辐射制冷技术的物理基础与研究进展_片思杰.pdf

第 40 卷 第 1 期量 子 电 子 学 报Vol.40 No.12023 年 1 月CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSJan.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.01.001辐辐辐射射射制制制冷冷冷技技技术术术的的的物物物理理理基基基础础础与与与研研研究究究进进进展展展片思杰1,2,夏林骁2,田哲源2,李 赓1,2,王铸宁1,2,马耀光1,2,3(1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江 杭州 310027;2 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310027;3 浙江大学先进光子学国际研究中心,浙江 杭州 310027)摘要:随着现代社会能源与极端气候问题日益严峻,零能耗的辐射制冷技术越来越受到人们的关注与重视。从 2014 年日间辐射制冷首次被实验实现以来,辐射制冷技术已从结构设计、材料选择、制备工艺、集成应用等多个角度被广泛研究,产生了包括镀膜、涂层、柔性薄膜、织物等多种类型的器件。新的研究也越来越重视辐射制冷在场景兼容性以及环境、气候自适应性等方面的需求。开发多场景兼容、自适应环境变化且具有动态热调控能力的新型辐射制冷器件,对辐射制冷技术的实用化以及能源、医疗、工业生产等领域都有着重要意义。本文围绕辐射制冷技术所运用的基础物理原理与光子学结构设计,综述了辐射制冷器件的基本技术与其在场景兼容、温度自适应热调控等方面的进展。首先介绍了辐射制冷技术的原理与基本设计方法,随后重点介绍了一些典型的辐射制冷结构以及实现多场景兼容与自适应动态调控辐射制冷器件的主要进展,最后对辐射制冷器件的发展进行了总结与展望。关 键 词:光学器件;辐射制冷;微纳结构;动态热调控中 图 分 类 号:O436.2文 献 标 识 码:A文章编号:1007-5461(2023)01-00001-21Fundamentals and research progress of radiative cooling technologyPIAN Sijie1,2,XIA Linxiao2,TIAN Zheyuan2,LI Geng1,2,WANG Zhuning1,2,MA Yaoguang1,2,3(1 State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2 College of Optical Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;3 International Research Center for Advanced Photonics,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Abstract:With the increasingly serious energy problems and extreme climate in modern society,radiativecooling technology with zero-energy consumption has attracted much attention from the related scientificcommunity.Since the first experimental demonstration of daytime radiative cooling in 2014,the tech-nology has been widely studied from the perspectives of structural design,material selection,preparationprocess,integrated application,etc.,resulting in the development of various types of devices including基金项目:国家自然科学基金优青项目(62222511),国家自然科学基金青年项目(61905213)作者简介:片思杰(1997-),四川绵阳人,研究生,主要从事随机介质光学调控及辐射制冷应用方面的研究。E-mail:导师简介:马耀光(1985-),山西应县人,百人计划研究员,博士生导师,主要从事超构材料与超构表面器件、微纳光纤器件、非线性光学器件等方面的研究。E-mail:收稿日期:20220823;修改日期:20220930通信作者。2量 子 电 子 学 报40 卷coatings,paintings,flexible films,fabrics,etc.New research is putting forward new requirements in termsof scene compatibility,environmental and climate adaptability.So the realization of new types of radia-tive cooling device that is compatible with multiple scenarios,adaptive to environmental changes,andhas dynamic thermal control capabilities is of great significance to the practical application of radiativecooling technology in fields such as energy,medical,and industrial