[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种基于化学制备多孔阳极氧化铝（AAO）膜的低成本、可扩展的白天被动辐射冷却器。通过利用有效介质理论优化多孔结构，实现大气窗口波段的高红外发射率和低太阳吸收率，该AAO膜在直接阳光照射下（AM1.5）实现了64 W/m²的冷却功率密度，并在实验中实现比环境温度低2.6 °C的降温效果，夜间性能变化极小。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于大规模部署的低成本、可扩展的辐射冷却材料。
• 解决在大气窗口波段同时实现高太阳反射率和高热发射率的挑战。
• 展示一种在真实阳光条件下白天和夜间均能有效工作的被动冷却解决方案。
• 通过测量热学和光学性能，验证多孔AAO结构的理论设计。

提出的方法

• 通过两步阳极氧化工艺制备多孔阳极氧化铝（AAO）膜，以实现对孔结构形貌的精确控制。
• 应用有效介质理论（EMT）对空气掺杂的多孔AAO结构的光学性能进行建模与优化。
• 设计AAO结构，以在8–13 μm大气窗口波段最大化发射率，同时最小化太阳吸收。
• 在直接阳光照射（AM1.5）和环境条件下，对光学响应和热性能进行实验表征。
• 测量白天和夜间条件下相对于环境空气的温度降低值。
• 将理论发射率预测结果与实验数据进行对比，以验证基于EMT的设计方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过工程设计使多孔AAO膜在大气窗口波段表现出高热发射率和低太阳吸收率，从而实现高效的白天辐射冷却？
• RQ2 有效介质理论能否准确预测空气掺杂多孔AAO结构的光学响应？
• RQ3 所制备的AAO膜在真实阳光条件下的实际冷却性能如何？
• RQ4 冷却性能在昼夜循环中是否稳定？
• RQ5 该AAO基方法是否可实现低成本、大规模生产，适用于节能应用？

主要发现

• 在直接阳光照射下（AM1.5）和75%的环境湿度条件下，所制备的多孔AAO膜实测冷却功率密度达到64 W/m²。
• 在白天直接阳光照射下运行时，样品实现了比环境空气温度低2.6 °C的降温效果。
• 实验测得的发射率与基于有效介质理论的理论预测高度吻合，验证了设计模型的可靠性。
• 夜间冷却性能保持稳定且有效，表明其具有持续的辐射冷却行为。
• AAO基方法在大规模、低成本生产被动辐射冷却器方面展现出强劲潜力，适用于实际节能应用。