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材料發射率可以通過定制輻射熱交換來提高制冷和供暖系統的能源效率。然而，由于環境溫度不均勻，實際節能過程往往面臨著挑戰，例如建筑墻體在夏季同時面臨著寒冷的天空和炎熱的地面。因此，匹配不均勻的溫度需要角度性地選擇具有不同發射率的材料。

在此，美國斯坦福大學崔屹教授等人提出了一種用于定向熱發射控制的微楔形結構，其在定向發射率（0.9-0.1）方面顯示出較大的寬帶對比度，其中角發射范圍由微楔幾何形狀控制，并通過磁耦合進行調控。結果顯示，角度選擇性發射器為室外垂直表面（比各向同性發射器低2°C）提供更好的日間輻射冷卻，可節省10%~40%的冷卻能源，并實現高效的室內輻射供暖。利用熱輻射的方向特性為提高各種應用的能源效率提供了新的機會，例如空間供暖和制冷、余熱回收和太陽能熱發電。

相關文章以“Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating”為題發表在Joule上。

實際上，在今年8月，崔屹教授已經在PNAS上以“Colorful low-emissivity paints for space heating and cooling energy savings”為題報道了一種通用的彩色低輻射涂料，以形成由紅外（IR）反射底層和彩色紅外透明頂層組成的雙層涂層。豐富多彩的視覺外觀保證了與傳統涂料相媲美的美學效果，實現了高中紅外反射率（高達~80%），是相同顏色的傳統涂料的10倍以上，有效減少了來自外部環境的熱量增加和損失。這些涂料的優點是在節能和全年供暖和制冷的損失之間取得平衡，提供適應各種氣候帶的全年節能解決方案，可實現正向供暖、通風、空調節能。

研究背景

制冷和供暖占全球能源相關溫室氣體排放量的三分之一以上，其中熱交換的調節對于實現節能的冷卻和加熱至關重要，一種有效的策略是通過設計材料的光譜發射率來定制熱輻射。在建筑領域，低輻射玻璃降低了玻璃的導熱系數，最大限度地減少了對環境的熱量損失，并有助于全年保持室內舒適度。

低輻射涂料在應用于不透明的建筑表面時，會減少夏季來自太陽和周圍環境的熱量吸收，同時限制冬季的輻射熱損失。相反，高發射率材料能夠使熱量通過輻射有效地散發到環境中。其中，被動日間輻射冷卻已成為一種冷卻物體（包括建筑物）的策略，其在8-13μm的大氣透明窗口中應用具有高太陽反射率和高紅外發射率的材料。近年來，光譜發射率工程也出現在個人熱管理中，其中先進的紡織材料旨在傳輸或反射來自人體的熱輻射，以促進個人熱舒適。盡管當周圍環境處于均勻和穩定的溫度時，工程光譜發射率是有效的，但環境的溫度在很大程度上是不均勻的，并且在許多實際情況下可能會動態變化。

盡管熱發射率的光譜工程已通過熱光子方法廣泛實現，但定向工程的報道較少，并且對于熱發射來說尤其具有挑戰性，其后者是一種跨越廣泛波長范圍的寬帶現象。利用熱輻射方向實現加熱和冷卻的節能，進一步對發射率曲線提出了嚴格的要求。此外，高發射率方向通常需要相對于法向入射方向不對稱，以滿足實際要求（例如建筑墻壁的輻射冷卻），這表明對稱光柵或多層結構是不夠的。

圖文導讀

角度選擇性熱發射器的設計

基爾霍夫熱輻射定律表明，定向光譜發射率ε和吸收率α在給定的方向和波長下是相同的。因此，設計具有角度選擇性發射率的材料意味著僅在特定角度下找到具有強吸收的結構。在此，本文設計了在選定的角度范圍內促進吸收的微觀結構，其由周期性放置的由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的傾斜楔塊組成（圖1B），與室溫下的峰值熱輻射波長（約10μm）具有大致相同數量級。其中，PDMS在接近10μm時具有固有的高吸收率/發射率，約為0.9，而鋁在中紅外范圍內的發射率通常小于0.1，可以反射大部分紅外輻射。當入射輻射與楔形成一個角度時，大量的電磁能量進入楔形之間的空間，導致熱輻射的強烈吸收，從電磁場的局部增強可以看出。相反，如果入射輻射以面向鋁涂層表面的角度出現，則大部分輻射熱會被反射（圖1C）。因此，在一個方向而不是另一個方向的強吸收導致了一個與角度相關的熱發射率。

