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Nano Energy:具有仿生皮肤褶皱结构的高效辐射制冷涂层

Nano Energy:具有仿生皮肤褶皱结构的高效辐射制冷涂层 两江科技评论
2021-08-03
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导读：哈尔滨工业大学王富强教授团队与帅永教授、英国诺丁汉大学Yan Yuying教授团队合作的在辐射制冷研究方面取得进展。



哈尔滨工业大学王富强教授团队与帅永教授、英国诺丁汉大学Yan Yuying教授团队合作的在辐射制冷研究方面取得进展。该项研究受人体皮肤褶皱结构可以增强自身辐射力这一原理的启发，围绕光谱调控实现高效辐射制冷的研究思路，进而提出仿生皮肤自然褶皱结构结合优化粒子实现双波段优化的设计思想，制备了一种含BaSO4和SiO2粒子的辐射制冷涂层，在制备过程中，通过控制材料配比及溶剂蒸发速率达到触发涂层自然褶皱力学机制而形成自然褶皱表面结构。研究结果表明：涂层的具有优异的光谱性能，太阳波段（0.3-2.5 μm）反射率~95%，“大气窗口”波段（8-13 μm）发射率~96%，正午时段最高可实现低于环境温度8.1℃的降温效果，平均制冷功率达到89.6W/m2，并且涂层的实际建筑的应用测试，月底最高室内降温6.2℃，空调节能最高超过50%，年度综合节能能效162 MJ/m2，经过一整年测试后涂层仍具有出色的制冷效果。此外，涂层还具有良好的耐候性、抗冲击力、颜色易扩展性等优异性能，且成本低廉具备可规模化生产的条件，为未来辐射制冷涂层的规模化生产和应用铺平了道路。研究结果已被中科院一区期刊Nano Energy正式录用，程子明博士和韩寒硕士为论文共同一作。

论文信息：Ziming Cheng†, Han Han†, Fuqiang Wang, Yuying Yan, Xuhang Shi, Huaxu Liang, Xinping Zhang, Yong Shuai. Efficient radiative cooling coating with biomimetic human skin wrinkle structure, Nano Energy (In press)

通讯作者：哈尔滨工业大学 王富强教授 (wangfuqiang@hitwh.edu.cn)

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106377


研究背景



辐射制冷技术作为一种新兴的制冷技术，不同于传统的消耗能量驱动的制冷方式，该技术通过强烈反射或散射太阳波段能量，并利用“大气窗口”波段与宇宙空间通过辐射的方式交换热量，在不消耗任何能源情况下达到良好的降温度效果，是一种真正零能耗、零污染的制冷技术。该技术可广泛应用在节能建筑以及冷链系统等领域。而目前辐射制冷材料普遍存在制冷性能低、结构复杂、制备成本高、使用寿命有限等问题，严重制约辐射制冷技术的规模化利用。因此，开发一种制冷性能优越、制备简便、成本低且可规模化利用的辐射制冷涂层是解决当前技术瓶颈的关键。




研究内容



人体在“大气窗口”波段的平均发射率达91.5%，并且当人体处于常温状态下，大约60%的热量通过辐射传热的方式散失，这其中皮肤作为辐射热量发射表面起到了至关重要的作用。人体皮肤表面由于水和胶原蛋白的流失导致其并不是完全光滑而具有一定的褶皱，而人体有如此高的发射率除其本身材料特性之外，褶皱结构是否起到增强的作用？此外，在涂层干燥过程由于溶剂的挥发，收缩应力超过表面稳定应力临界值的时会收缩形成自然褶皱。相较于传统具有周期性光子结构和平面结构辐射制冷材料，控制辐射制冷涂层干燥过程使其表面形成自然褶皱能否起到提高其光学性能的作用？受此启发，我们设计、制备和测试了一种具有仿生皮肤褶皱结构的辐射制冷涂层。

图1 受皮肤褶皱启发辐射制冷涂层示意图（A）人体皮肤图片；（B）皮肤自然褶皱表面；（C）皮肤结构示意图；（D）人体在大气窗口波段的光谱发射率；（E）仿生皮肤褶皱结构的辐射制冷涂层示意图。


首先，采用时域有限差分法（FDTD）对辐射制冷涂层进行设计及优化。首先对辐射制冷涂层的所需BaSO4和SiO2粒子的粒径参数、涂层厚度以及涂层褶皱表面参数进行设计优化，并将优化后的辐射制冷涂层性能同平面结构的辐射制冷涂层性能进行对比。如图2（A），在太阳波段（0.3-2.5 μm）内，具有褶皱表面结构的辐射制冷涂层平均反射率为94.7%，相较于平面结构涂层平均反射率93.4%高出1.3%；对比图2（C）和（D），在入射波长为9.6 μm光谱下，具有褶皱结构的涂层可在更短距离内将入射光子能量吸收，表明其在该波段具有更强的发射能力；如图2（E），在大气窗口波段（8-13 μm）内，具有褶皱表面结构的辐射制冷涂层平均发射率为96.2%，相较于平面结构涂层平均发射率为91.7%高出4.5%；如图3（F），计算了不同角度入射光对涂层光谱发射率的影响，光线从0°（垂直）入射的时，两者的光谱发射率差别最大，随着入射角度的增加，发射率差值逐渐降低。

图2 仿生型辐射制冷涂层的理论设计及与平面辐射制冷涂层性能对比（A）太阳波段光谱反射率对比图；（B）涂层光谱散射系数图；（C）辐射制冷涂层的示意图及电场分布图；（D）平面型辐射制冷涂层示意图及电场分布图；（E）大气窗口波段光谱发射率对比图；（F）不同入射角度平均发射率对比图。


