近日，機械與動力工程學院王如竹教授領銜的ITEWA多學科交叉創(chuàng)新團隊在Energy & Environmental Science上發(fā)表了題為Radiative Sky Cooling Thermal Concentration with Cooling Power Exceeding One kW Per Square Meter的論文，提出輻射制冷熱集中策略，實現(xiàn)制冷功率超過千瓦每平米。論文第一作者是制冷與低溫工程研究所博士后Primo? Poredoš，通訊作者是王如竹教授。
全球變暖和人類對制冷需求的持續(xù)增加使得人們更加關注可持續(xù)制冷，尤其是利用宇宙環(huán)境本身實現(xiàn)制冷。與傳統(tǒng)主動制冷系統(tǒng)消耗能源不同，被動天空輻射制冷通過對特定波長透明的大氣窗口將地球輻射表面的紅外熱釋放到外層空間，實現(xiàn)了無需任何電力輸入的制冷。然而，這些輻射材料的冷卻功率密度比地球接受太陽輻射的功率低一個數(shù)量級，約為~100 W/m²水平。僅通過改善其光譜性能已經(jīng)很難達到更高的冷卻功率密度，迫切需要進一步的研究實現(xiàn)制冷功率密度的成倍顯著提升。
作為一種可持續(xù)的制冷技術(shù)，天空輻射制冷技術(shù)可以用于建筑冷卻等多種戶外應用。目前這項技術(shù)迫切需要突破制冷功率密度的限制，以實現(xiàn)在實際場景中的推廣與應用，如空氣冷凝取水、電子器件散熱。現(xiàn)有文獻主要提出了輻射制冷功效放大或輻射制冷光學聚焦相關的想法。然而，這些改進的效果相對較小，且缺乏對此類方法在實際情況中應用的可行性評估，其潛力受到限制。
為此，作者提出了一種可擴展的AsymSkyCool方法，利用熱源與輻射制冷表面顯著的面積差，將較小面積熱源產(chǎn)生的集中熱量通過高導熱材料傳導到具有輻射制冷功能的基板上，最終輻射散熱到外太空中。這種不對稱設計的輻射制冷集中器，利用熱傳導-熱輻射的兩步傳熱過程，實現(xiàn)了原本低輻射冷卻功率的集中，可以在太陽輻照度500 W/m²的白天實現(xiàn)接近1000 W/m²的冷卻功率，而在晚上實現(xiàn)的輻射功率超過2000 W/m²。該研究成果比現(xiàn)有已報道的輻射制冷集中策略所獲制冷功率提高了近十倍，為大功率電子器件冷卻、輻射制冷空氣取水、熱管理等能源密集型應用提供了新的可行思路，在可持續(xù)低碳應用領域具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/span>
作者進一步研究了該概念在低于環(huán)境溫度和超過環(huán)境溫度下的散熱性能。對有無輻射制冷材料進行了對比研究發(fā)現(xiàn)，有輻射制冷材料的高導熱基板的散熱功率與溫度下降顯著優(yōu)于僅保留金屬基板的性能，兩者表面溫度差可高達25°C（低于環(huán)境溫度下），而在超過環(huán)境溫度進行散熱時，溫度差可高達22°C。同時，作者還對氣候和地理特征的影響進行了廣泛探究。八月至十二月期間，在斯洛文尼亞盧布爾雅那、中國上海和昆明三個地點進行了66個實驗，驗證了該概念在寬環(huán)境溫度和相對濕度條件下良好的輻射冷卻性能。此外，為了展示tcRC的實用性，研究還對LED燈的冷卻進行了為期一周的概念驗證實驗，使用了具有高熱流密度約為8000 W m-2的LED照明燈，與采用散熱器和風扇組合的主動冷卻方式相比，tcRC這種純被動冷卻方式能使LED燈的溫度在夜間降低10°C以上，比主動散熱策略更有優(yōu)勢。同時對LED燈進行三個連續(xù)的ON-OFF循環(huán)，從LED燈的溫度響應表明，所提出的tcRC概念非常適用于電子器件間歇式運行發(fā)熱冷卻場景。
作者所提出的對輻射制冷能量進行熱聚焦的創(chuàng)新方法，將促進能源、水、食物、建筑等多領域的互聯(lián)研究，涵蓋基礎物理學和應用物理學領域，包括在熱力工程領域的實際應用。此外， AsymSkyCool方法和tcRC概念可應用于建筑領域，以創(chuàng)建建筑一體化解決方案。
王如竹教授領銜的ITEWA多學科交叉創(chuàng)新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術(shù)，旨在通過學科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。近年來在Science、Joule、Energy & Environmental Science等國際期刊上發(fā)表系列跨學科交叉論文。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee03214k
學院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號上海交通大學閔行校區(qū)機械與動力工程學院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn