辐射制冷：源于实践，服务于实践

论文信息：

Q. Zhang, Z. Rao and R. Ma, Radiative cooling: arising from practice and in turn serving practice. Nanophotonics,13(5), 563-582, 2024.

论文链接：

https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0678

研究背景

辐射制冷作为一种可再生的冷却技术，有望缓解日益严重的全球变暖。然而，将辐射冷却从实验室推广到实际应用的障碍仍然是一个目前需要讨论的难点。本文在简要回顾辐射制冷发展历史的基础上，提出了辐射制冷研究源于实践，最终服务于实践的发展思路。该视角以服务实践为重点，有序阐述了理论的基本极限、光谱选择材料的实现、冷却性能标准的实践、实践中面临的挑战和可能的解决方案。

研究内容

图1. 基于光谱特性的日间辐射制冷性能理论分析。(A)太阳光谱和红外波长范围内的大气透射光谱。8~13μm的大气透明窗与黑体在室温300 K附近的辐射特性有较大的光谱重叠。红外选择性冷却器(8 ~ 13 μm发射率为100%，其他波长发射率为零，红色实线曲线)和红外宽带冷却器(>2.5 μm发射率为100%，其他波长发射率为零，黑色实线曲线)分别具有更高的降温能力和更强的净冷却能力。(B)不同红外发射率曲线下的净冷却功与辐射冷却温度的关系，包括8-13 μm红外选择性冷却器(红色)、红外宽带冷却器(黑色)和最佳光谱角选择冷却器(蓝色)。浅蓝色阴影区域是最佳光谱角选择冷却器可以工作的范围。(C)针对不同工作目标的辐射冷却器的最佳发射率分布:达到最低平衡温度(左);使辐射冷却器保持在低于环境温度的一定温度，同时使净冷却功率(中)最大化;并保持辐射冷却器等于或高于环境温度，同时最大限度地提高净冷却功率(右)。

图2. 辐射冷却材料的几何结构设计。(A)基于介电谐振器磁偶极子共振的广角宽带红外吸收。(B)用于选择性红外发射的对称锥形多层柱阵列(左)以及不同柱底直径对应的计算光谱(右。(C)具有周期性方晶格结构的二维SiO2光子晶体，用于增强红外发射。面板A-C显示了周期性配置在辐射冷却上的应用。(D)由不同厚度的SiO2和HfO2层组成的选择性红外发射的非周期多层膜。(E)在SiO2掺杂的聚(4-甲基-1-戊烯)(PMP)中，直径为~ 4 μm的SiO2球的强声子-极化子共振增强了9.7 μm处的红外辐射。(F)多孔结构(左)中孔洞对增强太阳反射(右)的散射效应。图D-F展示了打破几何对称在辐射冷却中的应用。

图3. 辐射冷却器的三种不同的热测量方法。(A)辐射冷却器(蓝色)放置在隔热基板(灰色)上，直接暴露在环境中。(B)文献中测量方法(A)的应。(C)辐射冷却器(蓝色)置于隔热罩(灰色)内，外罩透明PE膜(绿色)。(D)文献中测量方法(C)在高真空下的应用。(E)将辐射冷却器(蓝色)放置在物体(如流体传热介质，橙色红色)上，以演示产生的制冷量的有效利用。(F)文献中测量方法(E)的应用，其中传热介质为水。

图4. 辐射冷却与主动冷却系统的典型集成。(A)通过辐射冷却对流体传热介质进行初始冷却。冷却板通过管道结构集成到风冷散热器中。(B)热电冷却系统的热侧，利用辐射冷却产生的冷却能量进行冷却。(C)热电冷却、辐射冷却、高性能导热一体化的多效设计。

图5. 辐射冷却与其他被动冷却技术的典型结合。(A)多模态自适应个人热管理，同时调节红外发射、汗液蒸发和热对流。(B)对天气不敏感的被动冷却串联辐射/蒸发冷却器。(C)相变材料增强辐射冷却器用于温度自适应热管理。

图6. 具有代表性的动态热管理与主动调制。(A) Li4+xTi5O12纳米颗粒层在去薄(DL)态(Li4Ti5O12)和锂化(L)态(Li7Ti5O12)之间切换的晶体结构、光学和红外图像。(B)彩色状态(左)和漂白状态(中)之间普鲁士蓝窗口的外观演变。一个充满电的窗口可以点亮一个红色发光二极管(LED)几十秒。(C)基于金属电沉积的动态窗口的可逆外观演化。(D)滚动旋转驱动的功能热管理材料开关。(E)不同拉伸应变下调制器从发射模式(左)可逆切换到反射模式(中)，再到传输模式(右)的原理图(上)、光学图像(中)和表面微结构(下)。

图7. 具有代表性的无源调制动态热管理。(A)形状记忆膜的不透明度取决于温度敏感的结晶度。(B)液体/多孔膜系统在干湿两种状态下的光学图像。(C)掺杂钨(W)的二氧化钒(VO2)涂层的光学外观和微观结构(左)。与两种红外发射率持续低或高的常规材料相比，VO2涂层表现出对温度敏感的红外发射率。(D)分别在加热(上)和冷却(下)模式下基于温度敏感驱动的双模热管理装置的光学图像。

图8. 潜在的和扩展的应用。(A)利用辐射冷却器与环境温差实现热电发电机不间断工作。(B)水滴在超疏水辐射冷却器表面凝结后自离。(C)长期阳光照射后，有(左)和没有(右)辐射冷却器保护的雪层对。(D)辐射冷却冷冻脱盐过程的概念框架。(E)通过在几乎无人居住的沙漠地区设置辐射冷却器来减缓全球变暖的大胆假设。(F)结合波长选择发射器和隔热体的高温红外伪装原理图。

图9. 部分服务实践的挑战。(A)大规模制备辐射冷却织物装配线示意图(左)。采用熔融纺丝法制备颗粒结构随机分布的辐射冷却纤维(右)。(B)颗粒结构随机分布的辐射冷却膜采用对卷法大规模生产。(C)辐射冷却涂料由低成本的原材料(左)组成，与商业(右)相同，可以通过刷涂，空气喷涂或叶片喷涂的方式涂在物体表面。(D)彩色辐射冷却涂料的外观与广告相同，但近红外发射相反。

结论与展望

辐射制冷源于实践，经过实践检验，并将反过来为实践服务。辐射理论帮助我们构建了深入理解辐射制冷热力学过程的框架。热光子学处于热力学与光子学的结合部，其引入引起了近十年来辐射制冷研究的持续高涨。辐射制冷的应用已经从局部设计发展到全局设计。研究人员希望，辐射制冷作为一种可再生的冷却技术，可以在减缓全球变暖和进一步的可持续发展中发挥作用。辐射制冷的研究不应仅仅停留在几篇摘要论文上。它们不仅丰富了基础理论，而且最终将服务于现实世界的实践 。

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