撰稿| 由课题组供稿
导读
近日，由纽约州立大学布法罗分校甘巧强教授领导的团队报道了集辐射制冷与光热转化为一体的新型装置。该团队利用光谱选择性反射镜对阳光的高吸收，将太阳能收集起来提供热能。与此同时，利用该反射镜在中红外波段高反射特性，将一块竖直放置的薄膜的两个表面的热辐射耦合至天空，实现更高效的辐射制冷。通过合理地结构设计，该工作突破了传统辐射制冷只能使用单面热辐射的局限，充分利用了薄膜热辐射体双面的辐射特性，实现了14度的降温以及超过270W/m2的局部制冷功率。与此同时，照射于整个系统的太阳光能量被最大限度的保留并得以利用，大幅度提高了整个系统的效率，将“天空”制冷和太阳能加热两种技术有机的结合在了同一个系统中。该文章发表在《Cell Reports Physical Science》，题为” Hybrid concentrated radiative cooling andsolar heating in a single system”，并于2月18日被Nature 报道（题为” A heat-radiating material goes sideways to keep its cool”）。周律，宋昊旻为论文共同第一作者，威斯康星麦迪逊大学喻宗夫教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi教授课题组参与了该合作。
图1双面辐射制冷与太阳能集热一体机《Cell Reports Physical Science》2021年2月24日封面文章
自然界的任何物体都会产生热辐射。热量通过电磁波的方式在空间中传播。当环境温度处于30摄氏度左右时，热辐射的主要能量恰好集中在波长为10微米的区域附近。另一方面，地球的大气层也具有着独特的特性：由于空气中不同分子的吸收，大气层在多个波段呈现高透射特性。如图1所示，在8至13微米的波段，大气层的透射率高达80%，与地表热辐射的主要分布区域重叠。因此，在理想环境中，地表物体的热辐射可以源源不断的通过大气层的透明窗口被极低温的外太空所吸收。热辐射体则因为损失了能量，其温度持续下降，直到达到新的热稳态。
图1.大气层的透射谱和太阳辐射谱。
基于这种机制，在夜晚环境中，研究者们可以很容易实现制冷效果。而在白天，由于太阳光的照射，低于环境温度的制冷尤为困难。因此，在近几年的研究中，科学家提出了各种高级热辐射材料和系统来抑制热辐射体对太阳光的吸收，从而在白天也能实现辐射制冷。到目前为止，已经有很多实验结果实现了100W/m2左右的辐射制冷功率。在绝大多数报道中，太阳光都是被强烈散射或者反射的。从最终结果看，为了得到100W/m2左右的辐射制冷功率,人们舍弃了太阳光高达1000W/m2的能量。因此，如何进一步提升其制冷效率，最大化该系统的能量利用率成为了一个关键问题。
在本研究中，研究者通过实验验证了双面辐射制冷的有效性。研究团队首先制备了对不同波段具有选择吸收特性的薄膜材料。如图2所示，该团队通过共溅射银与二氧化硅颗粒的方式制备了多层薄膜，并对样品的光学特性进行了表征。由于渐变的折射率特性，该薄膜材料在可见波段呈现强烈吸收。与此同时，其在中红外波段表现出高反射特性，能够有效地将辐射体两面的热辐射反射向天空。
图2.共溅射蒸镀的选择吸收膜以及其光学特性。
如图3所示，该团队以选择吸收薄膜作为反射镜，搭建了双面辐射制冷系统，并在室内的模拟环境下对比测试了该系统的制冷效果：相较于传统的单面辐射制冷系统，双面系统可以极大程度地提升制冷效果。在以液氮为冷源的室内模拟环境中，双面系统可实现14°C的降温。利用PID温度控制系统，该团队对双面系统进行了功率测试，得出其垂直辐射膜在室温条件下可提供270W/m2的制冷功率，在传统单面系统的基础上近乎提升了一倍。
图3.双面辐射制冷系统以及其制冷效果测试结果。
为了优化双面系统的结构设计，该团队对反射镜的倾斜角度作了进一步研究。如图4所示，理想情况下，当无限大面积的反射镜水平放置时，热辐射的耦合效率达到最大。当反射镜倾斜角度逐渐减小，反射镜长度逐渐变短，部分热辐射会被辐射体或者装置本身二次吸收，其耦合效率也会逐渐减小。基于系统的性能与成本的考虑，该团队对系统的两种结构设计进行了理论分析，并分析了其理论极限性能。
图4.双面系统的结构优化以及理论极限分析
为了验证该系统的有效性，该团队将双面装置放置于室外连续测试了24小时。如图5所示，相较于单面系统，双面系统在阳光直射的环境中能够维续制冷效果。在晴朗天气中，双面系统最高实现了12°C的制冷效果。同时，由于反射镜对可见光的强烈吸收，双面系统可以同时将太阳能转化为热能，最大化实现能量的利用。
图5.双面系统的户外24小时制冷测试
本研究工作通过光谱选择性反射镜构建了双面辐射制冷系统。其正中间的垂直辐射膜两个表面的热辐射同时被发射向天空。而入射的太阳光被两个选择性反射镜吸收而没有加热中间的辐射膜。该系统在提升辐射制冷效果的同时还高效转化了太阳能，实现了能量的最大化利用，为未来新型辐射制冷/太阳集热一体机系统的研究开发提供了新的思路。
文章链接
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100338
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