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辐射制冷使无能耗散热成为可能 新材料助力户外设备热管理

2021年11月30日 17:04:45来源:仪器网作者:吴吴吴

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  【仪器网 材料化工】 进入新世纪,各类小型中型大型机器设备365天一刻不停地运转,社会经济得到了前所未有的发展,而在生产高效的背后则是“善后”技术的低效,机器设备产生的热量在大气中“自由”地进行着热传递,进一步加剧了温室效应。
 
  说起“热传递”,“热辐射”作为热传递的三种方式之一,近年来受到了越来越多的关注,“辐射制冷” 是一种被动冷却技术,凭借着可在无任何能耗的情况下降热量散发到太空而成为热门研究课题。
 
  外太空是地球的理想热沉 能够接收来自地球的热量
 
  根据经典热辐射理论,一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体都会以电磁波的形式向外发射能量。热辐射可以将热能以光速穿过真空,从一个物体传到另一个物体,太阳传递给地球的热能就是以热辐射经过宇宙而来的,所以将地球热量通过热辐射“发射”到外太空是理论上可行的。
 
  太阳的温度一般被认为是6000K(开尔文,温度单位),地球的温度是230K到300K,而外太空的温度为3K(-270℃,接近绝对零度),是一个持续稳定的低温端。外太空是地球的理想热沉,通过辐射制冷,地球上的物体可实现与外太空直接换热。
 
  其实辐射制冷也普遍存在于大自然中,露珠的形成就是自然的辐射制冷的结果。夜晚近地空气因长波辐射冷却到露点以下,其中所含的水汽在地面或近地物体上结成露珠,然而辐射制冷现象一般只在夜晚出现,这也就是为什么露珠出现的时间总在傍晚和清晨。
 
  此前,已有科学家在夜间辐射制冷发电方面有了较大的突破,范铃羚团队利用辐射制冷研制出热电发生系统,转换效率为5%-8%,能够实现每平米超过 2W 乃至 3W 左右的功率密度,相比于此前背报道的相同原理的研究,其结果高出两个数量级,足以为一些 LED 照明器件、模块化传感器等持续供电。
 
  近日,上海交通大学电气材料与绝缘研究中心教授黄兴溢与该校密西根学院教授鲍华基于辐射制冷技术,开发出一种具有高导热率的辐射制冷绝缘材料。据了解该材料的阳光反射率高达98%,能够打破时间限制实现全天辐射制冷,材料具备的高导热特性可用于户外机械设备的高效热管理,能够有效降低机械设备的温度。
 
  与传统制冷技术相比 高导热率的辐射制冷绝缘材料的优势
 
  传统的制冷技术是以蒸汽压缩制冷技术为主,工作气体主要有氨、二氧化碳和氟利昂等轻烃卤代物,气体制冷剂泄露造成的臭氧破坏、强温室气体直接排放使地球温度进一步升高,同时又加剧了制冷需求,如此形成一种恶性循环。
 
  与传统制冷技术相比,辐射制冷技术运用了自身材料的热辐射特性,本身不需要任何能量输入,是一种无耗能、无污染的理想制冷技术。且黄兴溢团队研发的辐射制冷绝缘材料可实现全天辐射制冷,因此这一技术有望取代或补充传统制冷技术。
 
  设施、装备在工作时自身的热量是制冷技术研发和应用中绕不开的“大山”,研究人员设计的一种基于填充有聚合物基体的二维六方氮化硼(h-BN)介电纳米板的可扩展光子膜,将独特的2D形状与高折射率相结合,具有超高的后向光散射效率,使光子膜与传统基体相比同时具有高太阳反射率(98%)和低热阻,散热能力更强。
 
  据介绍,该材料制备工艺简单,无需开发新的工业化设备,可在原有设备的实现大规模生产,目前该团队已制备出数米长的材料。在应用方面,该材料除了可用于冷链物流、会展中心等传统制冷场景,还可用于变压器、5G基站等户外电力设施的热管理,甚至航天器的热控薄膜也在其应用范围之内。
 
  作为一项绿色技术,制冷辐射不需要消耗能源,也不会排放温室气体造成环境负担,对我国的生态文明建设具有重要意义。黄兴溢团队设计、制备出的高导热率的辐射制冷绝缘材料,打破了传统辐射制冷材料阳光反射率和导热率的制约,进一步拓展了辐射制冷材料的应用场景,为进一步推动辐射制冷技术在户外电力设备、电子器件中的热管理应用做出了开创性贡献。
 
  后记:在后续应用场景的拓展上,材料的美学问题或许会被辐射制冷材料的研究团队提上日程,让材料在上色后具有纯白色材料一样的制冷效果,是辐射制冷材料产业化开发的需要解决的问题。
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