ACHM：面向高效太阳能利用技术的辐射冷却：机理、方法与应用

论文信息：Fangzhou Zhao, Ding Wang, Haotuo Liu, Xiaohu Wu , Haoqiang Ai,Radiative cooling for high-efficiency solar energy utilization technologies: mechanisms, methods, and applications,Advanced Composites and Hybrid Materials (2026).

论文链接：http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

一、研究背景与意义

全球经济持续发展推动能源需求逐年上涨，2024 年全球总能耗已达 592 EJ，化石能源储量有限且伴随污染排放问题，太阳能作为储量充沛、分布广泛、零碳排放的可再生能源，成为缓解能源供需矛盾、推进 “双碳” 目标的核心路径。现阶段主流太阳能利用方式包含光伏发电、光伏光热一体化（PV/T）、纯光热（PT）三大体系，均依托光伏效应与光热效应实现光能向电、热能的转化，但设备工作温升带来的性能衰减是制约太阳能利用效率的共性瓶颈：晶硅光伏组件温度每升高 1 ℃，发电效率降低约 0.45%，10 ℃温升会直接翻倍电池老化速率，同时昼夜、气象变化造成的间歇性输出进一步压缩系统综合收益。传统风冷、水冷、热管等散热方案均需要配套动力设备与额外电能输入，会增加系统能耗、硬件成本与维护难度，难以适配大规模分布式太阳能装置。辐射冷却是一种零能耗被动散热技术，依托 8–13 μm 大气红外透明窗口，可将物体自身热量以长波红外辐射形式直接传递至 3 K 低温外太空，无需冷媒与驱动设备，将其与各类太阳能装备结合，能够无源抑制设备热积累、提升能量转换效率，还可拓展系统夜间制冷、持续供能能力。除此之外，辐射冷却材料具备跨领域适配潜力，可延伸至建筑温控、农业抗热胁迫、人体可穿戴热管理、航天器热防护等场景，而当前学界缺少完整、体系化综述梳理辐射冷却与太阳能耦合的底层机理、器件构型与落地应用。

二、研究内容

本文作为系统性综述，整体研究框架由图 1 环形全景图完整呈现，图谱以辐射冷却耦合太阳能技术为核心，向外划分光电系统、光伏光热系统、纯光热系统三大能源转化赛道，同时拓展建筑节能、作物热胁迫缓解、个人热管理、航天器热防护四大交叉应用方向，清晰勾勒全文 “基础理论 — 太阳能多体系耦合 — 跨行业拓展” 的完整叙事脉络。

图 1辐射冷却在太阳能利用技术中的集成方案及其跨学科应用

图 2辐射冷却器表面热平衡示意图

文章从辐射冷却基础物理机制切入，第二章节依托图 2 阐释辐射冷却器完整热平衡逻辑，太阳光以 6000 K 高温辐射持续向冷却器件输入能量，大气环境会向下发射红外辐射形成热增益，器件自身通过 8–13 μm 大气窗口向 3 K 深空释放净辐射热，同时对流、传导带来非辐射寄生热损耗，论文基于该能量收支关系推导净制冷功率完整计算公式，分步给出器件自身辐射、大气吸收辐射、太阳能吸收、非辐射热损失四项分量的光谱积分方程，量化环境温度、材料光谱发射率、太阳入射角、换热系数等参数对制冷性能的影响，确立理想辐射冷却材料必须同时满足太阳波段高透射 / 高反射、大气窗口高红外发射两大核心设计标准，为后文所有器件结构设计提供理论依据。

图 3多层薄膜结构辐射冷却器：(a) 光伏组件光谱特性；(b) 立式太阳能电池所用多层热发射体工作原理与结构示意图；(c) 多层热发射体光谱特性；(d) 辐射冷却薄膜扫描电镜图；(e) 该薄膜光谱透射特性（左）与发射特性（右）；(f) 带反射膜的辐射冷却薄膜与光伏组件结构示意图

