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輻射制冷使無能耗散熱成為可能 新材料助力戶外設(shè)備熱管理
2021年11月30日 09:43:17
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：吳吳吳 點擊量：9378
“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一，近年來受到了越來越多的關(guān)注，“輻射制冷” 是一種被動冷卻技術(shù)，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】 進(jìn)入新世紀(jì)，各類小型中型大型機器設(shè)備365天一刻不停地運轉(zhuǎn)，社會經(jīng)濟(jì)得到了前所未有的發(fā)展，而在生產(chǎn)高效的背后則是“善后”技術(shù)的低效，機器設(shè)備產(chǎn)生的熱量在大氣中“自由”地進(jìn)行著熱傳遞，進(jìn)一步加劇了溫室效應(yīng)。
說起“熱傳遞”，“熱輻射”作為熱傳遞的三種方式之一，近年來受到了越來越多的關(guān)注，“輻射制冷” 是一種被動冷卻技術(shù)，憑借著可在無任何能耗的情況下降熱量散發(fā)到太空而成為熱門研究課題。
外太空是地球的理想熱沉 能夠接收來自地球的熱量
根據(jù)經(jīng)典熱輻射理論，一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體都會以電磁波的形式向外發(fā)射能量。熱輻射可以將熱能以光速穿過真空，從一個物體傳到另一個物體，太陽傳遞給地球的熱能就是以熱輻射經(jīng)過宇宙而來的，所以將地球熱量通過熱輻射“發(fā)射”到外太空是理論上可行的。
太陽的溫度一般被認(rèn)為是6000K(開爾文，溫度單位)，地球的溫度是230K到300K，而外太空的溫度為3K(-270℃，接近絕對零度)，是一個持續(xù)穩(wěn)定的低溫端。外太空是地球的理想熱沉，通過輻射制冷，地球上的物體可實現(xiàn)與外太空直接換熱。
其實輻射制冷也普遍存在于大自然中，露珠的形成就是自然的輻射制冷的結(jié)果。夜晚近地空氣因長波輻射冷卻到露點以下，其中所含的水汽在地面或近地物體上結(jié)成露珠，然而輻射制冷現(xiàn)象一般只在夜晚出現(xiàn)，這也就是為什么露珠出現(xiàn)的時間總在傍晚和清晨。
此前，已有科學(xué)家在夜間輻射制冷發(fā)電方面有了較大的突破，范鈴羚團(tuán)隊利用輻射制冷研制出熱電發(fā)生系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換效率為5%-8%，能夠?qū)崿F(xiàn)每平米超過 2W 乃至 3W 左右的功率密度，相比于此前背報道的相同原理的研究，其結(jié)果高出兩個數(shù)量級，足以為一些 LED 照明器件、模塊化傳感器等持續(xù)供電。
近日，上海交通大學(xué)電氣材料與絕緣研究中心教授黃興溢與該校密西根學(xué)院教授鮑華基于輻射制冷技術(shù)，開發(fā)出一種具有高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料。據(jù)了解該材料的陽光反射率高達(dá)98%，能夠打破時間限制實現(xiàn)全天輻射制冷，材料具備的高導(dǎo)熱特性可用于戶外機械設(shè)備的高效熱管理，能夠有效降低機械設(shè)備的溫度。
與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比 高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料的優(yōu)勢
傳統(tǒng)的制冷技術(shù)是以蒸汽壓縮制冷技術(shù)為主，工作氣體主要有氨、二氧化碳和氟利昂等輕烴鹵代物，氣體制冷劑泄露造成的臭氧破壞、強溫室氣體直接排放使地球溫度進(jìn)一步升高，同時又加劇了制冷需求，如此形成一種惡性循環(huán)。
與傳統(tǒng)制冷技術(shù)相比，輻射制冷技術(shù)運用了自身材料的熱輻射特性，本身不需要任何能量輸入，是一種無耗能、無污染的理想制冷技術(shù)。且黃興溢團(tuán)隊研發(fā)的輻射制冷絕緣材料可實現(xiàn)全天輻射制冷，因此這一技術(shù)有望取代或補充傳統(tǒng)制冷技術(shù)。
設(shè)施、裝備在工作時自身的熱量是制冷技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用中繞不開的“大山”，研究人員設(shè)計的一種基于填充有聚合物基體的二維六方氮化硼(h-BN)介電納米板的可擴展光子膜，將獨特的2D形狀與高折射率相結(jié)合，具有超高的后向光散射效率，使光子膜與傳統(tǒng)基體相比同時具有高太陽反射率(98%)和低熱阻，散熱能力更強。
據(jù)介紹，該材料制備工藝簡單，無需開發(fā)新的工業(yè)化設(shè)備，可在原有設(shè)備的實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，目前該團(tuán)隊已制備出數(shù)米長的材料。在應(yīng)用方面，該材料除了可用于冷鏈物流、會展中心等傳統(tǒng)制冷場景，還可用于變壓器、5G基站等戶外電力設(shè)施的熱管理，甚至航天器的熱控薄膜也在其應(yīng)用范圍之內(nèi)。
作為一項綠色技術(shù)，制冷輻射不需要消耗能源，也不會排放溫室氣體造成環(huán)境負(fù)擔(dān)，對我國的生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。黃興溢團(tuán)隊設(shè)計、制備出的高導(dǎo)熱率的輻射制冷絕緣材料，打破了傳統(tǒng)輻射制冷材料陽光反射率和導(dǎo)熱率的制約，進(jìn)一步拓展了輻射制冷材料的應(yīng)用場景，為進(jìn)一步推動輻射制冷技術(shù)在戶外電力設(shè)備、電子器件中的熱管理應(yīng)用做出了開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。
后記：在后續(xù)應(yīng)用場景的拓展上，材料的美學(xué)問題或許會被輻射制冷材料的研究團(tuán)隊提上日程，讓材料在上色后具有純白色材料一樣的制冷效果，是輻射制冷材料產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的需要解決的問題。
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