设备可以为离网位置提供制冷

麻省理工学院的研究人员设计了一种新的方法，在炎热的晴天提供冷却，使用廉价的材料，不需要化石燃料产生的能量。无源系统可以用来补充其他冷却系统，以保存在炎热的离网位置的食物和药物，基本上是一种高科技版的遮阳伞。

该系统允许在中红外光范围内发射热量，这些光可以直接通过大气层并辐射到外层空间的冷空气中，直接穿过像温室一样的气体。为防止在阳光直射下加热，悬挂在设备上方的一小块金属挡住了太阳的直射光线。

新系统将于本周在自然通讯杂志上发表，研究科学家Bikram Bhatia，研究生Arny Leroy，机械工程教授，系主任Evelyn Wang，物理学教授Marin Soljacic和麻省理工学院的其他六位研究人员在论文中描述了这一新系统。

研究人员说，从理论上讲，他们设计的系统可以在像波士顿这样的位置提供比环境温度低20摄氏度(36华氏度)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。

其他团体已经尝试设计以中红外波长光的形式辐射热量的被动冷却系统，但这些系统基于复杂的工程光子器件，制造成本高昂且不易于广泛使用，研究人员说。这些设备非常复杂，因为它们的设计几乎可以完美地反射所有波长的太阳光，并且大部分只能发射中红外范围内的辐射。选择性反射率和发射率的组合需要多层材料，其中层的厚度被控制为纳米精度。

但事实证明，类似的选择性可以通过简单地阻挡直射阳光来实现，其中窄条以恰好的角度放置以覆盖太阳穿过天空的路径，不需要设备的主动跟踪。然后，由廉价塑料薄膜，抛光铝，白色涂料和绝缘材料组合而成的简单装置可以通过中红外辐射进行必要的热量散发，这是大多数自然物体冷却的方式，同时防止装置受到影响。被阳光直射加热。实际上，自古以来就使用简单的辐射冷却系统来实现夜间冷却; 问题是这样的系统在白天不起作用，因为太阳光的加热效果比最大可达到的冷却效果强至少10倍。

但是太阳的加热射线以直线传播并且容易被阻挡 - 例如，我们在炎热的天气中踩到树的阴影中。通过在设备上方放置一把伞来遮挡设备，并在设备周围添加绝缘材料以保护设备免受环境空气温度的影响，研究人员使被动冷却更加可行。

“我们在麻省理工学院的屋顶上建立了设置并进行了户外实验，”Bhatia说。“这是使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。

“这有点看似简单，”王说。“通过为大气提供单独的阴影和发射器 - 两个可以相对低成本的独立组件 - 系统不需要特殊的能力来选择性地发射和吸收。我们使用角度选择性来允许阻塞直射太阳，因为我们继续向天空发射载热波长。“

该项目“激发了我们重新思考'阴影'的使用，”该研究的附属机构和该论文的共同作者Yichen Shen说。“过去，人们只是在考虑使用它来减少加热。但现在，我们知道阴影是否巧妙地与一些支持性光过滤一起使用，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，它可以阻挡一些通过空气发射的红外线。在像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总冷却量，将其限制在大约20摄氏度。但是在干燥的环境中，例如美国西南部或世界上许多沙漠或干旱的环境，他指出，最大可实现的冷却实际上要大得多，可能高达40摄氏度(72华氏度)。

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较大系统上，但这种方法更加局部化，Wang说：“这对于制冷应用很有用，例如食品储存或疫苗。” 事实上，保护疫苗和其他药物免受热，热带条件的腐败一直是一项持续的挑战，这项技术可以很好地解决。

Wang说，即使系统不足以将温度降至所需的水平，“它至少可以降低电气制冷系统的负荷”，提供最后的冷却能力。

该系统也可用于某些类型的聚光光伏系统，其中镜子用于将太阳光聚焦在太阳能电池上以提高其效率。但是这样的系统很容易过热，并且通常需要使用流体和泵进行主动热管理。相反，这种聚光系统的背面可以配备在被动冷却系统中使用的中红外发射表面，并且可以在没有任何主动干预的情况下控制加热。

当他们继续致力于改进系统时，最大的挑战是找到改善设备绝缘性的方法，以防止设备过度加热，同时不会阻挡其散热能力。“主要的挑战是找到红外透明的绝缘材料，”Leroy说。

该团队已申请该发明的专利，并希望它能够迅速开始寻找真实世界的应用程序。