图 4随机织构结构辐射冷却器：(a) 改性聚二甲基硅氧烷薄膜实物及扫描电镜图像；(b) 该薄膜光谱特性；(c) 阳极氧化铝薄膜实物与扫描电镜图；(d) 辐射冷却材料工作原理示意图；(e) 纳米聚丙烯腈纤维扫描电镜图

图 5颗粒嵌入式结构辐射冷却器：(a) 辐射冷却超材料结构与工作原理图；(b) 该超材料光谱特性；(c) 户外温度实测装置；(d) 辐射冷却减反膜光谱曲线；(e) 大面积制备成品；(f) 二氧化硅纳米球复合薄膜结构及自清洁原理示意图

图 6周期光子结构辐射冷却器：(a) 六角阵列结构示意图；(c) 光栅截面扫描电镜图；(d) 光栅织构聚二甲基硅氧烷光子结构示意图；(e) 有无冷却薄膜的太阳能电池发射光谱对比；(f) 多种凹型微纳结构模型；(g) 各类微纳结构发射率与透光率光谱

第三章节聚焦辐射冷却在太阳能光电系统中的适配方案，细分晶硅太阳能电池、热光伏（TPV）、热电发电机（TEG）三类核心器件，针对光伏电池高温衰减痛点，将现有光伏适配辐射冷却结构分为四大类并配套对应表征图像。图 3 展示多层薄膜结构冷却层，依靠不同折射率介质交替堆叠产生相干干涉，精准调控目标波段光谱响应，六层 TiO₂/SiC/Ag 复合薄膜可在 0.38–1.1 μm 光伏可见光区间维持 0.7 高透过率，8–14 μm 大气窗口平均发射率超 0.89，户外测试可降低光伏组件 1.79 ℃；图 4 为随机织构结构，通过无序微纳凹凸、多孔纤维产生米氏散射实现宽光谱调控，倒金字塔 PDMS 薄膜户外可实现 17 ℃以上电池降温，多孔 AAO 薄膜在高湿气候下仍能稳定实现 7.5 K 温降，制备工艺简单、适合大面积涂布生产；图 5 展示颗粒嵌入复合薄膜，将 SiO₂、气凝胶等介质颗粒均匀分散于 PDMS 透明基体，兼顾可见光高透射与中红外高发射，部分 SiO₂复合涂层可同步实现减反、冷却、自清洁三重功能，户外光伏功率提升近 4%；图 6 为周期光子结构，依托光栅、六角孔洞等周期性微纳共振结构实现接近理论极限的光谱选择性，优化后的 SiO₂光栅最高可实现 21 ℃光伏降温，但光刻、真空刻蚀制备流程复杂、成本偏高，文中通过多维对比表格厘清四类结构在光谱精度、制备难度、成本、户外耐久性、可量产性上的优劣，明确多层膜与周期光子结构适配高精度高端光伏，随机织构、颗粒复合膜适配平价工商业分布式光伏。除晶硅电池外，图 7 展示辐射冷却辅助热光伏系统架构，将辐射冷却层布置于热光伏电池背面增大散热面积，近场 NTPV-RC 系统相较传统方案功率密度提升 109.3%，有效缓解高温选择性发射器带来的电池过热问题；针对热电发电设备，核心思路是借助辐射冷却降低 TEG 冷端温度、拉大冷热两端温差，图 8、图 9 呈现多元化耦合构型，既可搭配聚光结构提升热端温度，也可回收光伏余热、人体体温、建筑储热作为低温热源，仿生甲虫微纳结构柔性辐射冷却薄膜适配可穿戴热电装备，器件拉伸性能提升 35%，实现全天候微弱电能输出。

图 7辐射冷却器与热光伏系统集成：(a) 近场热光伏 - 辐射冷却系统各部件能量流向示意图；(b) 搭载室外辐射冷却光子晶体发射体的热光伏系统示意图；(c) 普通钠钙玻璃与光子晶体玻璃发射光谱对比；(d) 热光伏 - 被动辐射冷却系统结构示意图；(e) 被动辐射冷却器光谱发射 / 吸收曲线

