中科院长春光机所李炜Science：垂直表面的辐射制冷
文摘
2024-11-15 11:16
山东
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低于环境温度的日间辐射冷却（Subambient daytime radiative cooling）能够在低于环境温度下，对外层空间释放热辐射。这种技术使得能够在处于阳光直射状态下仍然达到低于环境温度的冷却效果。因此，这项技术具有许多应用前景。但是以往报道的低于环境温度的日间辐射冷却技术通常只能用于直接面对天空的表面，无法应用于建筑、车辆等场景内的垂直于天空的表面。有鉴于此，中国科学院长春光机所李炜研究员、斯坦福大学范汕洄教授（美国国家工程院院士）、纽约城市大学Andrea Alù教授（美国发明院院士）等报道使用多层设计、角度不对称、光谱热发射器技术，对垂直于天空的表面实现了低于环境温度的日间辐射冷却。相关成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”为题发表在《Science》上。在演示实验中，在920W m2的峰值阳光下，器件的温度比环境温度低~2.5℃，比SiO2-聚合物混合型辐射冷却器相比温度降低4.3℃，比商用白色涂料的温度降低8.9℃。设计光谱选择性热辐射器
热辐射器的设计。设计的热辐射器由覆盖有纳米聚乙烯薄膜的锯齿型光栅组成，锯齿光栅含有水平表面和倾斜表面，倾斜表面为中间氮化硅（SiN）夹层的两层银（Ag）。水平表面覆盖一层Ag，外层覆盖一层SiN。这种设计使得银层能够在可见光和近红外范围内产生强反射。由于Ag层具有吸收紫外区间光的特点，因此为了反射紫外光，使用了聚乙烯纳米薄膜，薄膜含有尺寸为0.3~1μm的孔，能够产生Mie共振，对紫外光和可见光具有强烈的反射。光谱选择性热发射层的设计。通过SiN层设计光谱选择性热发射，SiN在整个太阳波长范围内具有非常低的损耗，而且在11μm附近具有声子极化子共振。在水平和倾斜表面上，SiN层通过Ag层与锯齿光栅分隔，因此能够保证热发射只来自SiN，而不是来自光栅基板。通过锯齿形光栅实现破坏对称性，因此实现角度不对称的热发射。其中，在倾斜表面上的最外层Ag层能够保证阻碍热量向下发射到地面，水平表面上的SiN层能够将热量向上发射到天空。通过改变锯齿光栅的比例h/w（或等效的倾斜角度β），能够方便的调整热发射的角度覆盖范围。 通过这些设计，锯齿光栅实现了光谱选择性和角度不对称的发射率。设计孔径的纳米聚乙烯薄膜能够保证中红外区间内实现接近忽略的散射效率，从而实现较高的中红外透射以及光谱选择性。由于能够同时实现角度选择性和光谱选择性，对于垂直表面白天辐射冷却并达到低于环境温度至关重要。使用模板成型技术进行可规模化的制造工艺，采用标准化的薄膜涂层工艺，在实验中得到优化的锯齿光栅。通过覆盖聚乙烯薄膜改善太阳光的反射，锯齿光栅和纳米聚乙烯薄膜形成的复合结构的太阳光谱区间内平均反射率达到0.978。在中红外波长区间内，含有孔隙的纳米聚乙烯薄膜不仅能够提高透射率（Ttotal），而且能够形成非常高的直接透射率（Tdirect）。通过角度分辨热发射光谱测量（ATESM，angle-resolved thermal emission spectrum measurement）系统表征锯齿光栅的红外反射光谱，发现明显的角度不对称光谱发射率，说明角度不对称的特点，这与理论预测的结果相符合。通过锯齿光栅和具有较高红外透射的纳米聚乙烯薄膜的复合材料，构筑了热辐射器。通过热辐射相机拍照，进一步说明热辐射器背面产生明显的温度差。分别在真空条件和真实条件的两种情况测试辐射冷却效果。 首先测试了热辐射冷却器件在真空下的性能，通过在真空测试，尽量减少热对流和传导，突出定向辐射冷却的效果。设计制作了真空室辐射冷却装置，通过反馈控制方法将内表面的温度控制-13℃。将10cm×10cm的热辐射冷却器件和对照组的无方向的热辐射冷却器件放置在加热器垂直方向40cm处。当加热器和热辐射冷却器之间的角度分别变为48.9°、73.3°、96.9°，对照组的无方向热辐射冷却器发生加热，相比的这项研究设计的热辐射冷却器件有更好的冷却效果，在上述角度，温度分别降低14.1℃、19.8℃、25.6℃，验证了非常有效的定向辐射冷却效果。测试室外真实环境中的热辐射冷却效果。在北京晴朗的夏季测试室外热辐射冷却效果，并且使用SiO2-聚合物热辐射冷却器、商用白色涂料的效果进行对比。在阳光强度的峰值时间（上午11:30至下午12:30），这项研究设计的热辐射冷却器能够实现环境辐射冷却，与SiO2-聚合物复合的辐射冷却器或者商用白色涂料相比，设计器件的温度分别低4.3±0.2℃和8.9±0.2℃，对比的两种辐射冷却器件温度都高于环境温度，但是这项研究设计的辐射冷却器实现了低于环境温度的效果。为了进一步研究热辐射冷却器件在实际场景的冷却性能，进行严格的室外实验，将热辐射冷却器朝着中午最热的墙壁。为了避免地面和墙壁辐射的影响，设计制造了倾斜角度β为11°的热辐射冷却器。在上午11:00至下午1:00期间，能够保持低于环境温度。对比的SiO2-聚合物或者白色涂料无法实现冷却。设计的热辐射冷却器比以上两个对比样品的温度分别低3.5℃和4.6℃。
Fei Xie et al. , Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces. Science 2024, 386, 788-794DOI: 10.1126/science.adn2524https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524
