科学网

已有 1912 次阅读 2023-11-21 17:39 |系统分类:海外观察

一种新型热泵如果真正可行，将可以完全避免在空调和冰箱中使用对环境有害的气体。上周发表在《科学》杂志上的一项研究中描述了一个原型1，使用电场和特殊陶瓷代替交替蒸发制冷剂流体并用压缩机冷凝以加热或冷却空气。

该技术结合了许多现有技术，并具有“最高级的性能”，英国剑桥大学的材料科学家Neil Mathur说。

卢森堡贝尔沃科学技术学院的材料科学家伊曼纽尔・德菲（Emmanuel Defay）和他的合作者用具有强烈电热效应的陶瓷制造了他们的实验装置。表现出这种效应的材料在暴露于电场时会发热。

在电热材料中，原子具有电极化――它们的电子分布略有不平衡，这使这些原子具有“正极”和“负极”。

当材料单独放置时，这些原子的极化会不断向随机方向旋转。但是当材料暴露在电场中时，所有的静电极都会突然对齐，就像头发朝一个方向梳理一样。这种从无序到有序的转变意味着电子的熵――物理学家测量无序的方式――突然下降，Defay解释说。

但是热力学定律说，一个系统的总熵永远不会下降，所以如果它落在某个地方，它必须在其他地方增加。他说：“这种材料摆脱这种额外混乱的唯一可能性是将其倒入其晶体结构的晶格中。这种额外的无序意味着原子本身开始更快地振动，导致温度升高。

然后，研究人员通过在电热材料板之间流动流体来带走热量，同时保持电场开启。结果是板坯恢复到原来的环境温度，但具有较低的偏振熵。如果研究人员随后关闭电场，就会产生相反的效果：极化再次变得混乱，熵从陶瓷的原子晶格中倾泻而出，将热量带走。结果是晶格变得比环境温度更冷，它可以冷却在板之间泵送的流体。然后循环再次开始。

在冰箱或空调中，来自预热流体的热量会分散在环境中，而冷却的流体将用于保持室内或房间的寒冷。为了加热，热泵将冷却外部环境，从中提取热量以泵入建筑物。

Defay说，尽管该技术尚未准备好商业化，但随着进一步的改进，他的团队的电热泵的效率可能与现有热泵的效率具有竞争力。这是一个很难达到的标准，因为基于压缩机的热泵已经非常高效：例如，当用于建筑物供暖时，它们可以产生三倍或更多的热量，而耗电量相同。但与标准热泵不同的是，电热热泵不需要氢氟碳化物或氨等对环境有潜在危害的制冷剂。而且由于它消除了对压缩机的需求，因此它可能适合更小、更简单的设备，Defay 补充道。

A highly efficient solid-state heat pump | Science

电热泵是一种热固态技术，与磁热和机械热对应物一起，代表了传统、相对低效且对环境有害的蒸汽压缩系统的有前途的替代方案。电热技术基于暴露在电场下的铁电材料，电场会触发材料极化的变化，因此施加电场会增加材料的温度，而去除电场会引起冷却。可以围绕这种效应建立热力学循环，提供环保且理论上高效的冷却和热泵系统。然而，到目前为止，该热量装置的原型未能达到最大效率的 40%（卡诺效率）。在本期的第 801 页，Li 等人展示了一种再生电卡装置，该装置可以达到 67% 的 Carnot 效率，最大温度跨度为 >20 K，最大冷却功率为 ~4 W。这种高效率是一项重要的改进，因为它最终证实了许多预测热量技术高效率的理论研究。

制冷和空调对现代社会至关重要，但环境成本很高。目前使用的几乎所有冷却和热泵设备都依赖于蒸汽压缩技术，该技术的工作原理是使制冷剂通过封闭系统循环，反复压缩和膨胀，通过制冷剂的液气相变，将热量从低温泵送到高温。目前，这些系统占全球电力消耗的~20%和温室气体排放量的7.8%。预计到 2050 年，对制冷和空调的需求将增加两倍。同时，热泵（供暖模式下的冰箱）是供暖行业脱碳的重要组成部分。2021 年，全球约有 1.9 亿台热泵机组在运行，但它们仅满足全球建筑供暖需求的 10%，低于为 2050 年设定的净零排放目标。

