[論文レビュー] Bulk Material Based Selective Infrared Emitter for Sub-Ambient Daytime Radiative Cooling

Yue Yang, Linshuang Long+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、日中の冷却を実現するための選択的赤外放射体として、銀バックアップを備えたバルクリチウムフルオライド（LiF）結晶の提案を行う。この構造は、太陽放射吸収率が4.7%であり、大気窓（8–13 μm）内でほぼ1に近い放射率を示し、太陽放射が900 W/m²を超える条件下で、約60 W/m²のネット冷却出力と、周囲温度より5 K低い停止温度を達成する。

ABSTRACT

Through passively emitting excess heat to the outer space, radiative cooling has been demonstrated as an efficient way for energy saving applications. Selective surface with unity emittance only within the atmospheric window as well as zero absorption within the solar spectrum is sought to achieve the best sub-ambient radiative cooling performance during the daytime. In this work, we proposed a bulk radiative cooler consisting of a 1-mm-thick lithium fluoride crystal coated with silver backing, which exhibits a solar absorptance of 4.7% and nearly ideal infrared selectivity with high emission exactly within the atmospheric transmission band (i.e., 8-13 um). Excellent daytime cooling performance was demonstrated in an outdoor test with stagnation temperature below the ambient temperature by 5 K under solar irradiance above 900 W/m2 and a net cooling power of about 60 W/m2 when the cooler is in thermal equilibrium with the ambient. As a bulk material with the highest ultraviolet-visible-near infrared transmittance, lithium fluoride crystal has been widely employed as the optical windows and mirrors in various applications. The proposed simple selective infrared emitter based on lithium fluoride would open up an innovative way to radiatively cool optical systems.

研究の動機と目的

• バルク材料を用いたシンプルでスケーラブルかつ効率的な放射冷却ソリューションの開発。
• 大気窓（8–13 μm）内で高い赤外選択性を達成するとともに、太陽放射吸収を最小限に抑えること。
• 高い太陽放射条件下における実際の日中の条件下で、周囲温度未満の冷却性能を実証すること。
• リチウムフルオライドの高い紫外線・可視光・近赤外線透過率を、光学的用途に活用すること。

提案手法

• 太陽スペクトルにおける高い透明性と大気窓領域での高い赤外放射率を有するため、1 mm厚のリチウムフルオライド（LiF）結晶を主な光学材料として採用。
• 赤外放射の強化と指向性放射を実現するための反射面を提供する目的で、銀バック層を堆積。
• 太陽放射吸収率が4.7%で、8–13 μm範囲でほぼ1に近い放射率を達成する構造の設計。
• 屋外試験において、周囲温度と熱的平衡状態に達するようシステムの最適化。
• 太陽放射が900 W/m²を超える条件下での屋外試験を実施し、実環境下での性能を検証。
• 自然環境下での性能評価のため、停止温度とネット冷却出力を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク材料を用いた構造は、効果的な日中の放射冷却を実現するための高い赤外選択性と低い太陽放射吸収を達成できるか？
• RQ2 高い太陽放射条件下で、シンプルでスケーラブルかつ安定したバルク放射体が達成可能な最大のネット冷却出力は何か？
• RQ3 LiF-銀システムは、日中の運転中に周囲温度未満の温度を維持できるか？
• RQ4 実環境条件下で、LiFベースの放射体は他の選択的放射体と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ5 LiFの紫外線・可視光・近赤外線領域における高い透過率を活用して、光学系における放射冷却を実現できるか？

主な発見

• LiF-銀構造は、不要な太陽放射加熱を最小限に抑えるために、太陽放射吸収率が4.7%に抑えられた。
• システムは、大気透過窓（8–13 μm）内に正確に高い放射率を示す、ほぼ理想に近い赤外選択性を示した。
• 太陽放射が900 W/m²を超える条件下で、冷却器は周囲空気温度より5 K低い停止温度に達した。
• 冷却器が周囲環境と熱的平衡状態にあるとき、ネット冷却出力は約60 W/m²に達した。
• 屋外試験により、実際の日中の条件下で安定的かつ効果的な周囲温度未満の冷却性能が確認された。
• バルクLiF-銀システムは、被動冷却を要する光学系への統合の可能性を示した。