圖1. 角度選擇性熱發射器的概念

為了制造該結構，作者使用了一種基于計算機數控?（CNC）成型、鑄造和金屬沉積的可擴展方法（圖2A）。簡而言之，首先是使用正交切割創建蠟模，在蠟模表面形成一系列凹痕，其具有100μm左右的楔形腔，角度、深度和間距可以通過調整刀具的幾何形狀和加工路徑來控制。然后將兩部分硅膠倒入模具中，形成具有微楔形結構的PDMS薄膜。從模具上剝下來的薄膜柔軟且可拉伸，厚度約為150μm（圖2B），使其能夠適應不同的幾何形狀和形狀。PDMS薄膜的表面被進一步等離子體清洗，隨后用金屬鋁（150nm厚度）沉積。掃描電子顯微鏡顯示，楔形物有尖銳的末端，有利于捕獲熱輻射（圖2C）。

為了量化與角度相關的熱發射率，作者使用傅里葉變換紅外光譜儀來測量發射率光譜。結果顯示，本文的微觀結構設計實現了發射率的寬帶對比度，從一個方向的約0.9到另一個方向的約0.1。因此，紅外熱像儀下的樣品外觀從暖色（紅色）變為冷色（藍色）。實驗數據表明，當楔形頂面的傾斜角從約46°（樣品1）變為約68°（樣品4）時，高發射率被縮小到更小的角度范圍（圖2E）。

圖2. 角度選擇性熱發射器的制備與表征

定向輻射冷卻

圖3A顯示了用于比較具有不同發射率分布的材料的冷卻性能的室外設置，進一步進行了全天測試。在日出之前，由于輻射冷卻，對照組炭黑涂料和實驗組定向發射器都達到低于環境溫度的溫度，而鋁聚酯薄膜則保持在環境溫度附近。太陽升起后，地面溫度開始升高。當地面溫度高于環境溫度時，炭黑涂料會受到額外的加熱損失，并且與定向發射器相比，它們的溫度越來越高。中午前后，當地面溫度達到最高時，炭黑的溫度甚至高于聚酯薄膜鋁膜，這凸顯了由于地面熱輻射而產生的明顯加熱。在一天中，定向發射器達到所有樣品中最低的溫度，展示了定向發射率在冷卻節能方面的優勢。

圖3. 定向輻射冷卻

定向輻射加熱

由于高發射率的角范圍有限，角度選擇性發射器可以向需要加熱的目標發射熱輻射，同時最大限度地減少對其他不需要的方向的輻射，從而降低加熱能耗。為了證明定向發射器的這種能力，作者制造了一個環形發射器（圖4A）。為了可視化輻射分布，構建了一個裝置來捕獲熱輻射并將其轉化為溫度分布（圖4B）。圖4C和4D比較了從各向同性和定向發射器捕獲的紅外圖像。相比之下，對于定向發射器，由于楔形方向，只有當發射方向指向中心時，發射率才大。因此，大多數輻射熱通量朝向觀察到最大溫度升高的中心（圖4D）。原則上，楔形方向也可以是空間不均勻的，因此可以進一步優化輻射加熱范圍。

圖4. 定向輻射加熱和磁力轉向

綜上所述，本文提出的定向發射率工程為熱發射控制開辟了新的機會，其能夠調整輻射能量交換，以匹配和利用環境中不均勻的溫度，以實現節能的冷卻和加熱。同時，作者以有機硅彈性體為主要材料，使結構柔韌可拉伸，可適應各種幾何形狀。該概念還可以推廣到其他材料系統、各種結構，甚至與其他外部刺激的動態控制。作者相信，對熱輻射定向控制的進一步研究在實現從空間冷卻和加熱到余熱回收和太陽能熱發電等各種應用方面具有巨大的節能潛力。

文獻信息

Jiawei Zhou, Tony G. Chen, Yoichiro Tsurimaki, Amar Hajj-Ahmad, Lingling Fan, Yucan Peng,Rong Xu, Yecun Wu, Sid Assawaworrarit, Shanhui Fan, Mark R. Cutkosky, and Yi Cui*,?Angle-selective thermal emitter for directional radiative cooling and heating, Joule. (2023). https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.10.013

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