作者 | 郭晨玥，潘浩 丹，徐琪皓等 摘要： 天空辐射制冷技术是指地球表面物体通过“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程。作为一种无需能量输入的制冷技术，天空辐射制冷可为应对能源危机及全球变暖提供一种新的思路。从发展历程看，传统的辐射制冷技术应用仅限于夜间。近年来，随着纳米光子学及超材料领域的发展，日间辐射制冷技术的优势已经得到验证。 本文对天空辐射制冷技术的发展现状进行了回顾，涉及基本原理、材料与结构，分析了其潜在应用前景，并重点讨论了该技术当前研究与应用中面临的挑战。在能源形势与环境问题日益严峻的今天，探索天空辐射制冷技术在不同场景的应用，如建筑节能、减轻城市热岛效应、缓解水资源短缺、提高光伏发电效率等，有望助力我国的碳达峰、碳中和事业发展。 关键词： 辐射制冷;光谱选择性;大气辐射;红外辐射 能源危机与全球变暖是当今世界面临的重大挑战。目前，制冷能耗约占全球建筑总用电量的 20%，占全球总用电量的 10%。提高现有制冷系统效率和探索新型制冷技术成为目前亟待开展的工作。天空辐射制冷技术是指地球表面物体通过“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程。由于宇宙背景近乎一个温度为2.7 K 的理想黑体光谱，而地球表面平均温度约为290 K，因此地球向宇宙的红外辐射可用于冷却地球表面物体。 传统的辐射制冷材料及其应用仅限于夜间，这是由于材料在白天对太阳辐射的吸收抵消了其红外辐射的制冷量。近几年，随着纳米光子学和超材料领域的发展，新型光谱选择性辐射制冷材料得到迅速发展，这些新型辐射制冷材料在太阳辐射波段具有高反射率，同时在“大气窗口”波段具有高发射率，可实现全天辐射制冷。作为一种无需能量输入的制冷技术，天空辐射制冷可为应对能源危机及全球变暖提供一种新的思路。 本文在已有文献基础上，对天空辐射制冷技术现状进行了较为全面的回顾，涉及基本原理、材料与结构，分析了其潜在应用前景，同时总结了辐射制冷应用的创新性扩展以及当前研究热点，如动态辐射制冷材料、颜色多样性辐射制冷材料以及与其他技术的综合应用等，并重点讨论了目前应用中面临的挑战，可为后续天空辐射制冷技术的规模化应用提供参考。 一， 天空辐射制冷原理 地表和大气层吸收太阳辐射，同时也会以红外辐射的形式向外太空辐射能量，这两者之间的平衡决定了地表的平均温度(如图 1(a))。由于各类大气分子、气溶胶以及云的散射和吸收作用，太阳辐射(0.3～2.5 μm)会沿传播路径逐渐衰减。同时，地表红外辐射(2.5～50 μm)在通过大气层时也会发生吸收和散射，仅有一部分可以穿透大气层进入外太空，该部分可以穿透大气层的辐射波段即“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)，其辐射能即为天空辐射制冷的冷量来源。 “大气窗口”的产生是由于大气层由多种气体组成，包含红外光谱吸收性气体，如水蒸气、CO 2 和臭氧等，基于不同气体的综合作用，大气辐射主要集中在中红外波段，但如图 1( b) 所示，大气辐射在8～13 μm 波段内是高度透明的，表现出明显的光谱选择性。为使热量可以通过“大气窗口”释放到宇宙中，需要最大程度地增加被制冷物体通过“大气窗口”的红外热辐射。由于热辐射与构成物质的电子的振荡和跃迁而释放的能量密切相关，故热辐射的波长主要取决于辐射体的材料共振频率和温度。目前辐射制冷材料主要为热辐射波长被调制到“大气窗口”波段的光谱选择性辐射体或整个中红外波段(即 4 μm 以上) 的宽谱辐射体。但在“大气窗口”波段外对大气辐射的额外吸收限制了宽谱辐射体在白天的冷却性能，因此选择性辐射体在白天应用更具潜力。 辐射制冷过程中辐射体表面能量平衡如图 1(c)所示，其中 P rad 表示辐射体表面的热辐射， P solar 表示吸收的太阳辐射，P atm 表示吸收的大气辐射，P non-radiative 表示非辐射损耗。根据能量平衡理论，辐射体表面的净辐射制冷功率可表示为： P net-cooling = P rad - P atm - P solar - P non-radiative (1)
