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斯坦福大学崔屹教授,最新Joule!
来源:Spring | 2023/11/15 1:09:35 | 浏览:2323 | 评论:0

斯坦福大学崔屹教授,最新Joule!

材料发射率可以通过定制辐射热交换来提高制冷和供暖系统的能源效率。然而,由于环境温度不均匀,实际节能过程往往面临着挑战,例如建筑墙体在夏季同时面临着寒冷的天空和炎热的地面。因此,匹配不均匀的温度需要角度性地选择具有不同发射率的材料。
在此,美国斯坦福大学崔屹教授等人提出了一种用于定向热发射控制的微楔形结构,其在定向发射率(0.9-0.1)方面显示出较大的宽带对比度,其中角发射范围由微楔几何形状控制,并通过磁耦合进行调控。结果显示,角度选择性发射器为室外垂直表面(比各向同性发射器低2°C)提供更好的日间辐射冷却,可节省10%~40%的冷却能源,并实现高效的室内辐射供暖。利用热辐射的方向特性为提高各种应用的能源效率提供了新的机会,例如空间供暖和制冷、余热回收和太阳能热发电。
相关文章以“Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating”为题发表在Joule上。
实际上,在今年8月,崔屹教授已经在PNAS上以“Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings”为题报道了一种通用的彩色低辐射涂料,以形成由红外 (IR)反射底层和彩色红外透明顶层组成的双层涂层。丰富多彩的视觉外观保证了与传统涂料相媲美的美学效果,实现了高中红外反射率(高达~80%),是相同颜色的传统涂料的10倍以上,有效减少了来自外部环境的热量增加和损失。这些涂料的优点是在节能和全年供暖和制冷的损失之间取得平衡,提供适应各种气候带的全年节能解决方案,可实现正向供暖、通风、空调节能。

 斯坦福大学崔屹教授,最新Joule!

研究背景
制冷和供暖占全球能源相关温室气体排放量的三分之一以上,其中热交换的调节对于实现节能的冷却和加热至关重要,一种有效的策略是通过设计材料的光谱发射率来定制热辐射。在建筑领域,低辐射玻璃降低了玻璃的导热系数,最大限度地减少了对环境的热量损失,并有助于全年保持室内舒适度。
低辐射涂料在应用于不透明的建筑表面时,会减少夏季来自太阳和周围环境的热量吸收,同时限制冬季的辐射热损失。相反,高发射率材料能够使热量通过辐射有效地散发到环境中。其中,被动日间辐射冷却已成为一种冷却物体(包括建筑物)的策略,其在8-13μm的大气透明窗口中应用具有高太阳反射率和高红外发射率的材料。近年来,光谱发射率工程也出现在个人热管理中,其中先进的纺织材料旨在传输或反射来自人体的热辐射,以促进个人热舒适。尽管当周围环境处于均匀和稳定的温度时,工程光谱发射率是有效的,但环境的温度在很大程度上是不均匀的,并且在许多实际情况下可能会动态变化。
尽管热发射率的光谱工程已通过热光子方法广泛实现,但定向工程的报道较少,并且对于热发射来说尤其具有挑战性,其后者是一种跨越广泛波长范围的宽带现象。利用热辐射方向实现加热和冷却的节能,进一步对发射率曲线提出了严格的要求。此外,高发射率方向通常需要相对于法向入射方向不对称,以满足实际要求(例如建筑墙壁的辐射冷却),这表明对称光栅或多层结构是不够的。

角度选择性热发射器的设计
基尔霍夫热辐射定律表明,定向光谱发射率ε和吸收率α在给定的方向和波长下是相同的。因此,设计具有角度选择性发射率的材料意味着仅在特定角度下找到具有强吸收的结构。在此,本文设计了在选定的角度范围内促进吸收的微观结构,其由周期性放置的由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的倾斜楔块组成(图1B),与室温下的峰值热辐射波长(约10μm)具有大致相同数量级。其中,PDMS在接近10μm时具有固有的高吸收率/发射率,约为0.9,而铝在中红外范围内的发射率通常小于0.1,可以反射大部分红外辐射。当入射辐射与楔形成一个角度时,大量的电磁能量进入楔形之间的空间,导致热辐射的强烈吸收,从电磁场的局部增强可以看出。相反,如果入射辐射以面向铝涂层表面的角度出现,则大部分辐射热会被反射(图1C)。因此,在一个方向而不是另一个方向的强吸收导致了一个与角度相关的热发射率。

 斯坦福大学崔屹教授,最新Joule!

