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本文通过热力学分析模型研究考虑大气辐射特性的动态光谱调控技术，开发出兼具太阳能高效吸收和宇宙辐射冷却功能的自适应材料SSA/E，在真空系统中实验验证其相比黑漆在加热温度（+150.0°C）和冷却温度（-17.1°C）上分别提升70°C和降低2.7°C，为离网发电和建筑冷热能供应提供新方案。
赵斌|敖先泽|李博文|孙文刚|邹崇文|裴刚
中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽230026
摘要
最近，人们开始深入研究从炽热的太阳和寒冷的宇宙中获取能量的基本原理，并引起了广泛关注。本文提出了一种热力学分析方法，该方法考虑了大气辐射特性和动态光谱调制对地表太阳能加热和辐射冷却的影响，表明可切换的太阳能加热和辐射冷却是一种高效地持续从太阳和宇宙中获取能量的替代方案。在真空系统中，通过比较自适应吸收/发射器（SSA/E）与黑色涂料的性能，验证了这种技术的可行性。实验结果显示，SSA/E能够将温度提升至比环境温度高150.0°C，同时降低至比环境温度低17.1°C，其性能优于黑色涂料（分别高出70°C和低2.7°C），尤其在清洁的热能和冷能收集方面表现更佳。这种可切换的地表太阳能加热和辐射冷却技术为多种应用提供了新的可能性，例如为偏远地区提供电力，以及为建筑物提供清洁的供暖/制冷服务。
引言
随着社会的发展，人们对供暖和制冷的需求不断增加，这导致了化石燃料的持续消耗，进而产生了大量的二氧化碳排放，不利于实现碳中和目标。因此，探索可再生能源以获取清洁的热能和冷能已成为当前最重要的研究课题之一。炽热的太阳（约6000 K）和寒冷的宇宙（约3 K）是地球最终的热源和热汇，可以被视为巨大的清洁热能和冷能资源。在太阳能收集领域，人们已经投入了大量努力，致力于开发高效的太阳能热转换技术[1]、[2]、[3]、[4]，这些技术依赖于先进的太阳能吸收器，包括黑体和选择性涂层。最近，利用宇宙作为热汇的辐射冷却技术受到了广泛关注，因为宇宙在热辐射方面类似于“黑洞”[5]、[6]、[7]、[8]。辐射冷却可以通过将地球的废热传递到寒冷的宇宙中来实现低于环境温度的冷却效果，主要依赖于大气窗口（即8-13 μm波段），这一技术有潜力应用于建筑节能[9]、个人热管理[10]和热电发电[11]。为了进一步提高辐射冷却的性能，人们提出了多种改进发射器（即散热器）的方法，例如光子结构[12]、[13]、[14]、高孔隙率薄膜[15]、[16]、超材料[17]、[18]、[19]、白色/彩色涂料[20]、[21]、[22]、[23]、陶瓷材料[24]、[25]以及冷却水泥[26]。
过去，人们主要致力于改善太阳能吸收器和辐射发射器的光谱特性。前者需要在太阳辐射波段（0.3-2.5 μm）内具有高吸收率，在中红外波段具有低发射率；而后者则需要高太阳反射率和热发射率。因此，这些材料和系统只能实现单一功能的加热或冷却。为了充分利用太阳和宇宙的能量，人们提出了一个有趣的概念，即同时实现高效的太阳能加热和辐射冷却[27]、[28]。Chen等人[27]提出了一种串联系统，通过顶部的红外透明半导体实现太阳能加热，同时依靠底部的辐射冷却实现低于环境温度的冷却。类似的研究还将选择性太阳能吸收器和辐射发射器结合在一个设备中，通过不同的位置实现日间加热和夜间冷却[29]。Hu等人[30]提出了一种基于可旋转吸收/发射器（即Janus表面）的双模式收集器。尽管上述系统可以实现太阳能加热和辐射冷却，但所使用材料的光谱是固定的，这会导致一些缺点。例如，空间解耦的系统需要两种独立的材料（太阳能吸收器和辐射发射器），而使用Janus材料的系统则需要额外的机械调整能量。基于以上分析，能够在被动刺激下改变光谱的材料是一个有前景的解决方案，有助于进一步提高从太阳和宇宙中获取能量的效率。最近，我们的团队提出了一种光谱自适应表面，在阳光下表现为选择性太阳能吸收器，在夜间则表现为选择性辐射发射器，从而实现高效的辐射冷却[28]。随后，还有更多相关研究报道[31]、[32]。由于可切换的太阳能加热和辐射冷却是可再生能源领域的一个新课题，许多研究已经展开，但大多数研究仅停留在概念验证阶段，包括上述具有机械控制和温度驱动的智能材料。目前，这种新型能量收集过程的热力学机制和分析仍不完善，因此迫切需要对能量收集系统进行进一步改进。
受上述研究空白的启发，我们进行了热力学分析，并基于自制的真空系统与接近黑体表面的性能进行了对比，以证明该策略的优越性。首先，我们建立了地表太阳能加热和辐射冷却过程的热力学模型，预测结果表明，选择性太阳能吸收器和选择性辐射发射器可以获得比黑体更高的输出功率，表明可切换的太阳能加热和辐射冷却是一种高效从太阳和宇宙中获取能量的新方法。此外，我们还基于自设计的真空装置（具有极低的非辐射热损失）进行了实验验证，结果表明，具有动态光谱控制的吸收/发射器可以实现比黑色涂料更高的太阳能加热温度和更低的辐射冷却温度。此外，我们还讨论了一些能量收集应用场景，包括热电发电和建筑能源供应，以拓展这种技术的潜在应用范围。
理论模型
黑体极限是太阳能系统热力学分析中最常用的指标之一[33]。黑体极限的最大效率可以通过在理想太阳能吸收器和环境之间提取卡诺循环的有效功来实现。类似于上述示意图，我们为地表太阳能加热和辐射冷却过程建立了热力学分析模型。图1展示了能量转换的热力学示意图。
材料制备
为了证明可切换太阳能加热和辐射冷却策略的性能优势，我们对具有可切换光谱的材料与接近黑体表面的材料进行了热性能比较。选择这种材料的原因是，它能够同时实现太阳能加热和辐射冷却。
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首先，使用了一种光谱自适应吸收/发射器（SSA/E）作为具有可切换光谱的材料。
结论
本研究基于对材料动态光谱调制和地表大气辐射特性的考虑，对太阳能加热和辐射冷却进行了热力学分析，揭示了可切换的太阳能加热和辐射冷却是一种高效从太阳和宇宙中获取能量的新方法。此外，我们还使用自适应吸收/发射器（SSA/E）进行了实验验证。
作者贡献声明
敖先泽：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究、实验设计。赵斌：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、资金申请、数据分析。孙文刚：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究。李博文：撰写 – 审稿与编辑、方法学研究。裴刚：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金申请、数据分析。邹崇文：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、数据分析
数据获取
本研究的数据可向相应作者提出合理请求后获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52476225、52130601）、安徽省自然科学基金（项目编号：2508085J029）以及中国科学技术大学的多能源互补与转换研究中心的支持。我们感谢该校微纳研究与制造中心在薄膜沉积方面的协助。