图 1 辐射制冷基本原理 日间辐射制冷由于阳光照射会导致辐射体表面温度升高，故辐射制冷材料需要对太阳辐射有很高的反射率( 一般大于 0. 9)。大气质量系数( air mass，AM)常用来表征太阳光穿过大气层后的太阳光谱，定义为直接穿过大气层的光程长度。标准的太阳平均辐照度通常由 AM1.5 太阳光谱表示，具体分布如图 1( b) 所示。为保证辐射制冷效果，至少须反射 90%的入射阳光。辐射体表面太阳反射率的微小变化，会对材料的辐射制冷性能产生显著影响。 辐射制冷过程中，由于辐射体的温度低于周围环境空气的温度，周围环境会通过导热和对流向辐射体进行传热，即非辐射损耗。辐射体的制冷量损耗不仅与环境风速和温度等因素有关，也与装置的保温性能有关，为简化该过程，多数研究采用总传热系数 K 来表征非辐射损耗，可表示为： P non-radiative = KA(T amb - T s ) (2) 式中：K 为导热和对流总传热系数，W/(m 2 ·K);A 为辐射体面积，m 2 ; T amb 为环境温度，K; T s 为辐射体表面温度，K。
二， 天空辐射制冷材料与结构 基于辐射制冷原理，材料的光谱选择性辐射特性对实现高效辐射制冷至关重要。从发展历程看，夜间辐射制冷自 20 世纪中叶起已有较多研究。但这些夜间辐射制冷材料难以同时满足在“大气窗口”波段具有高发射率，且对太阳辐射具有高反射率，因此限制了其在白天的应用。随着研究的深入，目前已设计出新材料或结构可用于全天辐射制冷。本节对夜间和日间辐射制冷材料进行了回顾，并对动态辐射制冷材料的最新研究进展进行了总结。 2.1 夜间辐射制冷材料 夜间辐射制冷指在夜间达到低于环境温度的冷却，宽谱和选择性辐射材料均可实现这一功能。夜间辐射制冷材料一般可分为: 1) 聚合物: PMMA、PVC、PPO 树脂和其他复合高分子材料;2)无机薄膜:一氧化硅、二氧化硅、氮氧化硅和各类涂料(如 TiO 2 、BaSO 4 等);3) 气体:氨、环氧乙烷、乙烯或这些气体的混合物。基于聚合物的夜间辐射制冷材料可由少量聚合物涂层以及下方的金属层组成。聚合物涂层由红外透射聚合物与纳米粒子混合制备，通过改变纳米粒子的浓度，可在整个“大气窗口”内调整吸收光谱。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的无机薄膜可在中红外波段实现高发射率。气体通过分子拉伸和旋转使分子在“大气窗口”波段内具有强烈的红外吸收，使用气体作为工质的辐射制冷装置具有无需额外传热流体的优势。 2.2 日间辐射制冷材料 由于太阳辐射能量密度约为辐射制冷能量密度的 10 倍，这给辐射制冷的日间应用带来了挑战。近年来，得益于微纳技术研究的进展，使新型辐射制冷材料如光学薄膜材料、超材料及超表面、光子晶体等既具有高太阳光谱反射率，又在“大气窗口”波段具有高发射率的材料，得以实现日间辐射制冷。 以光子材料和超材料为代表的纳米光学材料为日间辐射制冷的光学性质设计提供了新思路。由于具有周期性的多层膜结构光子晶体可强化“大气窗口”波段的发射能力，A.P.Ｒaman 等研究了由 7 层 Si O 2 和 Hf O 2 组成的光子晶体以实现白天低于环境温度的日间辐射制冷，如图 2(a)所示，该材料可反射97%的入射阳光，并在“大气窗口”波段具有高发射率，在超过 850 W/ m 2 的直射阳光下冷却功率可达到 40.1 W/ m 2 。 上述多层膜结构材料虽具有较好的冷却性能，但加工难度及成本限制了其广泛应用。近年来，聚合物辐射制冷材料受到广泛关注，如 PET、PVF、PDMS、PMMA等。Zhai Yao 等提出了一种如图 2(b)所示的可卷对卷制造的低成本聚合物-颗粒物超材料。嵌入聚合物中的 Si O 2 颗粒通过高阶 Fr?hlich 共振增强红外发射，该超材料在“大气窗口”波段的红外发射率可达到 0.93，在正午实现了 93 W/ m 2 的冷却功率。此外，采用温度诱导相转化工艺制备的多孔聚乙烯冷却布也可兼容卷对卷生产技术。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳节能减排是永恒的话题。
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