基于Berreman模式的角度选择宽带辐射制冷
文摘
科学
2024-12-23 09:22
山东
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D. G. Ryu, J. T. Kim, M. S. Kim, J. J. Kim, H. J. Nam, I. H. Jeong, Y. J. Kim, G. J. Lee, Angular selective broadband radiative cooling based on Berreman mode, Optics Express 32, 33016 (2024).论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.533116
传统的辐射冷却器(rc)在水平安装场景下具有良好的制冷性能，但由于其发射方向的限制，主要局限于屋顶材料。为了增加RC在建筑立面区域应用的可用性，本文提出了一种斜辐射角光子结构(ORAPS)。ORAPS可以促进向外空间的热发射，避开相邻建筑，并在垂直于面板的方向反射入射的辐射热。随着设计结构的理论基础，我们提出了基于模拟的不同环境参数的冷却性能分析。这表明，ORAPS不仅适用于人口密集的特大城市，也适用于冬季的温度调节。
图1(a)显示了ORAPS与传统SE相比的整体辐射冷却机制，以及理想ORAPS和理想SE的发射度特性。当两座建筑正面接触时，传统的SE几乎不会向天空辐射热量。相反，正面建筑吸收这些热量，使建筑温度升高[30,31]。为了验证传统SE的局限性和ORAPS的潜力，我们在任意结构的城市地区进行了传热模拟[32]。这些模拟包括估算每个建筑立面的温度和LWIR辐照度，其发射度反映SE或ORAPS的特性。在本节中，在LWIR范围内，SE和ORAPS在整个极角范围和70~90°的极角范围内分别表现出统一的发射率，如图1(a)的插图所示。定义的位置是韩国首尔，选择的天气条件是夏季。图1(b)描绘了两对面向的立面，每个立面包括一个固定温度的立面，即加热器，以及一个温度测量立面。这些对反映了ORAPS和SE的性质，分别用蓝色实线和橙色实线表示。我们假设的这种情况也在补充1的图S2中表示。图1(b)直观地表示，ORAPS立面在距离30m处保持的温度低于SE立面。白天，测温SE立面全天平均温度均高于测温ORAPS立面，制冷效率较低，如图1(c)所示。此外，测量温度的SE立面(面向SE加热器)的平均LWIR辐照度随着建筑物之间距离的减小而增加。相反，面对ORAPS加热器的测温ORAPS的平均LWIR辐照度随着距离的减小而保持低于SE，如图1(d)所示。这些结果表明，虽然ORAPS加热器有效地避免了向邻近建筑的辐射热，导致LWIR辐照度随着距离的减小而变化很小，但SE加热器由于其角度特性而无法避免向邻近建筑的辐射热。因此，随着距离的减小(即城市密度的增大)，SE的热辐射会越来越多地干扰邻近的建筑物。考虑到许多这样的建筑物存在于城市地区，我们预计建筑物之间增加的辐射热会影响到非常多的用于冷却和增强热岛强度的能源消耗,由Y.Li等人建立的宏观城市热岛(UHI)强度模型如图1(e)所示，图1(e)表示了城市中心区与城市区域边界之间的平均气温之差。
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图1, ORAPS的冷却机理及传统SE的局限性。(a)图形表示ORAPS与常规SE的冷却机理比较。附图显示了理想ORPAS和理想SE的光谱和角发射度。(b)直观地表示建筑物表面的温度。ORAPS表面用蓝色表示，SE表面用橙色表示。(c)各表面白天的平均温度。(d)ORAPS表面和SE表面的LWIR辐照度随建筑物间距的减小而变化。(e)按城市规模和建筑总量计算的宏观拟合城市热岛(UHI)强度。
