透明辐射制冷

论文信息：

M. Kim, Dr. D. Lee, Y. Yang, Prof. J. Rho Minkyung Kim, Dasol Lee, Soomin Son, Younghwan Yang, Heon Lee, and Junsuk Rho. Adv. Optical Mater. 2021, 9, 2002226

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adom.202002226

研究背景

辐射冷却的主要原理是黑体辐射，通过黑体辐射将物体的热能发射到外层空间。该策略是设计一个在大气窗口（AW）（波长8 <λ<13μm）内具有高发射率的系统，其中大气具有高度透明性。选择性发射率使物体通过aw直接向外层空间释放热能，从而降低物体的温度。为了即使在阳光直射的情况下也能最大限度地提高辐射冷却效果，必须满足太阳光谱中高反射率的额外条件，以防止冷却器本身被阳光加热。因此，一般来说，之前的辐射冷却器被设计为在aw中具有高发射率，并将紫外线（uv）的光反射到近红外（nir）区域。目前科学家已经提出了各种结构和材料来最大限度地提高冷却效果，包括微 米多孔结构、电介质粒子混合物、多层薄膜和光子晶体。与此同时，人们为提高辐射冷却器的实用性做出了大量努力。示例包括仅在临界温度以上时降低温度的可切换辐射冷却器和柔性辐射冷却器。此外，最近已经证明了可以冷却人体的辐射纺织品和降低外壳温度的janus发射器< pan>

研究内容

本文提出了一种透明的辐射冷却器，它部分透射可见光，反射近红外（0.74 <λ<1.4μm），并通过aw辐射热量。该冷却器基于由五层氢化非晶硅（a-si:h）和sio2交替堆叠而成的介电多层，以及玻璃基板上的顶部聚二甲基硅氧烷（pdms）层。前者的设计目的是在反射近红外的同时透射可见光，而后者有助于提高aw的发射率。此外，通过在基材下方喷涂彩色涂料，确认冷却器可以保持其下方物体的颜色，并且与喷涂相同涂料的参考相比，冷却器本身可以冷却高达10.1°c，显示出与市售涂料的高度兼容性。< pan>

一个直观的例子是一辆停在阳光直射下的汽车。通过窗户传输的入射太阳辐照度被困在内部空间，导致温度升高。换句话说，所有未反射的光束都被内部空间吸收，并产生了不必要的加热。因此，理想的透明辐射冷却器应该只透射可见光，同时反射紫外线和近红外，以尽量减少热吸收。简易示意图如图1所示

图1. 理想透明辐射冷却器的示意图

设计的冷却器结构如图2所示，主要由两部分组成，一个选择性反射器和一个发射，反射器由五层交替的a-Si:H和SiO2组成，旨在选择性地反射近红外波段a（0.74 <λ<1.4μm）。每层的厚度都经过优化，以同时最大限度地提高可见光的透射率和近红外的反射率。< pan>

图2. 透明辐射冷却器的设计

本研究测试了一个参考的透射率、反射率和吸收率光谱，该参考是一个涂覆在玻璃基板上的50μm厚的PDMS层。由于PDMS和玻璃的无损和介电特性，如图3a，该参考在0.4 <λ<2.5μm的宽波长范围内具有高透射率和接近零的反射。然而，与此同时，该参考会导致整体上吸收所有入射的太阳能，这对于日间辐射冷却是不理想的。相比之下，设计的冷却器在可见光范围内具有高透射率和高反射率。如图3b，在垂直入射下，a带的平均反射率为87%，可见光短波长的低透射率归因于a-si:h的高固有损耗，这导致了高吸收率。< pan>

