[論文レビュー] Daytime passive radiative cooler using porous alumina

Yang Fu, Yang Jiang+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、化学的に作製された多孔質酸化アルミニウム酸化物（AAO）膜を用いた低コストでスケーラブルな日中の被動放射冷却器を提案する。有効媒体理論（EMT）を用いて多孔質構造を最適化し、大気窓域での高い赤外放射率と低い太陽放射吸収率を達成することで、AAO膜は直達日光（AM1.5）下で64 W/m²の冷却出力密度を達成し、実験的に周囲温度より2.6 °C低い温度に冷却される。夜間においても性能変動が最小限に抑えられ、安定した冷却性能を示す。

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.

研究の動機と目的

• 大規模な展開に適した低コストでスケーラブルな放射冷却材料の開発を目的とする。
• 大気窓域における高い太陽反射率と高い熱放射率を同時に達成するという課題に対処することを目的とする。
• 実際の直達日光条件下で、日中および夜間の両方において効果的に機能する被動冷却ソリューションを示すこと。
• 理論的設計である多孔質AAO構造の妥当性を、熱的および光学的特性の実験的測定によって検証すること。

提案手法

• 制御された穴の形態を実現するため、二段階陽極酸化プロセスを用いて多孔質酸化アルミニウム酸化物（AAO）膜を製造する。
• 有効媒体理論（EMT）を応用し、空気を含む多孔質AAO構造の光学的特性をモデル化・最適化する。
• 大気窓域（8–13 μm）における放射率を最大化するとともに、太陽放射吸収を最小限に抑えるようにAAO構造を設計する。
• 直達日光（AM1.5）および周囲環境下での光学的応答および熱的性能を実験的に特徴づける。
• 日中および夜間の両方の条件下で、周囲空気温度に対する温度低下を測定する。
• 理論的放射率予測と実験結果を比較し、EMTに基づく設計手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多孔質AAO膜は、大気窓域で高い熱放射率と低い太陽放射吸収率を示すように設計可能か？
• RQ2 有効媒体理論（EMT）は、空気を含む多孔質AAO構造の光学的応答をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 実際の直達日光条件下で、製造されたAAO膜の冷却性能は実際にどの程度か？
• RQ4 日中と夜間のサイクルを通じて、冷却性能はどの程度安定しているか？
• RQ5 このAAOベースのアプローチは、エネルギー節約応用分野における低コストで大規模な展開が可能か？

主な発見

• 実験的に作製された多孔質AAO膜は、直達日光（AM1.5）および相対湿度75％の環境下で、測定された冷却出力密度が64 W/m²に達した。
• 日中における直達日光下での運転条件下で、サンプルは周囲空気温度より2.6 °C低い温度に冷却された。
• 実験的放射率は、有効媒体理論（EMT）に基づく理論的予測とよく一致しており、設計モデルの妥当性が裏付けられた。
• 冷却性能は夜間においても安定的かつ効果的であり、一貫した放射冷却挙動を示した。
• AAOベースのアプローチは、実用的なエネルギー節約応用に向けた低コストで大規模な生産が可能な被動放射冷却器の開発において、強く有望な可能性を示している。