輻射降溫技術(shù)的案例
一種可量產(chǎn)的多功能輻射降溫材料
來源 | Progress in Materials Science
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背景介紹
隨著全球變暖加劇和極端高溫天氣頻發(fā)，人體、建筑、設(shè)備等的降溫需求日益迫切。傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)降溫，但其運行所需的制冷劑和電力嚴重加劇了溫室效應和能源消耗，對綠色可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成巨大威脅。是否存在一種新型的綠色降溫方式，可以在不消耗能源的情況下實現(xiàn)降溫？輻射降溫技術(shù)是一種無需能量輸入的物理降溫技術(shù)，它通過對太陽光和中紅外波段光譜進行選擇性精準調(diào)控，最終實現(xiàn)物體的無源持續(xù)降溫。該技術(shù)有助于緩解能源危機和溫室效應，對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。
近年來，關(guān)于輻射降溫材料的理論模型、基本原理和精準成型的研究已經(jīng)取得了一定的進展。然而，如何通過豐富的原材料和成熟的工藝技術(shù)來制備輻射降溫材料或器件以滿足大規(guī)模的實際應用需求仍有許多工作需要開展。
02
成果掠影
近期，陜西科技大學薛朝華教授團隊聯(lián)合香港理工大學王鉆開教授和華中科技大學陶光明教授團隊，系統(tǒng)闡述了輻射降溫基本原理和可宏量制備的多功能輻射降溫材料的設(shè)計策略。該論文全面總結(jié)了可量產(chǎn)多功能輻射降溫材料的最新成果，旨在縮短基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)需求之間的差距，并進一步展望了輻射降溫材料未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇。該文章有望在基礎(chǔ)科學研究和實際產(chǎn)業(yè)應用之間架起一座橋梁，彌合基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)需求之間的差距，有效促進輻射降溫材料或器件更好地服務于人類社會。相關(guān)研究成果以“Scalable multifunctional radiative cooling materials”為題發(fā)表于《Progress in Materials Science》。
展開 技術(shù)分享：淺析對降溫結(jié)晶器的改良創(chuàng)新
參照圖-1，作更具體的說明：
1，本創(chuàng)新設(shè)計所述的降溫室和結(jié)晶室是平面視圖為正六邊形的圓錐體結(jié)構(gòu)，外殼是中空夾層，物料出口直徑為200～300mm；圓錐體結(jié)構(gòu)和較大的出料口直徑有利于物料外出。
2，本創(chuàng)新設(shè)計所述的安裝于降溫室的星形攪拌器有1～3層，每層攪拌槳均勻分布著3～6片槳葉，攪拌速度設(shè)置為40～60r/min，這樣的設(shè)計既能使降溫均勻又不會造成晶體顆粒大小不均一。
3，本創(chuàng)新設(shè)計所述的安裝于結(jié)晶室的耙式攪拌器為橫向安裝方式，耙式攪拌器設(shè)置有2～6個平行的槳葉；轉(zhuǎn)動速度為30～40r/min，這樣的設(shè)計既能確保晶體顆粒大小均一，又不會造成晶體掛壁和結(jié)壁現(xiàn)象，同時橫向攪拌還有利于晶體出料。
4，本創(chuàng)新設(shè)計所述的降溫室與結(jié)晶室的冷卻水系統(tǒng)以串聯(lián)的方式連接在一起，冷卻水自結(jié)晶室下部進入，自降溫室上部流出；這樣的設(shè)計能夠使結(jié)晶室和降溫室的冷卻水系統(tǒng)始終保持5～10℃溫差，降溫室不會過早出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，同時，這樣的設(shè)計也有利于合理利用水資源。
本創(chuàng)新設(shè)計的改良型結(jié)晶器，它簡單的操作過程是這樣的，打開真空控制閥04，首先把預先濃縮到位的熱飽和鹽溶液自飽和液進口03轉(zhuǎn)入降溫室01中，啟動星形攪拌器05，打開冷卻水進09和冷卻水出10，讓飽和鹽溶液在降溫室01中緩緩降溫至目標溫度；接下來，打開閘板閥A06，讓降溫后的飽和鹽溶液自降溫室01轉(zhuǎn)移至結(jié)晶室02中，啟動耙式攪拌器07，隨著溫度的進一步下降，晶體就會逐步析出來，當溫度降到一定程度，打開閘板閥B08，讓晶體混合液轉(zhuǎn)入下步處理工序作進一步處理。