production.This paper focuses on thebasic physical principles and photonics structure designs of radiative cooling technology,and summarizesthe basic technology of radiative cooling devices and their progress in scene compatibility,temperatureadaptive thermal regulation,etc.Firstly,the principle and basic design method of radiative cooling tech-nology are expounded,then some typical radiative cooling structures and the main progress of realizingmulti-scenario compatibility and adaptive dynamic regulation of radiative cooling devices are introduced,and at last,the development of radiative cooling devices is summarized and prospected.Key words:optical devices;radiative cooling;micro/nano structures;dynamic thermal regulation0引言近年来全球变暖所造成的环境问题以及极端气候所带来的负面影响愈演愈烈1,由于制冷而带来的能源消耗与温室气体排放已经达到了前所未有的水平2。热的传递机制主要包括固体中的直接热传导、热对流和物体间通过电磁波交换热量的热辐射传递。在制冷领域,工商业广泛采用基于传导和对流等方式实现降温的策略,这些方案在为人类社会带来巨大的便利与经济效益的同时,也造成了大量碳排放以及电力与水资源的消耗3。而基于零能耗的辐射制冷方式既可以通过碳中和的形式满足人类的热管理需求,又可以满足碳达峰所要求的环境与资源的可持续性,为缓解目前的能源压力提供了一种可行的补充方案。理论上,一切高于绝对零度的物体都存在一定功率的热辐射,地球上人类赖以生存的能量主要就是通过太阳的电磁辐射获得的。因此,高温物体总能通过热辐射的形式实现自身的冷却降温,而 813 m中红外波段的大气透明窗口(ATSW)使室温物体可以直接面对寒冷的宇宙实现热传递。热辐射能够直接透过大气层进入温度接近绝对零度的宇宙空间(3 K),从而使地表物体有可能通过辐射制冷达到低于周围环境的温度。早在公元前,人类便已开始利用辐射制冷4,波斯人会用建好的水池作为绝热容器,在太阳落山后将水池灌满水,通过辐射制冷,水的温度可以低于环境温度。即使空气温度高于冰点,水依然可以结冰。但是,直到 21 世纪初期,现代社会更需要的日间辐射制冷技术仍发展较为缓慢。随后,研究人员对日间辐射制冷材料的结构、制备工艺、调控机理等开展了大量研究,开发出了包括光子晶体5、复合光学超材料6、分级多孔聚合物7、辐射制冷木材8等在内的多种日间辐射制冷器件,并对其与建筑9、空调10,11、太阳能电池12,13等系统的集成方法进行了探索。受惠于交叉学科的兴起,近 5 年来,以膜态复合材料以及纤维态织物为代表的辐射制冷材料得到了广泛研究1418。由于具有优异的柔性、透气性以及强度,这类材料在包括楼体、车体乃至人体的多种复杂场景均具有良好的可集成性与兼容性,因此在工业生产、物流运输、户外防护、室内降温等领域有着广泛的应用价值。而在动态热调控领域,以水凝胶、相变材料等为代表的动态无源热调控材料则受到辐第 1 期片思杰等:辐射制冷技术的物理基础与研究进展3射制冷领域研究者的广泛关注,取得了一些阶段性的进展19,20。本文将围绕辐射制冷的光谱调控机制,简要介绍辐射制冷的基本物理原理及器件设计方法,并以适用于多场景、多环境、多气候的新型辐射制冷器件与动态热调控器件为主进行综述,最后对各技术的优势以及存在的问题进行总结展望。1原理1.1辐辐辐射射射制制制冷冷冷原原原理理理辐射制冷技术是指对材料的表面辐射特性进行调节,从而使该种材料在需要的辐射频段内尽可能接近理想黑体性能。黑体辐射理论表明一切高于绝对零度的物体都会向外辐射能量,且辐射场本身具有不连续性。黑体辐射是物体与自由空间以及物体之间热辐射的基本理论,它突破了经典物理学的限制,成为量子力学的重要开端。对于一个温度为 T 的黑体,其发出的特定频率 的电磁波在单位表面积向单位立体角内辐射能量的速率称为光谱辐射出射度,可表示为I(,T)=243c2e/(kBT)1,(1)式中:c 为真空光速,为约化普朗克常量,kB为玻尔兹曼常数。将(1)式对角频率和立体角积分,可以得到斯特藩-波尔兹曼定律,其表明绝对温度为 T 的黑体辐射功率密度满足j=T4,(2)式中 为斯特藩-玻尔兹曼常数。对于等效发射率为 的灰体,(2)式修正为 j=T4。由于玻色-爱因斯坦统计分布 n(,T)=e/(kBT)11在 =0 处的奇点被 3抵消,所以辐射谱存在极大值。随着温度的升高,该辐射峰值逐渐向短波方向移动,这种变化关系被称为韦恩位移定律,辐射峰值波长 p=b/T,其中维恩位移常数 b 2898 m K。韦恩位移定律表明了物体越热,其辐射谱峰值的波长越短,对于地表物体(25C),物体热辐射峰值波长 p 9.7 m。在天空透明的情况下(少云雾,湿度较低),大气对813 m 中红外波长的电磁波来说基本透明,如图 1(a)所示,该透明窗口波段与地表温度物体的黑体辐射光谱基本重合,所以根据热力学第二定律,热量可以通过热辐射的形式从地表物体(高温物体)自发地流向外太空(低温物体)。因此,若将物体面向天空,并对物体的表面发射光谱进行合理设计,便有可能以接近绝对零度的宇宙环境为冷源,