具有耐候性的超薄辐射制冷技术

来源 | Journal of Energy Chemistry

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背景介绍

随着温室效应的加剧，全球平均温度逐年上升，使得人们对制冷的需求不断增加。传统的基于压缩式的制冷方式（如：空调）往往是将热量从室内转移到室外，并且需要消耗大量的能源，加剧了全球气候变暖。因此，在当今“双碳”政策的背景下，如何有效降低生产生活中制冷所需的能耗已成为当下的热门研究方向，而辐射制冷技术作为一种零能耗、绿色环保的新型制冷技术，可以实现节约能源以及保护环境的作用。然而在一些辐射制冷技术应用的场景中，如：将辐射制冷涂料涂在建筑物、通信基站等外表面实现日间被动式制冷，这实现了很好的节能效果，但较厚的涂层，不仅会增加材料成本，而且会增加传热热阻，对散热产生影响；此外，由于涂层长期暴露在室外，需要考虑其使用寿命，对户外不同气象参数下（如：下雨、灰尘等）具有较好的耐候性，从而保证其性能。对于日间辐射制冷涂层，其关键在于如何在有限厚度下实现较高的太阳光反射和中红外发射率，并具有良好的耐候性。

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成果掠影

近期，中南大学能源科学与工程学院陈梅洁副教授、闫红杰教授团队设计了一种超薄、可扩展的耐候日间辐射制冷涂层。在该研究中，所设计的辐射制冷涂层在紫外线照射模拟、泥土污染模拟以及灰尘污染模拟实验中表现出了优异的耐候性，在150 μm厚度下，涂层能够实现0.963的太阳光波段平均反射率和0.927的中红外波段平均发射率，表现出优异的制冷性能；最后通过拓展到3D结构上，耦合对流换热过程，极大提升了涂层散热性能，表明所设计的辐射制冷涂层在实际制冷与散热应用中的可行性。研究成果以“Thin paints for durable and scalable radiative cooling”为题发表于《Journal of Energy Chemistry》。

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图文导读

图1 hBN散射体的模拟光学特性: （a） 不同形状散射体的后向散射系数:球形hBN（红色）和片状hBN（蓝色）；（b）垂直入射方向（红色）和平行入射方向（蓝色）下片状hBN的后向散射系数；（c）折射率分别为1.0、1.5和2.0的不同介质环境下hBN板的后向散射系数；（d）直径分别为150 nm、200 nm、400 nm和600 nm的hBN板的后向散射系数。

图2 涂层特性：（a）制备示意图；（b）改性前后片状hBN在水中的分散情况；（c）涂层的光学图像及154°接触角示意图；（d）涂层的SEM图像，插图为至少100个颗粒的散射直径分布；（e）厚度为150 µm的涂层的光谱反射率。

图3 所设计的辐射制冷涂层：（a）不同质量分数的粘结剂PFOTS的光谱反射率、（b）接触角和滑移角；（c）溶剂IPA不同质量分数下的光谱反射率、（d）接触角和滑移角，图中（a）至（d）的厚度为100 µm；(e) 透明丙烯酸基板在不同厚度(50 µm、100 µm和150 µm)下的光谱反射率、（f）太阳反射率和热发射率。

图4 耐候性测试：（a）经紫外光灯照射10天前后设计的薄的耐候性涂层和参照涂层的光谱反射率；（b）在灰尘污染下，用风和水对设计涂层进行简单清洗；（c）泥土污染测试下的设计（上图）和参考涂层（下图）的光学图像。

图5 户外冷却和散热性能测试：（a）户外冷却实验装置原理图和（b）光学图；（c）环境温度以下和环境温度以上实验的样品设置示意图；（d）环境温度以下实验样品及环境温度变化和实验时间段的太阳辐射强度；（e）环境温度以上实验样品及环境温度变化和实验时间段的太阳辐射强度；（d）在1D和3D基底上实验样品及环境温度变化和实验时间段的太阳辐射强度。

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