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材料發(fā)射率可以通過(guò)定制輻射熱交換來(lái)提高制冷和供暖系統(tǒng)的能源效率。然而，由于環(huán)境溫度不均勻，實(shí)際節(jié)能過(guò)程往往面臨著挑戰(zhàn)，例如建筑墻體在夏季同時(shí)面臨著寒冷的天空和炎熱的地面。因此，匹配不均勻的溫度需要角度性地選擇具有不同發(fā)射率的材料。

在此，美國(guó)斯坦福大學(xué)崔屹教授等人提出了一種用于定向熱發(fā)射控制的微楔形結(jié)構(gòu)，其在定向發(fā)射率（0.9-0.1）方面顯示出較大的寬帶對(duì)比度，其中角發(fā)射范圍由微楔幾何形狀控制，并通過(guò)磁耦合進(jìn)行調(diào)控。結(jié)果顯示，角度選擇性發(fā)射器為室外垂直表面（比各向同性發(fā)射器低2°C）提供更好的日間輻射冷卻，可節(jié)省10%~40%的冷卻能源，并實(shí)現(xiàn)高效的室內(nèi)輻射供暖。利用熱輻射的方向特性為提高各種應(yīng)用的能源效率提供了新的機(jī)會(huì)，例如空間供暖和制冷、余熱回收和太陽(yáng)能熱發(fā)電。

相關(guān)文章以“Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating”為題發(fā)表在Joule上。

實(shí)際上，在今年8月，崔屹教授已經(jīng)在PNAS上以“Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings”為題報(bào)道了一種通用的彩色低輻射涂料，以形成由紅外（IR）反射底層和彩色紅外透明頂層組成的雙層涂層。豐富多彩的視覺(jué)外觀保證了與傳統(tǒng)涂料相媲美的美學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了高中紅外反射率（高達(dá)~80%），是相同顏色的傳統(tǒng)涂料的10倍以上，有效減少了來(lái)自外部環(huán)境的熱量增加和損失。這些涂料的優(yōu)點(diǎn)是在節(jié)能和全年供暖和制冷的損失之間取得平衡，提供適應(yīng)各種氣候帶的全年節(jié)能解決方案，可實(shí)現(xiàn)正向供暖、通風(fēng)、空調(diào)節(jié)能。

研究背景

制冷和供暖占全球能源相關(guān)溫室氣體排放量的三分之一以上，其中熱交換的調(diào)節(jié)對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能的冷卻和加熱至關(guān)重要，一種有效的策略是通過(guò)設(shè)計(jì)材料的光譜發(fā)射率來(lái)定制熱輻射。在建筑領(lǐng)域，低輻射玻璃降低了玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，最大限度地減少了對(duì)環(huán)境的熱量損失，并有助于全年保持室內(nèi)舒適度。

低輻射涂料在應(yīng)用于不透明的建筑表面時(shí)，會(huì)減少夏季來(lái)自太陽(yáng)和周圍環(huán)境的熱量吸收，同時(shí)限制冬季的輻射熱損失。相反，高發(fā)射率材料能夠使熱量通過(guò)輻射有效地散發(fā)到環(huán)境中。其中，被動(dòng)日間輻射冷卻已成為一種冷卻物體（包括建筑物）的策略，其在8-13μm的大氣透明窗口中應(yīng)用具有高太陽(yáng)反射率和高紅外發(fā)射率的材料。近年來(lái)，光譜發(fā)射率工程也出現(xiàn)在個(gè)人熱管理中，其中先進(jìn)的紡織材料旨在傳輸或反射來(lái)自人體的熱輻射，以促進(jìn)個(gè)人熱舒適。盡管當(dāng)周圍環(huán)境處于均勻和穩(wěn)定的溫度時(shí)，工程光譜發(fā)射率是有效的，但環(huán)境的溫度在很大程度上是不均勻的，并且在許多實(shí)際情況下可能會(huì)動(dòng)態(tài)變化。

盡管熱發(fā)射率的光譜工程已通過(guò)熱光子方法廣泛實(shí)現(xiàn)，但定向工程的報(bào)道較少，并且對(duì)于熱發(fā)射來(lái)說(shuō)尤其具有挑戰(zhàn)性，其后者是一種跨越廣泛波長(zhǎng)范圍的寬帶現(xiàn)象。利用熱輻射方向?qū)崿F(xiàn)加熱和冷卻的節(jié)能，進(jìn)一步對(duì)發(fā)射率曲線提出了嚴(yán)格的要求。此外，高發(fā)射率方向通常需要相對(duì)于法向入射方向不對(duì)稱，以滿足實(shí)際要求（例如建筑墻壁的輻射冷卻），這表明對(duì)稱光柵或多層結(jié)構(gòu)是不夠的。

圖文導(dǎo)讀

角度選擇性熱發(fā)射器的設(shè)計(jì)

基爾霍夫熱輻射定律表明，定向光譜發(fā)射率ε和吸收率α在給定的方向和波長(zhǎng)下是相同的。因此，設(shè)計(jì)具有角度選擇性發(fā)射率的材料意味著僅在特定角度下找到具有強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)。在此，本文設(shè)計(jì)了在選定的角度范圍內(nèi)促進(jìn)吸收的微觀結(jié)構(gòu)，其由周期性放置的由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的傾斜楔塊組成（圖1B），與室溫下的峰值熱輻射波長(zhǎng)（約10μm）具有大致相同數(shù)量級(jí)。其中，PDMS在接近10μm時(shí)具有固有的高吸收率/發(fā)射率，約為0.9，而鋁在中紅外范圍內(nèi)的發(fā)射率通常小于0.1，可以反射大部分紅外輻射。當(dāng)入射輻射與楔形成一個(gè)角度時(shí)，大量的電磁能量進(jìn)入楔形之間的空間，導(dǎo)致熱輻射的強(qiáng)烈吸收，從電磁場(chǎng)的局部增強(qiáng)可以看出。相反，如果入射輻射以面向鋁涂層表面的角度出現(xiàn)，則大部分輻射熱會(huì)被反射（圖1C）。因此，在一個(gè)方向而不是另一個(gè)方向的強(qiáng)吸收導(dǎo)致了一個(gè)與角度相關(guān)的熱發(fā)射率。