經(jīng)過一個階段的運行，當結(jié)晶器需要清洗時，我們還設(shè)計有相應的結(jié)晶器清洗裝置與之搭檔。
展開 具有耐候性的超薄輻射制冷技術(shù)
因此，在當今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產(chǎn)生活中制冷所需的能耗已成為當下的熱門研究方向，而輻射制冷技術(shù)作為一種零能耗、綠色環(huán)保的新型制冷技術(shù)，可以實現(xiàn)節(jié)約能源以及保護環(huán)境的作用。然而在一些輻射制冷技術(shù)應用的場景中，如：將輻射制冷涂料涂在建筑物、通信基站等外表面實現(xiàn)日間被動式制冷，這實現(xiàn)了很好的節(jié)能效果，但較厚的涂層，不僅會增加材料成本，而且會增加傳熱熱阻，對散熱產(chǎn)生影響；此外，由于涂層長期暴露在室外，需要考慮其使用壽命，對戶外不同氣象參數(shù)下（如：下雨、灰塵等）具有較好的耐候性，從而保證其性能。對于日間輻射制冷涂層，其關(guān)鍵在于如何在有限厚度下實現(xiàn)較高的太陽光反射和中紅外發(fā)射率，并具有良好的耐候性。
02
成果掠影
近期，中南大學能源科學與工程學院陳梅潔副教授、閆紅杰教授團隊設(shè)計了一種超薄、可擴展的耐候日間輻射制冷涂層。在該研究中，所設(shè)計的輻射制冷涂層在紫外線照射模擬、泥土污染模擬以及灰塵污染模擬實驗中表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐候性，在150 μm厚度下，涂層能夠?qū)崿F(xiàn)0.963的太陽光波段平均反射率和0.927的中紅外波段平均發(fā)射率，表現(xiàn)出優(yōu)異的制冷性能；最后通過拓展到3D結(jié)構(gòu)上，耦合對流換熱過程，極大提升了涂層散熱性能，表明所設(shè)計的輻射制冷涂層在實際制冷與散熱應用中的可行性。研究成果以“Thin paints for durable and scalable radiative cooling”為題發(fā)表于《Journal of Energy Chemistry》。
展開 天空輻射制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望
來源 | 制冷學報
作者 | 郭晨玥，潘浩丹，徐琪皓等
摘要：天空輻射制冷技術(shù)是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發(fā)射紅外輻射以實現(xiàn)自身降溫的過程。作為一種無需能量輸入的制冷技術(shù)，天空輻射制冷可為應對能源危機及全球變暖提供一種新的思路。從發(fā)展歷程看，傳統(tǒng)的輻射制冷技術(shù)應用僅限于夜間。近年來，隨著納米光子學及超材料領(lǐng)域的發(fā)展，日間輻射制冷技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)得到驗證。
本文對天空輻射制冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了回顧，涉及基本原理、材料與結(jié)構(gòu)，分析了其潛在應用前景，并重點討論了該技術(shù)當前研究與應用中面臨的挑戰(zhàn)。在能源形勢與環(huán)境問題日益嚴峻的今天，探索天空輻射制冷技術(shù)在不同場景的應用，如建筑節(jié)能、減輕城市熱島效應、緩解水資源短缺、提高光伏發(fā)電效率等，有望助力我國的碳達峰、碳中和事業(yè)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：輻射制冷;光譜選擇性;大氣輻射;紅外輻射
能源危機與全球變暖是當今世界面臨的重大挑戰(zhàn)。目前，制冷能耗約占全球建筑總用電量的 20%，占全球總用電量的 10%。提高現(xiàn)有制冷系統(tǒng)效率和探索新型制冷技術(shù)成為目前亟待開展的工作。天空輻射制冷技術(shù)是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發(fā)射紅外輻射以實現(xiàn)自身降溫的過程。由于宇宙背景近乎一個溫度為2.7 K 的理想黑體光譜，而地球表面平均溫度約為290 K，因此地球向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體。
