輻射制冷技術的物理基礎與研究進展

片思杰, 夏林驍, 田哲源, 李賡, 王鑄寧, 馬耀光,3?

(1 浙江大學現代光學儀器國家重點實驗室, 浙江 杭州 310027;2 浙江大學光電科學與工程學院, 浙江 杭州 310027;3 浙江大學先進光子學國際研究中心, 浙江 杭州 310027)

0 引 言

近年來全球變暖所造成的環境問題以及極端氣候所帶來的負面影響愈演愈烈[1],由于制冷而帶來的能源消耗與溫室氣體排放已經達到了前所未有的水平[2]。熱的傳遞機制主要包括固體中的直接熱傳導、熱對流和物體間通過電磁波交換熱量的熱輻射傳遞。在制冷領域,工商業廣泛采用基于傳導和對流等方式實現降溫的策略,這些方案在為人類社會帶來巨大的便利與經濟效益的同時,也造成了大量碳排放以及電力與水資源的消耗[3]。而基于零能耗的輻射制冷方式既可以通過碳中和的形式滿足人類的熱管理需求,又可以滿足碳達峰所要求的環境與資源的可持續性,為緩解目前的能源壓力提供了一種可行的補充方案。

理論上,一切高于絕對零度的物體都存在一定功率的熱輻射,地球上人類賴以生存的能量主要就是通過太陽的電磁輻射獲得的。因此,高溫物體總能通過熱輻射的形式實現自身的冷卻降溫,而8～13μm中紅外波段的大氣透明窗口(ATSW)使室溫物體可以直接面對寒冷的宇宙實現熱傳遞。熱輻射能夠直接透過大氣層進入溫度接近絕對零度的宇宙空間(3 K),從而使地表物體有可能通過輻射制冷達到低于周圍環境的溫度。早在公元前,人類便已開始利用輻射制冷[4],波斯人會用建好的水池作為絕熱容器,在太陽落山后將水池灌滿水,通過輻射制冷,水的溫度可以低于環境溫度。……