在入射极角为70~90°的LWIR波长区域，ORAPS的总体设计方法是首先单独设计单个ENZ层的厚度，然后利用光学腔级联不同的发射峰。通常，对于tm偏振波，薄层表现出纵向光学(LO)共振和横向光学(TO)共振，并且这些共振以增强吸收的形式出现。这些共振可以通过用金属衬底支撑薄层来增强或抑制。对于金属衬底支撑的薄层结构，LO共振引起的吸收与Im{−1/ε}项成正比，在材料介电常数实部接近零(λENZ)的特定波长处达到峰值。为了加强LWIR光谱区域的吸收，我们选择了λENZ位于8-13µm范围内的ENZ材料，分别是SiO2、Si3N4、Al2O3、Ta2O5和TiO2，它们的λENZ分别为8.14µm、8.9µm、10.96µm、11.02µm、12.39µm和11.9µm。图2(a)显示了特定材料在LWIR光谱区域的介电常数实部，对应于大气窗口。图2(b)中的线形图表示了每种指定ENZ材料的入射极角θ。入射波与单层enz层状结构的共振角度随层厚的变化。对于这些单独设计的发射度节点的积分，先前提出了梯度ENZ法，将层按λENZ降序堆叠在金属基板上。通过该方法得到的简单堆叠结构如图2(c)所示。所得结构的发射度曲线在光谱上显示出来自ENZ层的每个发射度节点的充分连接，但在低入射极角(~10°)和对应极角(~80°)之间的发射度角对比度下降。为了进一步增强发射度的角对比，还提出了在层与层之间的一个界面之间插入光学腔的想法[16]。图2(d)展示了插入非晶硅的FP腔，以及在入射极角固定为85°时，随腔厚(dC)变化的光谱发射度曲线的模拟结果。从模拟结果来看，将dC值设置为0.92µm，可在所需波长区域获得最宽的高发射度光谱带宽，为8-13µm。优化后的结构如图2(e)所示，其发射度面积大于0.8，覆盖了LWIR波长段，入射角为70~90°。图2(f)和2(g)显示了所得到的ORAPS结构每层内的TM波相互作用作为波长的函数;垂直于各层界面的电场分量Ez的分布，以及相应的局部吸收分布图。图2(f)中红色实线表示的LO波长附近入射角度为85°时的电场分布，直观地展示了各层电场增强，即伯里曼模式。后一个轮廓图如图2(g)所示，是将光谱吸光度(波长范围为2-14µm)与扫掠角度从70°到90°的入射角相加，在每层的z-位置上生成的。这种光谱吸光度体现了宽波长区域的伯里曼效应，这是由每一层实现的，如图2(e)和图2(g)中用红色框标记的相同标签。
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图2，ORAPS设计原理。(a)ENZ材料在LWIR区域的介电常数。(b)随期望入射角变化的伯里曼厚度。(c)无FP腔的Ag衬底上的集成结构及其发射度分布图。(d)在结构中插入FP腔及优化过程。(e)ORAPS的优化发射度分布图。(f)在z-位置上入射角度为85°时，各层Ez场的归一化幅度。红色实线表示每层的LO波长。(g)在70°到90°的入射角范围内，整个z-位置的吸光度总和。由于ORAPS是金属背结构，因此透射率为零，发射率可以认为是反射率的函数，具体为1-|r|2，其中r为全反射波的反射系数。为了实现入射角和腔厚的发射度对比，利用传输矩阵法(TMM)，得到了入射波在10.5µm波长处的全反射系数的总体轨迹，其中在入射角为10°和80°之间出现了强烈的发射度对比，如图3(a)所示。x、y和z轴分别表示r的实部和虚部，以及入射极角θ。