傳統(tǒng)的輻射制冷材料及其應用僅限于夜間，這是由于材料在白天對太陽輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年，隨著納米光子學和超材料領(lǐng)域的發(fā)展，新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發(fā)展，這些新型輻射制冷材料在太陽輻射波段具有高反射率，同時在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，可實現(xiàn)全天輻射制冷。
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Nature子刊：同步輻射技術(shù)揭示氧化還原相變過程！
中國科學院高能物理研究所多學科中心X射線成像實驗站副研究員袁清習和國內(nèi)外課題組合作，建立了基于同步輻射納米分辨譜學成像技術(shù)追蹤氧化還原反應相變過程的方法，并成功應用于鋰離子電池電料相變過程的研究。研究成果近期發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上。
同步輻射譜學成像（XANES imaging）是利用特定元素對X射線能量的不同響應特性來獲得樣品內(nèi)部對應元素的化學價態(tài)三維分布。基于波帶片全場成像方法的納米分辨譜學成像技術(shù)可以獲得高空間分辨的形貌和化學信息，近年來受到了越來越多的重視，在材料科學領(lǐng)域尤其是在能源材料領(lǐng)域的研究中表現(xiàn)出重要潛力。
針對納米分辨譜學成像方法學和應用研究，高能所多學科中心X射線成像實驗站近年來開展了大量的工作。其中，袁清習和國內(nèi)外多個同步輻射裝置建立緊密聯(lián)系，在技術(shù)研發(fā)、科研應用等方面開展了廣泛的合作。近期，袁清習聯(lián)合美國斯坦福同步輻射光源研究員劉宜晉課題組、弗吉尼亞理工大學教授林鋒課題組提出了應用同步輻射納米分辨譜學成像技術(shù)研究氧化還原反應的不均勻相變過程的新方法。這個聯(lián)合團隊成功將他們提出的新方法應用于Li(NixMnyCoz)O2 (NMC) 三元正極材料的研究中，揭示了該材料熱穩(wěn)定性的一系列問題。該項工作發(fā)表于Nature Communications 9, 2810，2018，共同第一作者為弗吉尼亞理工大學博士穆林沁和高能所袁清習。
上海同步輻射光源
以NMC正極材料中的應用為實例，該實驗方法的工作流程如下：首先，為了研究該材料體系在不同溫度下的行為，開展原位實驗，利用譜學成像獲得大量空間分辨的吸收譜數(shù)據(jù)；其次，提取Ni元素K邊吸收能量表示相應的化學狀態(tài)，高能量代表高價態(tài)（相對氧化態(tài)），低能量代表低價態(tài)（相對還原態(tài)）。
展開 一種高輻射制冷性能的雙選擇型熱發(fā)射體
該文設(shè)計并制備了一種可以同時利用兩個大氣窗口（8–13 μm和16–25 μm）來降溫的雙選擇型（Dual-selective）熱發(fā)射體作為高性能輻射制冷材料，并證明其在干旱炎熱氣候下具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有典型輻射制冷發(fā)射體的亞環(huán)境制冷性能（指降溫到環(huán)境溫度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了輻射制冷技術(shù)的降溫潛能，為其大規(guī)模實際應用提供了可能。此外，當在雙選擇型熱發(fā)射體樣品表明覆蓋不同顏色的彩色PE膜后，樣品仍體現(xiàn)出很高的亞環(huán)境制冷性能（如紅色和黃色），且明顯優(yōu)于彩色化后的商業(yè)涂料。表明雙選擇型材料還具有很高的彩色兼容性，有助于促進輻射制冷材料的大規(guī)模實際應用。本工作從理論上提出并從實驗上實現(xiàn)了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設(shè)計，也為將來設(shè)計更多高效熱管理材料提供了新的思路。研究成果以“A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance”為題發(fā)表在《Nature Communications》。
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圖文導讀
圖1. 雙選擇輻射制冷模型的建立和理論計算。
圖2.雙選擇型輻射制冷熱發(fā)射體的分子-結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發(fā)射體在沙漠環(huán)境下的制冷性能測試。
圖4. 雙選擇型熱發(fā)射體制冷功率測試，以及與常見商品屋頂材料的制冷性能比較。
圖5. 雙選擇型熱發(fā)射體的彩色化和彩色兼容性研究。
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