根据上述设计参数，经过研磨、混合、震荡、搅拌等步骤，制备出具有仿生皮肤褶皱结构的辐射制冷涂层，并进行一系列表征和测试。辐射制冷涂层的在太阳波段和大气窗口光谱特性是评价其制冷性能重要的参数。如图3（C）所示，涂层在太阳光谱波段的平均反射率~95%，“大气窗口”波段的平均发射率为~96%，实验结果相较于平面涂层分别提高~1%和~3%。并于2020年10月25日在威海地区（37°31′46″N，122°4′40″E）搭建了辐射制冷涂层样片的户外降温实验测试平台并进行测试。如图3（D）-（H）所示，测试时间段内（10:00-14:00），在太阳平均辐射太阳平均辐照度为803 W/m2和平均空气湿度26.1%环境下，观测到的最大温差为8.1 ℃，时间段内平均降温5.9 ℃，平均制冷功率为85.3W/m2，其中正午时段（11:00-13:00），涂层平均制冷功率为89.6 W/m2。

图3 辐射制冷涂层样片光谱辐射特性及降温性能测试（A）户外测试装置示意图；（B）户外测试装置实物图；（C）辐射制冷涂层光谱反射率；（D）辐射制冷涂层与环境气温时刻图；（E）辐射制冷涂层降温温差时刻图；（F）太阳辐照度；（G）大气湿度；（H）辐射制冷涂层制冷功率图。


为了验证辐射制冷涂层的在实际建筑中应用效果，搭建了两个相同户外测试建筑，并安装机柜空调。如图4（B）和（C）所示，采用红外热像仪对屋顶进行温度测试，覆涂层/未覆涂层正午（2020.08.17）涂层屋顶的温度分别为40.3℃/60.2℃，温差高达19.9℃。如图4（D）所示，连续三天（06.14-06.17）的两间房屋屋顶温度和室内空气温度曲线可以看出，日间未覆涂层的屋顶温度明显高于覆涂层屋顶温度，屋顶最大温差达23.6℃，室内温度温差最大13.9℃。此外，进行了全年（2019.10-2020.10）屋顶表面和室内空气的温度测试，如图4（E）和（F）所示，其中7月份屋顶温差最大，达到11.3℃，而1月份屋顶温差仅为4.5℃；由于屋顶保温层的存在，室内温差明显低于屋顶温差，其中5月份的差异最大，为6.2°C，1月份室内温差最小，仅为0.3°C。如图4（G）所示，空调节电量测试中，正午时段内空调节电率可达50%。

图4 辐射制冷涂层在户外建筑实际应用效果图（A）户外建筑实物图；（B）覆有涂层建筑屋顶红外热像图；（C）未覆有涂层建筑屋顶红外热像图；（D）两建筑屋顶温度及室内温度连续测试曲线图；（E）两建筑月度屋顶平均温度柱状图；（F）两建筑月度室内平均温度柱状图；（G）建筑内空调耗电量及节电率图。


要实现辐射制冷涂层的规模化应用，除了优异的制冷降温效果，还需具有良好的通用性能。如图5（A）-（D），涂层易涂覆在大理石、金属铝片、塑料板以及木材上，表明涂层具有良好的基底适应性，适用于多种在实际应用场合。由于不同场合对涂层颜色有不同的需求，因此要求涂层具备良好的颜色扩展性，如图5（E）（F），在基础涂层中添加颜色染料易制备成红色、黄色、蓝色的辐射制冷涂层，光谱测试结果表明，除在显色光谱波段具有吸收峰外，在其他波段均有高的反射率。当空气中的油污和灰尘沾附在辐射制冷涂层表面会影响其制冷效果，在涂层表面再喷涂一层聚四氟乙烯，使得其表面具有超疏水性能，如图5（G）所示，水接触角为125.3°。

图5 辐射制冷涂层基本性能。涂层涂覆在（A）大理石（B）金属铝片（C）塑料（D）木材；（E）不同颜色辐射制冷涂层太阳波段光谱反射率，插图为黄色、红色和蓝色辐射制冷涂层样片；（F）不同颜色辐射制冷涂层在CIE 1931标准下色度值；（G）涂层水接触角图。


王富强教授在辐射制冷领域发表的文章：

  1. Cheng Ziming，Shuai Yong，Gong Dayang，Wang Fuqiang，Liang Huaxu，Li Guiqiang．Optical properties and cooling performance analyses of single-layer radiative cooling coating with mixture of TiO2 particles and SiO2 particles．Science China-Technological Sciences，2020，63：1–13


  2. Cheng Ziming，Wang Fuqiang，Gong Dyang，Liang Huaxu，Shuai Yong．Low-cost radiative cooling blade coating with ultrahigh visible light transmittance and emission within an “atmospheric window”．Solar Energy Materials and Solar Cells，2020，213：110563


  3. Cheng Ziming，Wang Fu1iang，Wang Hao，Liang Huaxu，Ma Lanxin．Effect of embedded polydisperse glass microspheres on radiative cooling of a coating. International Journal of Thermal Sciences，2019，140：358–367


  4. Wang Fuqiang，Wang Hao，Gong Dayang，Cheng Ziming，Ma Lanxin．Radiative transfer analysis of semitransparent medium with particles having non-uniform size distribution by differential-integration method. International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，130：342–355


  5. Cheng Ziming，Lin Bo，Shi Xuhang，Wang Fuqiang，Liang Huaxu，Shuai Yong．Influences of atmospheric water vapor on spectral effective emissivity of a single-layer radiative cooling coating， AIMS Energy，2021，9(1)：96–116

来源：热辐射与微纳米光子学


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