图3.冷却器的透明度和近红外反射率. (a) 测量参考的透射率、反射率和吸收率光谱. (b) 模拟冷却器的光谱. (c）测量冷却器的光谱

首先考虑放置在吸收室上的冷却器。在这种配置模拟了阳光下的汽车或建筑物，其中大部分非反射光被吸收在室内。这种情况下，透过透明物体的阳光被困在室内，从而增加了内部空间的温度。与参考相比，冷却器阻止了近红外光谱中不必要的太阳吸收。根据AW中的高吸收率推断，冷却器和参考都有一个通过黑体辐射的放热通道。由于玻璃基板的色散和损耗特性导致的高吸收，吸收带比等厚PDMS的吸收带更宽。 此外，这些透明的辐射冷却器可以作为涂膜附着在现有建筑物和车辆的外部，也可以与市售涂料结合使用，以达到美学目的。在这两种情况下，冷却器在应用于物体后，应保持其下方物体的原始颜色。冷却器应通过阻挡近红外中的太阳辐照度和AW中的太阳辐射来降低整个系统的温度。为了确认冷却器满足这些条件，考虑在玻璃下层上安装冷却器，其底面喷涂红色油漆(图4a，对冷却器的四个热通量项和放置在吸收室上的参考值进行了数值模拟。

图4.(a) 冷却器的光学和热性能示意图以及喷涂油漆的参考. (b) 参考（黑色）和冷却器（蓝色）的测量吸收光谱。

冷却器和参考在AW中都有高吸收光谱，与涂漆前测量的光谱相似（图4b）这是因为光在到达油漆之前通过PDMS层和玻璃基板传播，在这一过程中，AW中的大部分光被吸收。为了证明冷却器在应用于当前可用的涂料技术时仍然具有冷却效果，首先计算了冷却器和喷涂红色涂料的参考的四个热通量（图4c）。冷却器在到达油漆之前反射了近红外光谱中的大部分阳光，从而导致P sun 存在显著差异，而其他术语具有相似的值。对于所有红色、绿色和黄色油漆，在相同的温度T下，冷却器（实心）的P cool 高于参考（虚线）的P cool （图4d）

图4. (c–e) 当Tamb=303 K和hcc=8W m−2 K−1时，数值计算的热通量和平衡温度. (c) 喷涂红色油漆的冷却器（实心）和参考（虚线）的热通量。(d) Pcool冷却器（实心）和参考（虚线）喷涂了红色、绿色和黄色油漆。线条颜色表示由测量的油漆反射率产生的颜色。(e) 红色、绿色和黄色涂料的冷却通量为零的平衡温度。

当然，冷却器的平衡温度低于参考(图4e)。与彩色涂料相关的冷却按红色、绿色和黄色的顺序减少。这种差异是由于参考吸收的太阳能量不同造成的。对于屋顶测量使用两个盒子，每个盒子都由一个丙烯酸盒子组成，盒子里装有聚苯乙烯（PS）形式的样品(图5f，g)。一个用于冷却器，另一个用于参考。冷却器的基板底部和参考表面喷涂了红色油漆。样品直接放置在PS样品上，而不是吸收室。在PS样本之间，使用粘贴式热电偶测量样品的表面温度。红外相机拍摄的照片显示，样品在较冷箱中的表面温度比在参考箱中低5.7°C（图5h）

图4.(f-h) (f) 示意图和 (g) 屋顶测量装置的照片，使用冷却器和喷涂红色油漆的参考。（h）9月19日11:50用红外相机拍摄的照片

从9月18日18:30到9月19日23:00，测量了四个不同点的温度变化（图5i）。冷却器（Tcooler）的表面温度在白天低于参考（Tref）。∆T随着太阳辐照度的增加而增加，并在9月19日11:25达到10.1°C的最大值（图5j）。白天（9月19日06:30至18:20）的平均∆T为4.3°C

图4（i） 屋顶测量期间的温度和（j）∆T变化

图5 (a) 全球辐射冷却潜力

结论与展望

本文提出了一种透明的辐射冷却器，并在两种配置中展示了其冷却能力。该冷却器在可见光中具有高透射率，在近红外中具有高反射率，在AW中具有高发射率，以同时满足透明度和冷却效果。与允许大部分太阳辐照度进入封闭系统并提高内部温度的跨母体选择性发射器相比，所提出的冷却器还可以阻挡太阳能不可见区域，有效降低温度。通过实验证实，当与商业涂料结合时，冷却器可以降低吸收系统的内部温度和自身温度。在两次屋顶测量中，与在近红外中没有选择性反射的参考相比，冷却器分别将温度降低了14.4°C和10.1°C。透明辐射冷却器不仅有利于车辆和建筑物的被动冷却等广泛应用，还可以与当前的涂料技术相结合，以获得丰富多彩和美观的印象。

热辐射与微纳光子学