文献前沿丨Opt. Lett.：优化热辐射的方向性以提升辐射冷却效果

近年来，通过调控热辐射的方向分布以提升辐射冷却效果的研究引起了国内外学者的广泛关注。然而，辐射冷却器件表面发射率的理想方向分布仍不明确，且相关机制尚未得到充分探索。本文通过通用理论框架系统分析了典型方向发射率分布对表面发射功率、平衡温度及制冷量的影响规律。研究结果表明，在大气透过率较低且非辐射传热系数较弱的条件下，以零度天顶角方向对称的双向发射才更有利于增强辐射冷却效果，这与零度天顶角方向发射率越大则制冷效果越好的直觉认识是不同的。这种双向分布的发射率特性与近零介电常数（epsilon-near-zero, ENZ）光学材料的发射模式高度契合，表明ENZ材料在提升辐射冷却功率方面具有很大潜力。本研究展示了通过调控热辐射的方向分布以增强辐射冷却效果的潜力，为ENZ材料在辐射冷却中的应用奠定了理论基础。相关工作以Optimal azimuthal distribution of thermal emission for efficient radiative cooling发表在Optics Letters期刊。

本文分析了典型的发射模式及其对辐射功率、平衡温度和制冷量的影响规律。图1展示了在不同大气透过率条件下，冷却器不同天顶角处的表面辐射与大气逆辐射之间的对比结果；图2为辐射冷却器件表面的发射率空间分布情况：通过调控最大发射率所处的天顶角θmax以及发射率形状因子n，可以得到典型的单向发射（θmax = 0°）和双向发射（θmax＞0°）模式；在不同环境条件下计算了辐射冷却器的平衡温度，并分析了最大温降、θmax和n的关系，如图3所示；图4展示了冷却器表面辐射功率Pcooler、大气逆辐射功率Patm和制冷量Pnet随θmax和n的分布；最后研究了优化的双向发射辐射冷却器和各向同性冷却器在零度方向的大气透射率Tatm(θ = 0°) = 0.6条件下不同天顶角的方向制冷量Pnet(θ)，如图5所示。

图1. 在(a)高大气透过率和(b)低大气透过率条件下，冷却器不同天顶角θ的表面辐射和大气逆辐射之间的对比结果，(c) 大气发射率εatm(θ)随天顶角θ和垂直大气透过率Tatm(θ = 0°)的变化。

图2. 不同的发射率分布示意图。θmax = 0°、30°、60°，且n = 8的(a)三维视图和(b)截面图，n = 1、4、8，且θmax = 30°的(c)三维视图和(d)截面图。

图3. 辐射冷却器在不同环境条件下的平衡温度：(a) Tatm(θ= 0°) = 0.6，hc = 0.1 W/(m²·K)；(b) Tatm(θ= 0°) = 0.6，hc = 0.5 W/(m²·K)；(c) Tatm(θ= 0°) = 0.9，hc = 0.1 W/（m²·K）；(d) Tatm(θ= 0°) = 0.9，hc = 0.5 W/(m²·K)。黄色三角形表示每个θmax的最低平衡温度，实心三角形表示具有总体最低平衡温度的情况。

图4. 不同θmax和n下，(a) Pcooler、(b) Patm和(c) Pnet的对比示意图。采用与图3(a)相同的三角形，以便于进行视觉比较。

图5. 在Tatm(θ = 0°) = 0.6，hc=0.1 W/(m²·K) 条件下，(a)最优纺锤形冷却器和(c)各向同性冷却器对应参数下的方向制冷量Pnet(θ)和发射率εcooler，(b)为(a)在YOZ截面中不同天顶角θ的对应值，(d)为(c)在YOZ截面中不同天顶角θ的对应值。

小结：本研究分析了角度选择性发射模式对辐射冷却效果的影响，表明在大气透射率降低且非辐射传热系数较弱的条件下，双向发射模式的冷却效果比传统的各向同性辐射冷却好。研究结果表明：在大气垂直方向透射率为 0.6 时候，与ENZ材料发射特性相匹配的双向发射模式有更好的冷却性能。进一步研究表明，发射器在接近零度天顶角方向的发射始终有助于辐射冷却，在中高天顶角方向的发射不一定总是有助于辐射冷却，因此单向发射的总体累积冷却效果在环境条件多变时未必比双向发射模式差。这些发现为设计下一代高效辐射冷却系统提供了关键理论支持和实践指导。

论文信息：Chen B, Wang R, Si X, Bao R, Zhan Y. Optimal azimuthal distribution of thermal emission for efficient radiative cooling[J].

Optics Letters

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