[实用新型]一种基于相变材料的辐射制冷薄膜

说明书

本实用新型公开了一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，包括：由下而上依次设置的金属反射层、谐振腔、VO₂相变材料层和对太阳波段的能量进行反射的光子晶体层。本实用新型使用了相变材料作辐射降温薄膜，该结构基于相变材料的特性，在不需要任何外部能量的情况下，根据环境温度变化改变自身温度。当环境温度较低时，使得薄膜温度低于相变材料的相变温度，此时关闭中红外波段热辐射，可以达到保温或者升温的状态。当环境温度较高时，使得薄膜温度高于相变材料的相变温度，此时打开中红外波段的热辐射功能，达到降温的状态。

技术领域

本实用新型涉及一种基于相变材料的辐射制冷薄膜，属于辐射制冷技术领域。

背景技术

近年来，随着工业化不断发展，人们在享受工业进步带来便利的同时，也在承受着能源消耗和环境污染带来的生存压力。早在20世纪初，可持续能源的政策已经相继出台，它们一方面引导节能减排，另一方面大力提倡绿色能源开发。2010年，中国更是在绿色能源领域投资511亿美元，是目前世界上投资最多的国家。在太阳电池、生物制氢和风力发电等众多绿色能源利用技术中，辐射降温作为一种通过热辐射开采深空冷能的技术也在近年被日益关注。辐射制冷原理和获取太阳能的方法相反，其主要是通过反射太阳波段(0.3–2.5μm)能量、同时提高大气窗口波段(主要波段在8–13μm)的发射率，将热量通过大气窗口发射到深空，从而实现即便在太阳照射下也依然能将温度降低到环境温度以下。

辐射降温的原理主要是通过公式：

P_net(T)＝P_rad(T)-P_sun-P_atm(T_amb)-P_conv-P_con

P_rad(T)＝A∫dΩcosθ∫dλI_BB(λ,T)ε(λ,θ)

P_sun＝Asinθ_sun∫dλI_AM1.5(λ)α(λ,θ)

P_atm＝A∫dΩcosθ∫dλI_BB(λ,T)ε_atm(λ,θ)

P_conv+P_con＝h_c(T_amb-T_thermo)h_c＝6.9W/(m²·K)

P_rad主要和黑体辐射和普朗克定律相关，根据黑体辐射和普朗克定律，任何绝对零度以上的物体都有不断对外辐射能量的特性。物体各个波长的辐射强度只与问题本身的温度相关。

P_sun为吸收AM1.5的能量，AM1.5指的是太阳入射到地球的天顶角为48.2°时地球接受太阳辐射能量的值。由于太阳辐射能量巨大，所以必须要尽量规避掉这部分的能量。

P_atm为大气窗口的发射率，也是主要的制冷效果的由来。外太空是一个巨大冷源，温度约为3K，接近于绝对零度，是一个非常好的冷冻室，而对于地球上的物体而言，热辐射的电磁波需要穿过厚厚的大气层才能达到外太空，而大气窗口的名字也由此产生，在3-5μm，8-14μm，17-25μm，这些波段的透过率较高，将这些波段称作大气窗口。其中8-14μm透过率最高，而且对应于一般环境温度(25摄氏度)黑体辐射峰值位置，与地球上大部分物体的能量辐射波段相对应，这也给了地面上的物体将热量传输到外太空的可能。

P_conv+P_con为热传导和热对流对物体造成的影响。物体温度和环境温度以及周围物体温度不同，都会对物体产生影响。Hc为传导系数。