研究人员开发了在恶劣环境下提供冷却的设备

麻省理工学院的研究人员发明了一种在炎热的晴天提供冷却的新方法，使用廉价的材料，不需要化石燃料发电。这种被动系统可以作为其他冷却系统的补充，在炎热、离网的地方保存食物和药物，本质上是一种高科技版的遮阳伞。

该系统允许在中红外范围内发射热量，这些热量可以直接穿过大气层，辐射到寒冷的外层空间，直接穿过像温室一样的气体。为了防止在阳光直射下加热，悬挂在设备上方的一小条金属阻挡了太阳的直射光线。

麻省理工学院的研究科学家Bikram Bhatia、研究生Arny Leroy、机械工程教授兼系主任Evelyn Wang、物理学教授Marin solja iki和其他六人在一篇论文中描述了这个新系统。

研究人员说，理论上，他们设计的系统可以在波士顿这样的地方提供比环境温度低20°C(36°F)的冷却。到目前为止，在他们最初的概念验证测试中，他们已经实现了6°C(约11°F)的冷却。对于需要更多冷却的应用，其余的可以通过传统的制冷系统或热电冷却来实现。

研究人员说，其他研究小组已经尝试设计出以中红外波长光的形式辐射热量的被动冷却系统，但这些系统都是基于复杂的工程光子器件，制造成本高昂，而且不易广泛使用。这些设备很复杂，因为它们被设计成几乎完美地反射太阳光的所有波长，而在大多数情况下，只发射中红外范围的辐射。这种选择性反射率和发射率的结合需要多层材料，其中层的厚度被控制在纳米精度。

事实证明，类似的选择性可以通过简单地用一条窄条挡住直射的阳光来实现，该窄条以合适的角度放置，覆盖太阳穿过天空的路径，不需要设备主动跟踪。然后，一个简单的装置，由廉价的塑料薄膜、抛光铝、白色油漆和绝缘材料组合而成，可以通过中红外辐射释放必要的热量，这是大多数自然物体冷却的方式，同时防止装置被阳光直射加热。

事实上，简单的辐射冷却系统自古以来就被用来实现夜间冷却;问题是，这样的系统在白天不起作用，因为阳光的加热效果至少比可达到的最大冷却效果强10倍。

但是，太阳的加热射线是直线传播的，很容易被阻挡——就像我们在炎热的日子里踏入树荫下的经历一样。通过在设备上放一把伞来遮蔽它，并在设备周围加上绝缘材料来保护它免受周围空气温度的影响，研究人员使被动冷却变得更加可行。

巴蒂亚说:“我们在麻省理工学院的屋顶上搭建了设备，并进行了户外实验。”“它是用非常简单的材料完成的”，并清楚地显示了该系统的有效性。

“这看起来很简单，”王说。“由于有一个单独的遮阳板和一个大气发射器——这两个独立的组件相对成本较低——该系统不需要有选择地发射和吸收的特殊能力。”当我们继续向天空发射携带热量的波长时，我们正在使用角度选择性来阻挡直射的太阳。”

这个项目“启发我们重新思考‘阴影’的用法，”该论文的合著者、研究人员沈一晨(音译)说。“过去，人们只考虑用它来减少供暖。但现在，我们知道，如果巧妙地使用阴影和一些支持性的光过滤，它实际上可以用来冷却物体，”他说。

Leroy说，该系统的一个限制因素是大气中的湿度，这可能会阻止一些通过空气的红外发射。在波士顿这样靠近海洋且相对潮湿的地方，这限制了可以实现的冷却总量，将其限制在20摄氏度左右。但他指出，在干燥的环境中，如美国西南部或世界各地的许多沙漠或干旱环境，可实现的最大降温幅度实际上可能要大得多，可能高达40°C(72°F)。

旨在用于实际应用的研究

虽然大多数关于辐射冷却的研究都集中在可能用于冷却整个房间或建筑物的大型系统上，但这种方法更局限于局部，王说:“这将对制冷应用有用，例如食品储存或疫苗。”事实上，保护疫苗和其他药物在炎热的热带条件下不变质一直是一项重大的持续挑战，这项技术可以很好地解决这一问题。

王说，即使该系统不足以将温度降低到所需的水平，“它至少可以减少电气制冷系统的负荷”，以提供最后一点冷却。

该系统也可能对某些类型的聚光光伏系统有用，在聚光光伏系统中，镜子被用来将阳光聚焦在太阳能电池上，以提高其效率。但这样的系统很容易过热，通常需要流体和泵的主动热管理。相反，这种浓缩系统的背面可以安装被动冷却系统中使用的中红外发射面，并且可以在没有任何主动干预的情况下控制加热。

在他们继续改进系统的过程中，最大的挑战是找到改善设备绝缘的方法，以防止它从周围空气中加热过多，同时不阻碍其散热的能力。Leroy说:“主要的挑战是找到红外透明的绝缘材料。”

麻省理工学院(MIT)

www.mit.edu

- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源效率的故事。

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