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港科大《AFM》:可为高压电线除冰/除霜的纳米涂层!

2022-05-14  材料科学网   |  转藏
   
在寒冷的冬季,高压架空电线路上的冰雪可能严重威胁电力传输和电信系统的可靠性。电线除冰的绿色技术能够以温和的方式有效去除电缆上的积冰或雪。然而,由于电缆表面复杂,这项技术具有很大的挑战性。
 
来自香港科技大学的学者报告了一种与平面和复杂曲面兼容的可扩展的太阳能热疏冰纳米涂层。喷涂的纳米涂层包括氮化钛纳米颗粒层作为低发射率光热介质和双尺度二氧化硅颗粒作为防水层。通过高效太阳能热转换和对温度不敏感的超疏水性的集体效应,纳米涂层可在低至 -15 °C 的严寒温度下对电线进行有效的除冰/除霜。这种涂层的多功能性及其与大规模生产工艺的兼容性使得被动式太阳能驱动除冰技术有望在大多数户外暴露表面的实际应用中得到应用。相关文章以“Solar Deicing Nanocoatings Adaptive to Overhead Power Lines”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:
/doi/10.1002/adfm.202113297


图1. 用于输电线路除冰/除霜的低辐射太阳能辅助超疏水 (LE-SS) 纳米涂层示意图。LE-SS 涂层可以收集 90% 的阳光并将其转化为热量,但由于其6% 的低发射率,其可以通过抑制热辐射造成的热量损失从而保持足够热量。
 

图2. LE-SS 涂层的制造、表征和性能。a) 使用超声波喷涂机制造 LE-SS 涂层的过程。b) Al 上的大面积 LE-SS 纳米涂层,具有优异的防水性。c) 由双尺度 SiO 2颗粒构成的分级形态的 SEM 图像。d) 500 到 80nm SiO2颗粒在 25 °C(红线)和 0 °C(蓝线)下不同质量比的水接触角。e)具有三次镀膜的500至80 nmSiO2颗粒的不同质量比的红外发射率光谱。f) 铝上的 LE-SS 涂层和原始铝板的吸收率/发射率光谱,以及 AM1.5 G 太阳光谱和25 °C 时的黑体辐射光谱。
 

图3. LE-SS 涂层与平面和曲面的兼容性。a) LE-SS 涂层在各种平面(304 钢、Cu 和 Ag/玻璃)上的超疏水性的演示。b) 弯曲铜管上 LE-SS 涂层的演示。c) LE-SS 涂层 ACSR 电缆的演示。d) LE-SS 涂层 ACSR 电缆在不同太阳能强度(1 sun 为 1.0 kW m –2 )下的温升(Δ T ,相对于环境)。e)本文的 LE-SS 涂层在各种平面和曲面上的温升 ( ΔT ) 以及在1 太阳光照下的原始表面的温升。
 

图4. LE-SS 涂层 ACSR 电缆的太阳能除冰性能。侧视图图像序列显示了 a) LE-SS 涂层电缆和 b) 原始电缆在 -15 °C 的低环境温度下在 1 阳光照射下的除冰过程。c)除冰实验装置示意图,其中电缆由隔热聚苯乙烯泡沫塑料悬挂。电缆正上方的太阳模拟器用于提供太阳辐射。腔室温度控制在 -15 ± 1 °C。d) 在相对较弱的太阳光照下的除冰温度。太阳强度范围:0.4–1.0 kW m -2 

图5. LE-SS 涂层 ACSR 电缆的太阳能除霜性能。侧视图图像序列显示了 a) LE-SS 涂层电缆和 b) 原始电缆在 -15 °C 的低环境温度下在 1 太阳光照射下的除霜过程。c) 电缆上除霜前/后的残留水量,以及它们的质量差。d) LE-SS 涂层电缆的 10 个结霜/除霜周期的除霜时间,以及每个周期后测量的 1-sun 稳态表面温度。

本文开发了一种在中红外区域透明的超疏水太阳能-热冷冰涂层,其可以产生低的发射率。该多功能涂层由作为太阳能吸收材料的氮化钛纳米粒子和双尺度 SiO2组成颗粒在很宽的温度范围内作为超疏水层。溶液处理的涂层与电线电缆等平面和复杂曲面兼容。疏冰涂层的平均太阳能吸收率为 90%,而红外发射率仅为 6%,因此大大抑制了辐射热损失,在 1 个太阳下产生了72°C 的创纪录高温。涂层的除冰和除霜能力在电线电缆上得到了证明。在 -15 °C 时,在 860 秒内 1太阳光照射下,从涂层电缆上成功去除了积冰,并且使表面保持干燥,没有任何水残留。另外,该涂层不仅显着减缓了霜的形成,而且在-15°C时也能快速除霜(515秒)。(文:SSC)

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