探索发现 · 学术讲座

高效太阳能与热能转换材料与器件的创新
Innovations in Materials and Devices for Efficient Solar and Thermal Energy Utilization — 大师讲坛第130期

陈刚,美国工程院院士,美国艺术与科学院院士,美国科学促进会院士,台湾“中央研究院”院士。他是麻省理工学院Carl Richard Soderberg讲席教授,是麻省理工学院机械工程系系主任、美国能源部“固态光热转换能源前沿研究中心”主任。陈刚教授于加州大学伯克利分校获得机械工程博士学位,先后执教于杜克大学和加州大学洛杉矶分校,于2001年加入麻省理工学院。他所获得荣誉包括美国自然科学基金会青年研究员奖,R&D 100奖,美国机械工程师学会传热学纪念奖和Frank Kreith纪念奖,日本机械工程师学会Nukiyama纪念奖,工程科学学会Eringen Medal。他是美国物理学会和美国机械工程师学会的终身会士。

陈刚教授的研究涉及热传递、纳米技术和能源,主要包括微米和纳米尺度能量转换与能量传输机理的实验、理论和数值计算;具有高和低导热率的纳米工程材料;热辐射和电磁超材料;固体能量转换系统、微机电系统、热感应传感器;水处理和海水淡化。2009年,陈刚领导的团队通过实验证实物体极接近的热辐射传输,可高到定律所预测的千倍,即打破了德国物理学家普朗克于1900年创立的黑体辐射定律的预测。陈刚率先研究量子结构中的热传导,他的研究结果推动纳米结构的热电材料的研发。他在刊物中发表有关纳米结构中的热传导、热电传输理论和性能评估,以及辐射热方面的文章。陈刚出版了1本专著,参与合著其他10本专著;他发表了160多篇期刊论文,他在240多个国际会议和国际研究组织中发表了主题演讲和特邀演讲。


从太阳和地球资源中获得热能是人类历史发展的主要动力。90%以上的人类社会的能源都是先转换成热能获得的,但是其中只有40%的热能被有效利用了,这远低于热力学第二定律的理论效率。对于纳米尺度热传递与能源转换的理解可以产生出新的材料和器件来提高热利用的效率。这个报告将介绍我们关于先进能源材料和器件最新的科研成果,并解释成果背后的纳米科学基础原理。

1.为降低太阳能转换成电能的成本,我们使用新型纳米结构来降低单晶硅薄膜的厚度。同时,我们使用光学透明的热绝缘气凝胶技术来替代太阳能真空管集热器来降低聚光太阳能系统的成本,提高热效率。

2.通过纳米结构的研发,我们大幅度提高了热电材料的效率,提高了低品位热能的利用率。

3.通过开发选择性光吸收表面结构,我们开发了新型锅炉,可以在非聚光条件下实现水的沸腾。

4.通过开发红外反射结构,我们开发了热光伏器件,大幅度提高了热辐射光子转换成电能的效率。同时,使用相同的结构,我们还提高了白炽灯的照明效率。

5.我们把常用的电池变成热电转换装置,利用电池热端和冷端的循环温度差实现了高效能源转换。

6.一般认为塑料是热的绝缘体。我们调控分子取向,使得塑料具有和金属一样的导热率。

7.通过调节衣物纤维的尺寸,我们设计了新型纺织物。这种纺织物具有光学选择性,在可见光波长范围内不透明,但是具有极高的红外热发射率,可以在不使用外部能源的情况下实现高温天气下人体体温的调节。

研究生院