全球變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展的清潔能源被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題的重要方式。從全球來(lái)看，建筑物每年的能耗大約占年總能耗的 40%，其中很大一部分是用于建筑物的溫度管理，隨著人口數(shù)量增加，社會(huì)發(fā)展，能源需求將會(huì)不斷增加，形成加劇全球變暖和能耗增長(zhǎng)的惡性循環(huán)。輻射制冷由于其完全被動(dòng)的制冷機(jī)制，制冷系統(tǒng)無(wú)需任何能量輸入，是解決全球變暖和降低能耗的有效方法。

最近，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所 李煒 研究員和美國(guó)斯坦福大學(xué) 范汕洄 教授合作在 Nature Photonics 上發(fā)表了題為“Photonics and thermodynamics concepts in radiative cooling”的綜述論文，本文討論了輻射制冷的光子學(xué)和熱力學(xué)概念，深入分析了影響輻射制冷性能和能量轉(zhuǎn)換性能的因素，討論了近年來(lái)輻射制冷的應(yīng)用，為提高輻射制冷性能和“冷能”的利用提供了新思路。

輻射制冷的基本概念

任意高于絕對(duì)零度的物體（太陽(yáng)，人體）都會(huì)向外輻射電磁波，兩個(gè)物體進(jìn)行輻射交換時(shí)，有凈光子熱流從高溫物體流向低溫物體，帶走能量和熵，使物體溫度降低，而無(wú)需任何外部能源消耗。與向太陽(yáng)獲取熱能類(lèi)似，輻射制冷技術(shù)向外太空（約為 3K）獲取“冷能”（圖 1）。

圖 1：a.日間輻射制冷的輻射換熱過(guò)程。b.日間輻射制冷的熱平衡

日間輻射制冷的熱平衡主要包括吸收的太陽(yáng)輻射功率（Psun）、吸收大氣向下的輻射功率（Patm）、發(fā)射器發(fā)出的功率（Pemi）及非輻射散熱功率（Pc） （圖 1 b）。根據(jù)能量守恒定律可知，上述幾項(xiàng)的差值就是凈制冷功率。

從圖 2 所示的光譜來(lái)看，大氣在 8-13 μm 的中紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)有一個(gè)透明窗口。該窗口與 300 K 附近典型環(huán)境溫度下的黑體輻射光譜有很大重疊。因此，地球面向天空的物體可以通過(guò)大氣層將其熱量輻射到寒冷的外層空間。為實(shí)現(xiàn)日間輻射制冷，發(fā)射器在透明窗口內(nèi)應(yīng)具有高發(fā)射率以增大向外的輻射量，而在透明窗口外應(yīng)具有低發(fā)射率以減小對(duì)大氣向下的輻射以及對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收。

圖 2：（上圖）太陽(yáng)光譜（黃）、大氣透過(guò)率光譜（藍(lán)）、300 K 黑體輻射光譜。（下圖）光譜選擇性發(fā)射器的光譜圖

制冷功率主要由樣品溫度和發(fā)射率決定，而樣品發(fā)射率是波長(zhǎng)和角度的函數(shù)，要達(dá)到一個(gè)較低的平衡溫度需要窄帶角度選擇發(fā)射器，而要得到較高的制冷功率則需要大角度范圍的寬帶發(fā)射器。

從圖 3 所示的結(jié)果來(lái)看，假設(shè)發(fā)射器在太陽(yáng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收為零，在完美隔熱狀態(tài)下，光譜選擇發(fā)射器與黑體發(fā)射器相比，可以達(dá)到更低的平衡溫度。對(duì)于給定的大氣透射光譜，優(yōu)化發(fā)射器每個(gè)角度和波長(zhǎng)的發(fā)射率，可以實(shí)現(xiàn)平衡溫度低于環(huán)境溫度約 100 攝氏度。在典型的室外條件下，沒(méi)有復(fù)雜的隔熱（h=8 Wm?2K?1），溫度降低的幅度要小得多。