图 8利用辐射冷却扩大温差的热电发电系统：(a) 双菱形辐射冷却器结构示意图；(b) 该冷却器太阳波段反射光谱（左）与大气窗口发射光谱（右）；(c) 辐射冷却辅助热电系统结构图；(d) 结合温室效应的辐射冷却热电装置；(e) 聚光 - 辐射冷却热电系统实物；(f) 太阳能选择性吸收器与辐射冷却发射体复合发电装置结构与能量流动；(g) 太阳能选择性吸收层、被动辐射冷却涂层光谱表征；(h) 聚光式辐射冷却热电系统示意图；(i) 开路电压仿真与实测对比曲线

图 9不同热源驱动热电发电系统：(a) 光伏 - 热管 - 热电 - 辐射冷却混合系统构型；(b) 光伏 - 相变材料 - 热电系统昼夜工作原理；(c) 仿生辐射冷却结构示意图；(d) 各类薄膜太阳波段吸收率与中红外发射谱对比；(e) 建筑余热驱动平面热电发电机结构图

图 10传统工质光伏光热 - 辐射冷却集热器：(a) 两类光伏光热系统结构示意图；(b) 玻璃盖板与聚二甲基硅氧烷盖板中红外发射光谱；(c) 光伏光热系统昼夜工作原理图；(d) 光伏 - 光热 - 辐射冷却集热器结构；(e) 光伏 - 光热 - 辐射冷却实验样机；(f) 光伏光热 - 辐射冷却系统冷暖模式工作原理

图 11新型工质光伏光热 - 辐射冷却系统：(a) 光伏光热太阳能制冷系统制冷回路；(b) 辊压式光伏光热热泵实验设备；(c) 混合散热光伏光热热泵工作原理与测点分布；(d) 光伏光热相变通风空调系统原理图；(e) 系统日间、夜间运行机制；(f) 新型天花板通风系统剖面示意图

第四章节围绕辐射冷却耦合光伏光热（PV/T）一体化系统展开分析，该类系统能够同步产出电能、热能、冷能，高度匹配建筑全年冷暖供电需求，论文按照换热介质分为传统介质与新型介质两大分支。图 10 展示空气、水两种传统介质集热器，空气流道平板 PV/T 装置夜间可实现 50 W/m² 制冷功率，双水路双通道 PV/T-RC 系统四季电池降温区间为 13.4–17.6 ℃，全年综合能源效率提升 13.2%，夜间水路储存冷量可在次日持续降低光伏工作温度；图 10 (f) 为屋顶分模块冷暖切换构型，屋顶向阳面布置 PV/T 集热模块用于冬季供暖，背侧铺设辐射冷却模块用于夏季供冷，香港实地测试可实现室内 7.2 ℃降温、2.7 ℃升温。为解决传统介质储能能力弱、供需时间错配的短板，文章引入热泵、相变材料作为新型换热介质，图 11 展示各类复合系统，将 PV/T 集热器作为热泵冷凝器，夜间依托长波红外辐射向天空释放冷凝热，制冷季热泵平均性能系数提升 12.4%；搭配双层相变通风天花板结构，白天储存光伏余热、夜间释放辐射冷量，实现建筑被动全天候温控，弥补空气、水介质无法长期储存冷热能量的缺陷，文中汇总多组长期实测数据，量化不同工况下系统发电、制热、制冷产出，直观体现新型介质系统在削峰填谷、持续供能上的优势。

图 12模式切换型光热 - 辐射冷却系统：(a) 可旋转光热辐射冷却集热器剖面与实物图；(b) 光热吸收面与辐射冷却面光谱特性；(c) 动态热调控薄膜结构与换热示意图；(d) 双功能冷暖材料剖面；(e) 被动辐射冷却表层与被动太阳能吸热表层示意图；(f) 混合热源热泵系统原理图

