[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种以银背衬的块体氟化锂（LiF）晶体作为选择性红外发射器，用于实现白天亚环境辐射冷却。该结构在太阳辐照度超过900 W/m²时，实现了4.7%的太阳吸收率和大气窗口（8–13 μm）内接近单位的发射率，从而获得约60 W/m²的净冷却功率，并使停滞温度比环境温度低5 K。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于块体材料的简单、可扩展且高效的辐射冷却解决方案。
• 在大气窗口（8–13 μm）内实现高红外选择性，同时最小化太阳吸收。
• 在高太阳辐照度的真实白天条件下，展示亚环境冷却性能。
• 利用氟化锂在紫外-可见-近红外波段的高透光性，拓展其在光学应用中的潜力。

提出的方法

• 选用1 mm厚的氟化锂（LiF）晶体作为主要光学材料，因其在太阳光谱中具有高透明度，并在大气窗口内具有高红外发射率。
• 沉积银背层以增强红外发射，并提供反射面以实现定向发射。
• 设计结构以实现4.7%的太阳吸收率和8–13 μm波段内接近单位的发射率。
• 优化系统以在户外测试中实现与环境温度的热平衡。
• 在太阳辐照度>900 W/m²的户外条件下进行测试，以验证实际性能。
• 测量停滞温度和净冷却功率，以评估在自然条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于块体材料的结构能否实现高红外选择性并最小化太阳吸收，从而实现高效的白天辐射冷却？
• RQ2 在高太阳辐照度下，一种简单、可扩展且稳定的块体发射器所能实现的最大净冷却功率是多少？
• RQ3 LiF-银系统能否在白天运行期间保持低于环境温度？
• RQ4 LiF基发射器在真实世界条件下的性能与其他选择性发射器相比如何？
• RQ5 能否利用LiF在紫外-可见-近红外波段的高透光性，实现光学系统中的辐射冷却？

主要发现

• LiF-银结构实现了4.7%的太阳吸收率，有效抑制了不必要的太阳加热。
• 该系统表现出近乎理想的红外选择性，在大气透射窗口（8–13 μm）内具有高发射率。
• 在太阳辐照度超过900 W/m²的条件下，冷却器的停滞温度比环境空气温度低5 K。
• 当冷却器与环境温度达到热平衡时，净冷却功率达到约60 W/m²。
• 户外测试证实了其在真实日光条件下的稳定且高效的亚环境冷却性能。
• 块体LiF-银系统在需要被动冷却的光学系统中具有良好的集成潜力。