图1. 角度选择性热发射器的概念

为了制造该结构,作者使用了一种基于计算机数控 (CNC)成型、铸造和金属沉积的可扩展方法(图2A)。简而言之,首先是使用正交切割创建蜡模,在蜡模表面形成一系列凹痕,其具有100μm左右的楔形腔,角度、深度和间距可以通过调整刀具的几何形状和加工路径来控制。然后将两部分硅胶倒入模具中,形成具有微楔形结构的PDMS薄膜。从模具上剥下来的薄膜柔软且可拉伸,厚度约为150μm(图2B),使其能够适应不同的几何形状和形状。PDMS薄膜的表面被进一步等离子体清洗,随后用金属铝(150nm厚度)沉积。扫描电子显微镜显示,楔形物有尖锐的末端,有利于捕获热辐射(图2C)。
为了量化与角度相关的热发射率,作者使用傅里叶变换红外光谱仪来测量发射率光谱。结果显示,本文的微观结构设计实现了发射率的宽带对比度,从一个方向的约0.9到另一个方向的约0.1。因此,红外热像仪下的样品外观从暖色(红色)变为冷色(蓝色)。实验数据表明,当楔形顶面的倾斜角从约46°(样品1)变为约68°(样品4)时,高发射率被缩小到更小的角度范围(图2E)。

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图2. 角度选择性热发射器的制备与表征

定向辐射冷却

图3A显示了用于比较具有不同发射率分布的材料的冷却性能的室外设置,进一步进行了全天测试。在日出之前,由于辐射冷却,对照组炭黑涂料和实验组定向发射器都达到低于环境温度的温度,而铝聚酯薄膜则保持在环境温度附近。太阳升起后,地面温度开始升高。当地面温度高于环境温度时,炭黑涂料会受到额外的加热损失,并且与定向发射器相比,它们的温度越来越高。中午前后,当地面温度达到最高时,炭黑的温度甚至高于聚酯薄膜铝膜,这凸显了由于地面热辐射而产生的明显加热。在一天中,定向发射器达到所有样品中最低的温度,展示了定向发射率在冷却节能方面的优势。

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图3. 定向辐射冷却

定向辐射加热
由于高发射率的角范围有限,角度选择性发射器可以向需要加热的目标发射热辐射,同时最大限度地减少对其他不需要的方向的辐射,从而降低加热能耗。为了证明定向发射器的这种能力,作者制造了一个环形发射器(图4A)。为了可视化辐射分布,构建了一个装置来捕获热辐射并将其转化为温度分布(图4B)。图4C和4D比较了从各向同性和定向发射器捕获的红外图像。相比之下,对于定向发射器,由于楔形方向,只有当发射方向指向中心时,发射率才大。因此,大多数辐射热通量朝向观察到最大温度升高的中心(图4D)。原则上,楔形方向也可以是空间不均匀的,因此可以进一步优化辐射加热范围。

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图4. 定向辐射加热和磁力转向

综上所述,本文提出的定向发射率工程为热发射控制开辟了新的机会,其能够调整辐射能量交换,以匹配和利用环境中不均匀的温度,以实现节能的冷却和加热。同时,作者以有机硅弹性体为主要材料,使结构柔韧可拉伸,可适应各种几何形状。该概念还可以推广到其他材料系统、各种结构,甚至与其他外部刺激的动态控制。作者相信,对热辐射定向控制的进一步研究在实现从空间冷却和加热到余热回收和太阳能热发电等各种应用方面具有巨大的节能潜力。

文献信息
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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