[논문 리뷰] Daytime passive radiative cooler using porous alumina

Yang Fu, Yang Jiang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 28.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 화학적으로 제조된 다공성 안티에이드 알루미늄 산화물(AAO) 막을 기반으로 한 저비용이며 확장 가능한 주간 수동 복사 냉각재를 제시한다. 효과적 매질 이론(EMT)을 활용해 다공구조를 최적화하여 대기 창문 영역에서 고적외선 방출율과 저태양복사 흡수율을 달성함으로써, AAO 막은 직사광선(AM1.5) 조건에서 냉각 출력 밀도 64 W/m²를 기록하고 실험적으로 주변 온도보다 2.6 °C 낮은 온도로 냉각되며, 야간에도 성능 변화가 최소한이 된다.

ABSTRACT

We report a daytime passive radiative cooler using chemically fabricated porous anodic aluminum oxide (AAO) membranes. Effective medium theory (EMT) has been applied to analyzing the optical properties of the air-doped porous medium. The composite structure is specifically optimized so that it has a high absorbance (emittance) in the far-infrared atmospheric window and nearly no loss in the solar spectrum. The calculated emittance is well reproduced in the experiment by our AAO sample. The fabricated porous membrane shows a potential cooling power density of 64 W/m2 at ambient (humidity = 75%) under direct sunlight irradiance (AM1.5). Experimentally, the sample is cooled by a 2.6C temperature reduction below the ambient air temperature in the sunlight. This performance shows little variance at night. The AAO approach proposed here may provide a promising way to produce low-cost and efficient radiative cooler in large scales for feasible energy conservation.

연구 동기 및 목표

• 대규모 배치에 적합한 저비용이며 확장 가능한 복사 냉각 재료를 개발하기 위해.
• 대기 창문 영역에서 높은 태양 반사율과 높은 열방출율을 동시에 확보하는 데 도전하기 위해.
• 실제 직사광선 조건에서 낮과 밤 모두에 효과적으로 작동하는 수동 냉각 솔루션을 제시하기 위해.
• 다공성 AAO 구조의 이론적 설계를 다공성 AAO의 열적 및 광학적 특성 측정을 통해 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 제어된 다공구조를 갖는 다공성 안티에이드 알루미늄 산화물(AAO) 막을 이중 단계 산화 공정을 통해 제조하기 위해.
• 공기 도핑된 다공성 AAO 구조의 광학적 특성을 모델링하고 최적화하기 위해 효과적 매질 이론(EMT)을 적용하기 위해.
• 8–13 μm 대기 창문 영역에서 방출율을 극대화하면서 태양 복사 흡수를 최소화하도록 AAO 구조를 설계하기 위해.
• 직사광선(AM1.5) 및 주변 조건에서의 광학적 반응과 열성능을 실험적으로 특성화하기 위해.
• 낮과 밤 조건에서 주변 공기 온도 대비 온도 저하를 측정하기 위해.
• 이론적 방출율 예측값과 실험 결과를 비교하여 EMT 기반 설계 접근법의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다공성 AAO 막을 설계하여 대기 창문 영역에서 고열방출율과 저태양복사 흡수율을 확보할 수 있는가?
• RQ2 효과적 매질 이론은 공기 도핑된 다공성 AAO 구조의 광학적 반응을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 실제 직사광선 조건에서 제조된 AAO 막의 실제 냉각 성능은 어떠한가?
• RQ4 낮과 밤 주기 동안 냉각 성능은 얼마나 안정적인가?
• RQ5 이 AAO 기반 접근법은 에너지 절약 응용 분야에서 저비용으로 대규모로 확장 가능한가?

주요 결과

• 제조된 다공성 AAO 막은 직사광선(AM1.5) 및 습도 75% 조건에서 측정된 냉각 출력 밀도가 64 W/m²를 기록하였다.
• 샘플은 직사광선 조건에서 주간 운용 중 주변 공기 온도보다 2.6 °C 낮은 온도로 냉각되었다.
• 실험적 방출율은 효과적 매질 이론 기반 이론적 예측값과 밀도 높게 일치하여 설계 모델의 타당성이 검증되었다.
• 야간 동안에도 냉각 성능이 안정적이고 효과적으로 유지되어 일관된 복사 냉각 거동을 보였다.
• AAO 기반 접근법은 실용적인 에너지 절약 응용 분야를 위한 저비용 대규모 수동 복사 냉각재 생산에 강력한 잠재력을 보였다.