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陸軍裝甲兵學院張勇等 ACHM 綜述:先進被動日間輻射制冷 - 從材料選擇和結構設計到多功能集成化應用
2025-01-03  來源:高分子科技

  近年來,隨著全球變暖、工業發展和人口增長,全球制冷能源消耗持續增加,特別是極端炎熱地區。然而,通風、空調等傳統制冷策略是通過壓縮空氣實現的。這種策略會大量使用化石燃料產生的電力,進一步加劇氣候變暖。據估計,制冷消耗了全球15%的電力,并產生10%的溫室氣體排放。因此,開發高效環保的制冷策略以降低能源成本、溫室氣體排放和相關熱量問題成為未來幾十年的迫切需求。


1從材料選擇和結構設計到多功能集成化應用


  輻射制冷是一種被動式冷卻策略,具有零能耗和零環境污染的特點。基于地球(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,實現了無處不在的輻射冷卻過程,無需消耗任何能源。由于這個過程是被動和可再生的,使其在節能建筑、個人熱管理等領域取得顯著進步。與夜間的較低溫度相比,對白天冷卻的需求更為迫切。實現被動式日間輻射制冷更具挑戰性,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,研究人員開發了各種材料或結構,如光子晶體、分層結構和介電聚合物復合材料,以反射太陽輻射并發射熱輻射,實現較高的日間冷卻性能。


2被動輻射制冷的的簡要發展時間線。


  本文從基本原理、設計原則、材料選擇和結構設計、多功能集成及其應用等方面系統綜述了被動日間輻射制冷器件的最新進展。首先,詳細介紹了輻射制冷的基本原理和設計原則,揭示了影響輻射制冷性能的關鍵因素,強調了太陽反射率和中紅外發射的關鍵作用。隨后,基于材料選擇和結構設計,我們回顧了光子結構和分層結構兩種結構設計,以實現高效的白天輻射制冷。此外,還總結了被動日間輻射制冷功能(如顏色、動態可調和透明)的集成。然后,討論了節能建筑、個人熱管理、電子設備冷卻、能量收集和集水方面的潛在商業應用。最后,展望了日間被動輻射制冷的持續挑戰、未來機遇和發展趨勢。


3基于太陽反射和中紅外發射的固有材料特性和結構的被動日漸輻射制冷器件設計策略總結


  日間被動輻射制冷器件或熱輻射調控器件還存在很大的發展空間,包括解決器件光譜響應性能-結構-制備之間的制約關系等。日間被動輻射制冷器件作為一種新型的熱管理產品,在智能熱管理領域具有巨大的潛力。盡管在各個方面取得了一些令人振奮的進展,但仍存在許多挑戰。相信,在不同領域研究人員的不斷努力下,日間被動輻射制冷器件的設計、功能和性能將得到進一步提升,從而推動輻射制冷的發展走向光明的未來。


  相關研究成果以“Advanced passive daytime radiative cooling: from material selection and structural design to application towards multifunctional integration為題發表于《Advanced Composites and Hybrid Materials上(DOI: 10.1007/s42114-024-01127-7)。該研究得到國家自然科學基金委的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1007/s42114-024-01127-7

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