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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(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、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(huán)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(xiàn)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(jié)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(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(fā)射熱輻射,實現(xiàn)較高的日間冷卻性能。


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(tǒng)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(diào)了太陽反射率和中紅外發(fā)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(xiàn)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(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、電子設備冷卻、能量收集和集水方面的潛在商業(yè)應用。最后,展望了日間被動輻射制冷的持續(xù)挑戰(zhàn)、未來機遇和發(fā)展趨勢。


3基于太陽反射和中紅外發(fā)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(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(chǎn)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(zhàn)。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(fā)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(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基金委的支持。


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

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(責任編輯:xu)
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