尽管一些大型蒸汽压缩系统可以实现超过 50% 的卡诺效率，但通常在千瓦范围内的小型系统（例如单室空调设备）通常低于卡诺效率的 30%。此外，这些系统仍然主要依赖对环境有害的制冷剂，如氢氟碳化物，这些制冷剂具有很高的全球变暖潜能值。《蒙特利尔议定书》的《基加利修正案》要求在未来十年内逐步淘汰具有高全球变暖潜能值的合成制冷剂，取而代之的是氨、二氧化碳或碳氢化合物等天然制冷剂。但这些天然制冷剂有局限性，例如可燃性、毒性或效率相对较低。

开发高效的电卡器件需要考虑电卡材料，将其堆叠成高效的传热几何形状，以及出色的功恢复（利用去除电场时释放的能量）（见图）。在一些无机和有机材料的薄膜中观察到较大的电热响应，温度变化高达 12 K 。与块状材料相比，薄膜具有更高的电击穿强度（电材料在不发生电击穿的情况下可以承受的最大电场强度），因此薄膜对于实现 10 K 以上的温度变化至关重要。尽管如此，薄膜仍面临着与其脆性和电卡材料质量小相关的挑战，这阻碍了它们在热泵系统中的实际应用。为了克服这些挑战，人们探索了多层电容器 （MLC），它将薄膜的强力电击穿强度与块状材料的机械性能和更大的活性电卡质量相结合。值得注意的是，基于 PbSc 的高质量 MLC0.5Ta0.5O3（PSTMLC） 已经证明了大且高度可逆的电热效应（由小的滞后损耗引起，代表了输入功的不可恢复部分），在室温左右的宽温度范围内在 29 V/？m 下实现了 ~5.5 K 的温度变化。

大多数冷却和热泵应用需要至少 20 K 的温度跨度，这是当前电热材料无法达到的阈值。这一局限性促使采用多级热力学循环，以将温度跨度提高到电热材料以上。这些循环可以级联或再生 ，迄今为止，最初在磁热技术中开发的再生方法已显示出卓越的冷却性能。电卡蓄热器是由电卡材料制成的多孔结构，传热介质通过该结构振荡，这决定了散热器和热源之间的温度跨度。然而，高效而强大的电热蓄热体需要优异的传热几何形状，具有较大的传热面积、薄壁和较小的水力直径，以实现显着的冷却加热性能。

实现高效电卡器件的第三个关键组成部分是高效的功恢复。也就是说，电热材料的极化需要做功，而在去极化期间（当电场被移除时），电能被释放并可以储存起来，以促进后续循环中的极化。通过使用高效的电容器充电转换器，可以回收惊人的 99.7% 的能量。

Li等人提出的再生电热装置是类似装置的改进迭代，并成功地集成了高效热量装置的所有关键组件。它将具有大可逆温度变化和小滞后 （PST-MLC） 的电热材料以及高效的蓄热器几何形状与基于双传热回路的有效系统架构相结合，该架构将电卡蓄热室两侧的入口和出口流体流分开，从而减少死体积和混合损失。尽管该系统的性能可能达不到许多实际应用的要求，这些应用通常需要在温度跨度超过20 K时至少需要数百瓦的冷却能力，但Li等人的工作强调了电卡技术的巨大未来潜力。

需要进一步的研究和扩展来提高电卡器件的冷却功率。然而，与其他热量方法相比，电热技术的一个关键优势是其小型化和紧凑化的潜力。因此，电热器件可用于微冷却应用，例如电子设备的热管理。此外，Li等人的原型显示出相当大的潜力，可以扩展到更大的冷却和加热功率。