对于常数θ的每一片，r的迹线被标记为不同的空腔厚度(dC)，范围从0到1.5µm不等，并且每个空腔厚度都用不同的配色方案表示。因此，对于具有一定空腔厚度的结构，每条单色线表示r的入射极角轨迹。当入射角接近90°时，这些轨迹趋向于向r=1收敛，表明发射度为零。图3(b)显示了入射角为10°至80°时的三维轨迹切片，间隔为10°。突出显示了两个重要的情况，如10°和80°，以便进行比较。两种入射角情况(A80◦/A10◦)随空腔厚度的吸收比如图3(c)所示，其峰值为dC=1.04µm。除了最大的比例外，ORAPS还可以利用特定的厚度，表现出清晰的角度对比，从而使热量在建筑间空间中逃逸。图3(d)展示了反射系数作为两个系数分量矢量在θ=10°和θ=80°时的和的复矢量分析。图3(e)显示了三种空腔厚度(即0µm,0.4µm和1.0µm)情况下发射度曲线的最终变化。通过对改进TMM的分析表明，当厚度为1.0µm时，发射度分布呈现出强烈的角度对比。
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图3，发射度聚焦效应的复矢量分析。(a)入射波长为10.5µm时的总反射场轨迹。(b)(a)从入射角10°到80°，间隔为10°的切片视图。(c)发射度随空腔厚度的角对比。在1.04µm的厚度处达到峰值(d)以rU和rL在10.5µm入射波长下振荡为特征的复矢量分析。(e)由此产生的发射度分布图随腔厚的变化。
图4，ORAPS的冷却性能。(a)向侧壁板输送辐射热的过程示意图。(b)在由热源划分的笛卡尔空间和球面空间中计算的几何条件及其随建筑物与样品之间距离的变化。(c)理想SE、理想BE和ORAPS的角发射率和光谱发射率特性。波长范围是指发射度一致的地方。ORAPS的详细发射度如图2(e)所示。(d)ORAPS、SE和BE的净冷却功率与距离为10m和30m的样品温度的函数关系。(e)ORAPS、SE和BE吸收的辐射热。(f)-(h)理想SE和ORAPS的平衡温度与距离和(f)环境温度、(g)邻近建筑物温度、(h)邻近建筑物高度的比较。黑线表示零交叉点。
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图4，ORAPS的冷却性能。(a)向侧壁板输送辐射热的过程示意图。(b)在由热源划分的笛卡尔空间和球面空间中计算的几何条件及其随建筑物与样品之间距离的变化。(c)理想SE、理想BE和ORAPS的角发射率和光谱发射率特性。波长范围是指发射度一致的地方。ORAPS的详细发射度如图2(e)所示。(d)ORAPS、SE和BE的净冷却功率与距离为10m和30m的样品温度的函数关系。(e)ORAPS、SE和BE吸收的辐射热。(f)-(h)理想SE和ORAPS的平衡温度与距离和(f)环境温度、(g)邻近建筑物温度、(h)邻近建筑物高度的比较。黑线表示零交叉点。
图4(a)描绘了邻近建筑物、地面、大气和样品之间的辐射传热机制。ORAPS的最终目的是避免垂直于发射器方向的入射辐射热，并在同一方向上约束向外空间的热发射。在ORAPS的辐射冷却过程中，由于吸收和热辐射的角度依赖性，必须考虑热源在球面空间中的位置。为了评估垂直站立的ORAPS的性能，我们将辐射热源解耦到地面、环境大气(即天空)和邻近建筑物中。随着样本与建筑物之间距离的变化，分割球形空间区域的结果如图4(b)所示。球面空间的这种分裂在接下来的计算中作为积分的限制。从球面空间区域的划分开始，我们初步考察了ORAPS与理想BE和理想SE相比的理论净冷却功率，这两种情况的特征是波长和极角的目标发射区域，如图4(c)所示。在本节中，理想BE和SE的发射度分布图符合图4(c)所示的性质，而ORAPS的发射度分布图分别由图2(e)得出，然后取平均值。