文献前沿丨Appl. Therm. Eng.：用于日间辐射制冷的超表面集成多层太阳能反射器设计

近年来，随着工业生产规模的不断扩大以及日常生活的多样化发展，对制冷的需求呈现出持续迅猛增长的态势。在此背景下，辐射制冷作为一种无需外部能源输入的新型制冷技术脱颖而出。它不仅能够大幅降低传统制冷行业的能源消耗，还能有效减少对环境的污染，因而成为契合可持续发展理念的关键技术方向。然而，辐射制冷技术在日间应用中面临着核心难题：在正午时分，太阳辐射强度达到极高水平，即便制冷器仅吸收少量的太阳辐射，也会导致制冷功率大幅下降，进而严重削弱日间制冷效果。因此，如何最大程度地减少太阳辐射的吸收，成为突破日间辐射制冷技术瓶颈的关键所在。针对这一关键问题，本文提出了一种基于遗传算法优化的超表面集成多层太阳能反射器。该反射器具备独特的性能：在太阳光谱范围内，能够实现极高的反射率，有效屏蔽太阳辐射；同时，在大气窗口波段则保持高透射率，不会对辐射制冷器的正常运行造成干扰。当将这种反射器与智能辐射制冷系统集成后，系统在环境温度条件下能够展现出良好的净制冷功率。而且，该系统还保留了制冷功率的可调控性以及对不同环境的适应性。综上所述，本研究为高效日间辐射制冷系统的设计提供了重要的光学结构解决方案。相关工作以A metasurface-integrated multilayer solar reflector design for daytime radiative cooling为题发表在Applied Thermal Engineering期刊。

本文以解决日间辐射制冷的太阳辐射干扰问题为核心，设计了超表面集成多层太阳能反射器。首先，文章给出了其优化流程及结构示意图（图1）；通过遗传算法优化多层结构，得到了不同层数结构的太阳透光率光谱以及种群最优适应度随迭代次数的变化（图2）；模拟了11层结构在不同入射光波长下的归一化电场分布与光学损耗，分析了遗传算法优化原理（图3）；对比了设计的多层反射器与单层Ge薄膜在太阳光波长范围的光吸收率，并验证了多层结构对太阳辐射吸收的抑制作用（图4）；模拟了MgF₂间隔层厚度、Ag超表面阵列周期等不同几何参数对反射器光学性能的影响，并确定了最优参数组合（图5）；集成Ag超表面后，模拟并得到了三种反射器设计在太阳光与中红外波段的光学性能（图6）；研究了辐射制冷系统中辐射制冷器的光学特性，并得到了其在太阳光与中红外波长的性能以及不同温度下不同入射角的发射率光谱（图7）；测试了不同环境温度下辐射制冷系统净制冷功率与制冷器温度的关系，并验证了系统的冷却性能与模式切换能力（图8）。结果显示，该反射器太阳透射率 0.25%、反射率 91.87%，系统在环境温度下净制冷功率达 111.7 W/m²，且保留冷却功率调控与环境适应能力。

图1.优化过程框架及所设计的太阳能反射器。

图2.(a)五种多层结构的透光率光谱。(b)五种优化后的多层结构种群中，最优适应度值在1000次迭代过程中的变化。

图3.(a) 500nm波长下的归一化电场分布与(b)归一化光学损耗分布，(c) 700 nm波长下的归一化电场分布与(d)归一化光学损耗分布，(e) 1200nm波长下的归一化电场分布与(f)归一化光学损耗分布，(g) 1600nm波长下的归一化电场分布与(h)归一化光学损耗分布。

图4. 11层结构与相同厚度单层锗（Ge）薄膜的吸收率光谱对比。

图5. 9层结构在(a)太阳光波长范围与(b)中红外波长范围的光学性能；11层结构在(c)太阳光波长范围与(d)中红外波长范围的光学性能；13层结构在(e)太阳光波长范围与(f)中红外波长范围的光学性能。

图6.带超表面的9层太阳能反射器在(a)太阳光波长范围与(b)中红外波长范围的光学性能；带超表面的11层太阳能反射器在(c)太阳光波长范围与(d)中红外波长范围的光学性能；带超表面的13层太阳能反射器在(e)太阳光波长范围与(f)中红外波长范围的光学性能。

图7.集成太阳能反射器后，智能辐射制冷器在(a)太阳光波长范围与(b)中红外波长范围的光学性能；集成太阳能反射器后，智能辐射制冷器在(c)高温和(d)低温下不同入射角的发射率光谱。

图8.环境温度分别为(a) 300K、(b) 320K和(c) 280K时，辐射制冷器的净制冷功率与温度的关系。

小结：综上，本研究设计了一款用于日间辐射制冷的太阳能反射器。基于遗传算法优化多层结构的尺寸参数，最终获得了太阳辐射屏蔽效果优异的太阳能反射器，其太阳透光率仅为0.25%。为降低反射器对太阳辐射的吸收率，本研究进一步设计银（Ag）超表面并将其集成于多层结构，成功将太阳能反射器的反射率提升至91.87%。此设计在太阳光波长范围内实现高反射率，在大气窗口波长范围内保持高透光率，有效避免了反射器过热对辐射制冷系统性能的不利影响。为评估该反射器性能，本研究通过计算分析集成该反射器的智能辐射制冷器的光学特性与制冷效率。结果显示，该辐射制冷系统在环境温度下的制冷功率达111.7W/m²，相较于无反射器且太阳入射率为3%的场景，制冷性能得到显著提升。本文所提出的太阳能反射器既能有效屏蔽太阳光，又能保留智能辐射制冷器的制冷功率调控能力与环境适应性。

论文信息：Yi Wang, Haining Ji, Jiannei Huang, Yongxing Chen, Bin Liu, Peng Long, Yangyong Ou, Cong Deng.A metasurface-integrated multilayer solar reflector design for daytime radiative cooling.Applied Thermal Engineering, 2025, 278: 127431.

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