圖 3：各種發(fā)射率 ε（λ，θ）分布條件下，凈制冷功率與發(fā)射器溫度曲線因此我們可以根據(jù)需求和理想輻射制冷功率曲線，通過(guò)優(yōu)化樣品每一個(gè)波長(zhǎng)和角度下的發(fā)射率來(lái)實(shí)現(xiàn)最低的平衡溫度或者最大的制冷功率，以滿足不同應(yīng)用需求。圖 4 展示了針對(duì)不同操作目標(biāo)的輻射制冷器的最佳發(fā)射率分布：實(shí)現(xiàn)低平衡溫度（左）；將輻射制冷器保持在低于環(huán)境溫度的特定溫度，同時(shí)最大化凈制冷功率（中間）；將輻射制冷器保持在或高于環(huán)境溫度，同時(shí)最大限度地提高凈制冷功率（右）。

圖 4：針對(duì)不同目標(biāo)的輻射冷卻器的最佳發(fā)射率 ε（λ，θ）分布

基于光子學(xué)的輻射制冷

從光子學(xué)角度來(lái)看，輻射制冷依賴于光子結(jié)構(gòu)在寬光譜范圍內(nèi)控制光的能力。光與結(jié)構(gòu)之間相互作用的強(qiáng)度嚴(yán)重依賴于結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺度。利用這一特性，可以構(gòu)建光譜選擇性結(jié)構(gòu)，與光譜的一部分進(jìn)行較強(qiáng)的相互作用，而與其他部分進(jìn)行相對(duì)較弱的相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷功率的提高。

圖 5：基于光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日間輻射制冷研究進(jìn)展

根據(jù)輻射制冷的基本概念可知，實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的白天輻射制冷需要對(duì)發(fā)射器的發(fā)射率和吸收率分布進(jìn)行精細(xì)控制。納米光子學(xué)的最新進(jìn)展為滿足這些要求提供了強(qiáng)大的工具。目前為止，日間輻射制冷已在多種材料中的不同結(jié)構(gòu)中得以實(shí)現(xiàn)。包括聚合物薄膜、玻璃-聚合物超材料、分層多孔聚合物、結(jié)構(gòu)木材和聚合物納米纖維薄膜。

輻射制冷的應(yīng)用

1. 太陽(yáng)能電池的輻射制冷

太陽(yáng)能電池的溫升對(duì)太陽(yáng)能電池的效率和可靠性有不利影響。因此，探索利用光子技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能電池降溫具有重要意義。如圖 6 所示，在封裝電池的頂部放置一層薄膜，這一層薄膜對(duì)于帶隙以上的太陽(yáng)光需要具有高透射性，對(duì)于帶隙以下的太陽(yáng)光需要具有高反射性。此外，該層需要在 4-30 um 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有近似為 1 的發(fā)射率。

圖 6：太陽(yáng)能電池中輻射制冷的光子學(xué)概念

2. 室外彩色物體的熱輻射負(fù)荷管理

在實(shí)際應(yīng)用中，出于功能或美學(xué)原因，通常首先選擇室外結(jié)構(gòu)的顏色。對(duì)于每一種給定的顏色，輻射熱負(fù)荷其實(shí)有一個(gè)非常顯著的可調(diào)范圍（這個(gè)范圍被定義為一種顏色在陽(yáng)光直射的室外環(huán)境下所能承受的最大和最小輻射熱負(fù)荷之差）。這源自太陽(yáng)能吸收紅外線的物理效應(yīng)和輻射制冷，非常類(lèi)似于考慮太陽(yáng)能電池的制冷以及同色異譜效應(yīng)。

圖 7：室外彩色物體中輻射制冷的光子學(xué)概念

3. 紡織物的輻射制冷

輻射制冷概念也可應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，對(duì)人體進(jìn)行冷卻。在室內(nèi)環(huán)境溫度低于人體溫度的場(chǎng)景中，紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射散熱占人體總熱量損失的 50% 以上。因此，促進(jìn)人體向周?chē)h(huán)境的輻射熱傳遞可以對(duì)人體降溫起到重要作用。為了最大限度地從人體輻射傳熱，紡織品應(yīng)在可見(jiàn)光波段有較低的透過(guò)率而在紅外波段內(nèi)有較高的透射率。