圖1. 角度選擇性熱發(fā)射器的概念

為了制造該結(jié)構(gòu)，作者使用了一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)控?（CNC）成型、鑄造和金屬沉積的可擴(kuò)展方法（圖2A）。簡(jiǎn)而言之，首先是使用正交切割創(chuàng)建蠟?zāi)?，在蠟?zāi)１砻嫘纬梢幌盗邪己郏渚哂?00μm左右的楔形腔，角度、深度和間距可以通過(guò)調(diào)整刀具的幾何形狀和加工路徑來(lái)控制。然后將兩部分硅膠倒入模具中，形成具有微楔形結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。從模具上剝下來(lái)的薄膜柔軟且可拉伸，厚度約為150μm（圖2B），使其能夠適應(yīng)不同的幾何形狀和形狀。PDMS薄膜的表面被進(jìn)一步等離子體清洗，隨后用金屬鋁（150nm厚度）沉積。掃描電子顯微鏡顯示，楔形物有尖銳的末端，有利于捕獲熱輻射（圖2C）。

為了量化與角度相關(guān)的熱發(fā)射率，作者使用傅里葉變換紅外光譜儀來(lái)測(cè)量發(fā)射率光譜。結(jié)果顯示，本文的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射率的寬帶對(duì)比度，從一個(gè)方向的約0.9到另一個(gè)方向的約0.1。因此，紅外熱像儀下的樣品外觀從暖色（紅色）變?yōu)槔渖ㄋ{(lán)色）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)楔形頂面的傾斜角從約46°（樣品1）變?yōu)榧s68°（樣品4）時(shí)，高發(fā)射率被縮小到更小的角度范圍（圖2E）。

圖2. 角度選擇性熱發(fā)射器的制備與表征

定向輻射冷卻

圖3A顯示了用于比較具有不同發(fā)射率分布的材料的冷卻性能的室外設(shè)置，進(jìn)一步進(jìn)行了全天測(cè)試。在日出之前，由于輻射冷卻，對(duì)照組炭黑涂料和實(shí)驗(yàn)組定向發(fā)射器都達(dá)到低于環(huán)境溫度的溫度，而鋁聚酯薄膜則保持在環(huán)境溫度附近。太陽(yáng)升起后，地面溫度開(kāi)始升高。當(dāng)?shù)孛鏈囟雀哂诃h(huán)境溫度時(shí)，炭黑涂料會(huì)受到額外的加熱損失，并且與定向發(fā)射器相比，它們的溫度越來(lái)越高。中午前后，當(dāng)?shù)孛鏈囟冗_(dá)到最高時(shí)，炭黑的溫度甚至高于聚酯薄膜鋁膜，這凸顯了由于地面熱輻射而產(chǎn)生的明顯加熱。在一天中，定向發(fā)射器達(dá)到所有樣品中最低的溫度，展示了定向發(fā)射率在冷卻節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。

圖3. 定向輻射冷卻

定向輻射加熱

由于高發(fā)射率的角范圍有限，角度選擇性發(fā)射器可以向需要加熱的目標(biāo)發(fā)射熱輻射，同時(shí)最大限度地減少對(duì)其他不需要的方向的輻射，從而降低加熱能耗。為了證明定向發(fā)射器的這種能力，作者制造了一個(gè)環(huán)形發(fā)射器（圖4A）。為了可視化輻射分布，構(gòu)建了一個(gè)裝置來(lái)捕獲熱輻射并將其轉(zhuǎn)化為溫度分布（圖4B）。圖4C和4D比較了從各向同性和定向發(fā)射器捕獲的紅外圖像。相比之下，對(duì)于定向發(fā)射器，由于楔形方向，只有當(dāng)發(fā)射方向指向中心時(shí)，發(fā)射率才大。因此，大多數(shù)輻射熱通量朝向觀察到最大溫度升高的中心（圖4D）。原則上，楔形方向也可以是空間不均勻的，因此可以進(jìn)一步優(yōu)化輻射加熱范圍。

圖4. 定向輻射加熱和磁力轉(zhuǎn)向

綜上所述，本文提出的定向發(fā)射率工程為熱發(fā)射控制開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)，其能夠調(diào)整輻射能量交換，以匹配和利用環(huán)境中不均勻的溫度，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的冷卻和加熱。同時(shí)，作者以有機(jī)硅彈性體為主要材料，使結(jié)構(gòu)柔韌可拉伸，可適應(yīng)各種幾何形狀。該概念還可以推廣到其他材料系統(tǒng)、各種結(jié)構(gòu)，甚至與其他外部刺激的動(dòng)態(tài)控制。作者相信，對(duì)熱輻射定向控制的進(jìn)一步研究在實(shí)現(xiàn)從空間冷卻和加熱到余熱回收和太陽(yáng)能熱發(fā)電等各種應(yīng)用方面具有巨大的節(jié)能潛力。

文獻(xiàn)信息

Jiawei Zhou, Tony G. Chen, Yoichiro Tsurimaki, Amar Hajj-Ahmad, Lingling Fan, Yucan Peng,Rong Xu, Yecun Wu, Sid Assawaworrarit, Shanhui Fan, Mark R. Cutkosky, and Yi Cui*,?Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating, Joule. (2023). https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.013

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