不考虑太阳光谱中的发射度，因为已经有许多研究集中在开发太阳反射和红外透射，这些可以无缝地纳入ORAPS。参考图4(b)，每个解耦热源的贡献以Fsource项(即积分极限)为特征，当源存在于球面空间时为统一，其他地方为零。环境温度、建筑温度和地面温度分别设定为30℃、40℃和50℃。相应的吸收辐射热计算如图4(e)所示。ORAPS与BE和SE的清晰比较表明，ORAPS不仅拒绝来自邻近建筑物的辐射热，还拒绝来自地面和周围大气的辐射热。值得注意的是，随着距离的增加，ORAPS从建筑物吸收的热量在76W/m2到3W/m2之间，占理想SE吸收热量的43~24%。ORAPS可以拒绝传入的辐射热;然而，与理想的SE相比，它辐射的热量更少。因此，为了获得比理想SE更好的性能，ORAPS与理想SE之间的反射辐射热差应该大于热辐射差。换句话说，在0°到70°的极角范围内存在热源对ORAPS有利。考虑到周围环境对这一条件的影响，我们分析了ORAPS的理论平衡温度是几个变量的函数。图4(f)-4(g)显示了热源温度和相邻建筑物高度对建筑物与ORAPS之间距离的影响。图4(f)通过比较ORAPS的平衡温度与理想SE的平衡温度，显示了环境温度的影响。随着距离的减小，天空所跨越的球形空间区域收缩，导致远离天顶的建筑区域出现的传入热量增加，这些区域的温度高于天空。因此，在窄间距条件下，SE吸收了更多的辐射热，ORAPS在过零线(即TSE−TORAPS=0，用黑色实线表示)以下保持比SE更低的温度，并具有辐射热抑制作用。建筑温度的影响如图4(g)所示。随着建筑温度的升高，建筑球面空间区域的扩大(即距离的减小)相对提高了ORAPS的制冷效率。这是因为温度较高的窄间距建筑，特别是超过30°C的建筑，会增加SE的辐射热吸收。具体来说，在过零线以上，ORAPS表现出比SE更高的冷却效率。除了制冷功能外，当相邻建筑的温度较低时，例如在冬季，ORAPS比SE保留更多的热量(即TORAPS比TSE)高)。在图4(h)中，分析了相邻建筑物ORAPS保持低于SE温度的条件
总之，我们进行了传热模拟，以了解安装在建筑物立面上的传统SE的局限性。我们的研究结果表明，与ORAPS不同，这些传统的SEs无法避免在正常方向上辐射辐射热，并且吸收更多的热量，从而破坏了它们的冷却效果。这在人口密集的城市地区尤其成问题，因为这些问题可能导致冷却效率降低和能源消耗增加。在这方面在这种情况下，定向发射辐射冷却器可以提供一个有希望的解决方案来克服这些限制。我们在LWIR中设计了一个角选择宽带发射器，利用Berreman模式，将薄ENZ层设置为Berreman定义的厚度。该设计在高极角(70°~90°)下实现了高发射度，同时有效抑制了低极角(0°~70°)下的发射度。这是通过最小化TO共振来实现的。此外，我们的详细分析使我们能够通过将反射系数分成两部分来精细地控制发射度:一部分与腔体厚度无关，另一部分随腔体厚度变化。该技术允许ORAPS实现专门定制的发射度曲线，根据应用需求优化高或低角发射度对比度。在研究的最后阶段，我们测试了ORAPS在各种城市条件下的性能。作为一种角度选择性发射器，ORAPS在拒绝入射辐射热方面表现出了很高的效率，仅吸收了理想SE在类似条件下吸收的24%至43%的热量。我们还探讨了诸如周围温度和环境物理布局等变量如何影响ORAPS的冷却效果。ORAPS不仅在人口密集、摩天大楼林立的城市中表现良好，而且在较冷的季节，通过保持比传统SEs更高的温度，有助于保持温暖。鉴于这些结果，我们相信ORAPS可以显著增强城市环境中密集建筑的辐射冷却，最终为更节能和舒适的生活空间做出贡献。