圖 8：紡織物中輻射制冷的光子學(xué)概念

4. 水收集

輻射制冷技術(shù)可以用于緩解水資源短缺的問(wèn)題。當(dāng)物體溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，大氣中的水汽會(huì)在物體表面凝結(jié)。根據(jù)輻射制冷的基本概念我們可以知道，通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化制冷器的發(fā)射率分布，可以實(shí)現(xiàn)將輻射制冷器保持在低于露點(diǎn)溫度，同時(shí)最大化凈制冷功率，此時(shí)制冷器的最大凈制冷功率可用于平衡水汽凝結(jié)過(guò)程中釋放的潛熱。

輻射制冷中的熱力學(xué)概念

從熱力學(xué)角度來(lái)看，在兩個(gè)不同溫度的物體之間傳熱可以用來(lái)產(chǎn)生有用功。如圖 9 a 所示，通常的太陽(yáng)能利用是因?yàn)楦邷靥?yáng)和地球之間存在溫差，物體吸收太陽(yáng)能量，可以通過(guò)熱機(jī)做功。與太陽(yáng)能利用相似，地球向外太空發(fā)出的熱輻射同樣可以產(chǎn)生有用功，此時(shí)，地球是高溫?zé)嵩矗馓帐堑蜏責(zé)岢痢Ｎ矬w利用輻射制冷機(jī)制，向外太空輻射熱量可與周?chē)h(huán)境形成溫差，也就可以用來(lái)產(chǎn)生有用功。

基于這一概念，如圖 9 b 所示，當(dāng)輻射制冷器面向天空時(shí)，可以達(dá)到比環(huán)境空氣溫度低幾度的溫度，連接到輻射制冷器的熱電發(fā)電機(jī)可以進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電力可以用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。如圖 9 c 所示，類(lèi)比光伏電池工作原理，可以通過(guò)低帶隙半導(dǎo)體向外熱輻射進(jìn)行能量產(chǎn)生的“反向光伏”過(guò)程。

圖 9：輻射制冷的熱力學(xué)概念

總結(jié)與展望

本綜述總結(jié)了輻射制冷的基本理論，討論了輻射冷卻過(guò)程中的基本光子學(xué)和熱力學(xué)概念及其最新進(jìn)展。從光子設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，控制發(fā)射率分布對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能的輻射冷卻至關(guān)重要。根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)，最佳發(fā)射率剖面可能具有復(fù)雜的光譜和角度形狀。因此，實(shí)現(xiàn)與大規(guī)模制造技術(shù)兼容的高性能輻射制冷器仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

逆向設(shè)計(jì)技術(shù)在輻射制冷中的應(yīng)用是一個(gè)很有前途的方向，該技術(shù)已應(yīng)用于多層膜輻射制冷器。此外，除了吸收和散射過(guò)程外，光與物質(zhì)相互作用的其他過(guò)程也可能對(duì)輻射冷卻產(chǎn)生影響，如利用熒光過(guò)程來(lái)提高建筑物的有效太陽(yáng)反射率以達(dá)到輻射制冷的目的。

該綜述還提到在未來(lái)可以通過(guò)對(duì)光子工程熱發(fā)射率分布、傳熱設(shè)計(jì)和低帶隙半導(dǎo)體的光電特性進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，來(lái)提升輻射制冷性能及能量的收集。該綜述還預(yù)測(cè)了在輻射制冷概念與許多其他類(lèi)型的可再生能源技術(shù)相結(jié)合方面，將取得重大進(jìn)展，包括太陽(yáng)能收集和水發(fā)電。在收集現(xiàn)有熱源（如人體熱量、廢熱和太陽(yáng)能）的方案中，輸出熱輻射的收集也可用于提高功率密度。

從熱力學(xué)角度來(lái)看，由于外太空的溫度比環(huán)境溫度低得多，輻射制冷可能會(huì)為系統(tǒng)地改進(jìn)一系列熱力學(xué)循環(huán)指明方向，并對(duì)整個(gè)能源技術(shù)產(chǎn)生重大影響。

審核編輯：郭婷