚴格環境限制要求,為下一代建筑設計中的可持續發展奠定了基礎。

          對于很多新興的應用場景,如局部冷卻和可穿戴冷卻等,除了要考慮能源和環境問題外,還需要考慮熱泵的輕質化、緊湊化和柔韌性,這些為電卡熱泵的應用提供了可能性,同時也是傳統熱泵與其他替代技術無法滿足的。

        圖3 (a) 用五種不同模型計算的空調系統節能比例隨著自然溫度區間變化的情況;(b) 定點冷卻的汽車座椅。

          #5 文章指出,目前,電卡制冷技術的進一步發展在許多方面仍面臨很大挑戰。

          在材料制造方面,有很多需要被考量的因素。首先,需要合理地根據考慮材料特性,實現大規模生產。生產的性能優良的工質應該能夠被集成,以實現足夠大的制冷能力。為了滿足外界熱負荷足夠大的使用場景需求,對納米級薄膜工質的研究應該被疊層放大,方能推廣到具有實際意義的設備中。其次,在電卡制冷設備中,系統的可靠性與使用壽命和設備的冷卻效果同等重要,因此需要讓工質在擊穿場強的約20%–30%以內的電場下工作。另外,在可穿戴設備中,除了工質所處的電場之外,人體安全電壓限制亦是一個關鍵問題。最后,降低工質的比熱也很重要,畢竟最終目標是在環境中泵送熱量,而不是改變工質本身的溫度。

          為實現真正的零碳排放制冷,需要系統研究如何將電卡熱泵集成到諸如太陽能光伏、儲能(電池系統)、微電網等可再生能源系統中。為了盡快實現雙碳目標和零碳排放熱管理,社會呼吁具有個性化、針對性、可穿戴等先進性能的電卡熱泵技術快速落地,使其作為補充技術而不是替代目前主流技術,慢慢融入目前的商用技術方案中。

        作者簡介

          錢小石,國家高層次引進人才青年項目獲得者,上海交通大學機械與動力工程學院教授,前瞻交叉研究中心執行副主任,博士生導師。

          現任國際能源署“先進熱泵技術”附件組專家、中國“相變制冷材料與技術專業委員會”委員。于南京大學材料科學與工程系獲得學士、碩士學位;2015年于美國賓州州立大學電子工程系獲博士學位,曾任美國高科技初創企業副總裁、首席技術官,2018年7月起受聘于上海交通大學機械與動力工程學院。主要從事凝聚態相變功能材料與智能機械與能源系統研究,設計了世界首臺以高分子為工質的制冷設備,首次提出了極化高熵高分子材料的設計方法及其增強電致熵變的物理機制。全職回國后,已在Nature, Science, Joule(2), Nature Nanotechnology等期刊發表論文。任國家重點研發計劃項目課題負責人,主持自然科學基金面上項目,上海市科委“原創探索”項目等。

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        責任編輯:施惠文

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