陸軍裝甲兵學(xué)院張勇等 ACHM 綜述：先進(jìn)被動日間輻射制冷 - 從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計到多功能集成化應(yīng)用
近年來，隨著全球變暖、工業(yè)發(fā)展和人口增長，全球制冷能源消耗持續(xù)增加，特別是極端炎熱地區(qū)。然而，通風(fēng)、空調(diào)等傳統(tǒng)制冷策略是通過壓縮空氣實現(xiàn)的。這種策略會大量使用化石燃料產(chǎn)生的電力，進(jìn)一步加劇氣候變暖。據(jù)估計，制冷消耗了全球15%的電力，并產(chǎn)生10%的溫室氣體排放。因此，開發(fā)高效環(huán)保的制冷策略以降低能源成本、溫室氣體排放和相關(guān)熱量問題成為未來幾十年的迫切需求。
圖1. 從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計到多功能集成化應(yīng)用
輻射制冷是一種被動式冷卻策略，具有零能耗和零環(huán)境污染的特點；诘厍颍300 K）和外太空（2.7 K）之間的巨大溫差，通過熱輻射將多余的熱量傳遞到外太空，實現(xiàn)了無處不在的輻射冷卻過程，且無需消耗任何能源。由于這個過程是被動和可再生的，使其在節(jié)能建筑、個人熱管理等領(lǐng)域取得顯著進(jìn)步。與夜間的較低溫度相比，對白天冷卻的需求更為迫切。實現(xiàn)被動式日間輻射制冷更具挑戰(zhàn)性，因為太陽直接輻射會大大抵消冷卻功率。2014年，Fan等人首次報道了多層光子晶體用于白天輻射冷卻。從那時起，研究人員開發(fā)了各種材料或結(jié)構(gòu)，如光子晶體、分層結(jié)構(gòu)和介電聚合物復(fù)合材料，以反射太陽輻射并發(fā)射熱輻射，實現(xiàn)較高的日間冷卻性能。
圖2. 被動輻射制冷的的簡要發(fā)展時間線。
本文從基本原理、設(shè)計原則、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計、多功能集成及其應(yīng)用等方面系統(tǒng)綜述了被動日間輻射制冷器件的最新進(jìn)展。首先，詳細(xì)介紹了輻射制冷的基本原理和設(shè)計原則，揭示了影響輻射制冷性能的關(guān)鍵因素，強(qiáng)調(diào)了太陽反射率和中紅外發(fā)射率的關(guān)鍵作用。隨后，基于材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們回顧了光子結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)高效的白天輻射制冷。此外，還總結(jié)了被動日間輻射制冷與多功能（如顏色、動態(tài)可調(diào)和透明）的集成。然后，討論了節(jié)能建筑、個人熱管理、電子設(shè)備冷卻、能量收集和集水方面的潛在商業(yè)應(yīng)用。最后，展望了日間被動輻射制冷的持續(xù)挑戰(zhàn)、未來機(jī)遇和發(fā)展趨勢。
圖3. 基于太陽反射和中紅外發(fā)射的固有材料特性和結(jié)構(gòu)的被動日漸輻射制冷器件設(shè)計策略總結(jié)
日間被動輻射制冷器件或熱輻射調(diào)控器件還存在很大的發(fā)展空間，包括解決器件光譜響應(yīng)性能-結(jié)構(gòu)-制備之間的制約關(guān)系等。日間被動輻射制冷器件作為一種新型的熱管理產(chǎn)品，在智能熱管理領(lǐng)域具有巨大的潛力。盡管在各個方面取得了一些令人振奮的進(jìn)展，但仍存在許多挑戰(zhàn)。相信，在不同領(lǐng)域研究人員的不斷努力下，日間被動輻射制冷器件的設(shè)計、功能和性能將得到進(jìn)一步提升，從而推動輻射制冷的發(fā)展走向光明的未來。
相關(guān)研究成果以“Advanced passive daytime radiative cooling: from material selection and structural design to application towards multifunctional integration”為題發(fā)表于《Advanced Composites and Hybrid Materials》上（DOI: 10.1007/s42114-024-01127-7）。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s42114-024-01127-7
