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自主科技| 光致發光優化陽光輻射 納米材料助建築綠色轉型

理大建築環境及能源工程學系教授呂琳教授
理大建築環境及能源工程學系教授呂琳教授(右),博士後研究員龔權博士研發智能納米降溫塗層,利用光致發光原理優化陽光,達到輻射降溫和增加光伏發電的雙重效果。

[自主科技]

全球暖化導致,城市混凝土吸熱,熱島效應更明顯,建築物佔去城市耗能九成,香港走向碳中和,建築綠色轉型是當務之急。

建築物降溫靠「主動冷卻」和「被動冷卻」,主動冷卻通過消耗能量冷卻,例如空調系統;「被動冷卻」,通過自然過程和建築設計散熱,低耗能甚至不耗能下保持的室內舒適度。

香港走向碳中和,首先要降低建築物的能耗。理大研發出多項材料,包括「全鋼化真空玻璃」等改善節能。近年,「被動冷卻」研究大熱,太陽熱量大部分來自輻射,到達建築表面時,部分輻射被材料反射吸收,部分則進入室內,其中一個應對方法是在外牆塗上特殊物料可通過漫反射熱輻射,降少輻射傳熱來降溫。

建築物天台和外牆會吸熱,陽光又是再生能源,高溫會影響光伏設備效率,只要降低建築表面溫度,除了改善室內舒適度,還可提光伏發電量,加快走向碳中和。

「碳量子點」(Carbon Dots)製成塗層
塗層有效顯著降溫效果,避免建築物吸收過量熱力,同時增加光伏的發電效率。圖中測試表面溫度的差距可達攝氏7至8度。

輻射冷卻炙手可熱

近年的降溫材料,「日間輻射冷卻」(Daytime radiative cooling )最為熱門,通過「大氣透明窗口」(Atmospheric transparent window),將8~13 µm中紅外波段反射回外太空。外太空接近絕對零度,此技術可實現零能耗無源製冷。

輻射製冷塗層,通過優化太陽光反射光譜和中紅外波段發射譜,輻射冷卻漫反射不僅是反射太陽能輻射,加強周圍環境和大氣透明窗口的熱交換,也可為光伏設備降溫。光伏發電板佈署室外,高溫下發電效率大幅下降,透過輻射冷卻為建築物降溫之餘,增強光伏發電效率,變成新研發方向。

碳量子點
「碳量子點」(Carbon Dots)製成塗層,因應太陽輻射量,自動調節製冷量,還可以製作成不同色彩,增加建築設計的靈活性。

納米材料一物二用

理大團隊研發的智能輻射製冷納米塗層,塗於天台和外牆上,毋須額外能源,降低表面溫度最高達攝氏25度,室內降約2至3度,塗料利用了「光致發光」(Photoluminescence,PL)原理,通過納米材料改變波長,加強輻射冷卻,並改善光伏發電效率。

理大呂琳教授帶領團隊,聯同博士後研究員龔權博士,開發具光致發光功能「碳量子點」(Carbon Dots)塗層,避免建築物吸收過量熱力,同時提昇光伏發電效率。

光致發光廣泛應用在工業,物質吸收光子後,重新輻射出光子,吸收光子躍遷到較高能級激發態後,再返回低能態,同時放出光子,故名為「光」致發「光」。陽光的不可見光,亦帶有輻射熱能,光致發光塗層轉化紅外波段,增加輻射冷卻;亦將紫外光轉換為光子反射,效率更達五至七成,紫外光變為可見光,變成可供光伏發電的波長。此材料較傳統輻射冷卻,效率再提昇二成。

選擇反射提高發電

龔權說,漫反射可避免光伏板的局部温度過高,而通過選擇性反射,又再提高光伏板發電效率,達到降低屋頂溫度,同時又增強光源發電。漫反射則令光伏板部署更加靈活,支援雙層的光伏板,透過多選擇角度,大幅提高全日發電量。

塗層因應太陽輻射量,自動調節製冷量,通過優化太陽光,達到降溫,減低光伏板受熱,轉化波長增加發電量多項功能。光致發光冷卻的效果雖好,以往受多項限制,包括了顏色單調,光致發光材料屬於稀土金屬和鈣鈦礦,引起環境污染憂累。「碳量子點」材料有多種顏色選擇,屬水溶性有機材料,只需等水分蒸發凝固,便形成塗層,也不揮發有機化合物,可減少空氣污染。

塗層獲應用在本港地盤貨櫃屋;經兩年半測試後,屋頂比混凝土降溫達攝氏24度,未來會應用正興建的理大九龍塘學生宿舍,預計提高光伏發電三至五成,減少碳排放三成,以供業界示範及學術研究之用。

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