图 13光谱自适应型光热 - 辐射冷却系统：(a) 改造后兼具集热与辐射冷却功能的太阳能集热器；(b) 双层覆盖光热辐射冷却模块与常规光热模块样机对比；(c) 太阳能供热辐射冷却一体化空调系统流程图；(d) 光谱自适应吸收发射多层结构实物与剖面；(e) 高低温下材料吸收发射光谱；(f) 复合超表面冷暖自适应结构示意图

第五章节阐述辐射冷却与纯光热（PT）系统的融合设计，纯光热系统以热能为核心输出载体，论文按照调控逻辑分为机械模式切换型、光谱自适应型两类 PT-RC 系统。图 12 为可旋转双面模式切换集热器，集热器一面采用高太阳吸收涂层用于日间光热集热，另一面搭载高红外发射辐射冷却层用于夜间制冷，合肥户外全年试验可产出 15.2 MJ 热能与 2.5 MJ 冷能，各类 Janus 双层薄膜无需复杂管路，翻转薄膜正反面即可切换制热、制冷模式，单工况最大温差可达 13.3 ℃；图 13 展示无机械运动的光谱自适应系统，依托 VO₂热致变色薄膜、温敏高分子复合超表面实现自主光谱调控，当材料温度高于相变临界值时，金属相薄膜抑制红外散热以维持高温集热，温度低于临界值时转为绝缘相，大幅提升大气窗口发射率实现被动制冷，复合谐振超表面可在 25 ℃自动开启集热、35 ℃自主切换制冷，系统集成度更高，但温敏材料长期冷热循环后的稳定性仍存在明显短板。

图 14不同应用场景对应的光谱需求示意图

图 15建筑领域辐射冷却材料：(a) 小型样板房结构；(b) 自适应辐射冷却开关工作原理；(c) 自适应辐射冷却材料两种模式光谱曲线；(d) 温致自适应辐射冷却涂层结构；(e) 绝缘态与金属态涂层光谱特性；(f) 南京六种典型居民小区模型；(g) 城市建筑群布局仿真模型

图 16农业应用辐射冷却薄膜：(a) 辐射冷却地膜与普通农用膜光谱对比；(b) 不同覆盖地膜田间对照试验；(c) 各组作物生长对比图；(d) 可降解降温保湿薄膜原料；(e) 光合辐射冷却薄膜分层结构；(f) 聚合物多层膜反射光谱仿真与实测对比；(g) 透明辐射冷却薄膜光热平衡原理图；(h) 普通农膜与辐射冷却温室实景对比

图 17人体热管理辐射冷却织物：(a) 纳米改性丝绸织物实物与扫描电镜图；(b) 改性丝绸反射、发射光谱；(c) 分层超结构织物热平衡示意图；(d) 氧化锌纳米颗粒复合透光制冷织物结构；(e) 米级透光辐射冷却薄膜光谱特性；(f) 双面冷暖 Janus 织物两种工作模式；(g) Janus 织物吸热面、制冷面光谱曲线

图 18航天器辐射冷却应用：(a) 航天器太空换热原理图；(b) 静电纺聚酰亚胺辐射冷却薄膜结构；(c) 该薄膜与传统聚酰亚胺银膜光谱对比；(d) 不同厚度纳米纤维膜太阳波段反射率；(e) 300K 下不同厚度薄膜红外发射曲线；(f) 核壳纳米纤维薄膜热平衡示意图

第六章节拓展辐射冷却跨领域多元化应用，图 14 先统一划分不同应用场景的光谱设计标准，建筑围护、户外服饰、航天器外壳需要高太阳反射 + 高中红外发射特性，温室薄膜要求高光合波段透过、近红外阻隔，供暖面料则需要高太阳能吸收、抑制红外辐射损耗。建筑节能维度，图 15 从单体样板房、居民社区、整座城市三个尺度验证辐射冷却涂层节能效果，屋顶辐射涂层日间可降低表面 7.7 ℃、夜间降温 1.5 ℃，同步缓解城市热岛效应、减少建筑碳排放；农业作物热胁迫缓解维度，图 16 覆盖降温地膜、温室棚膜两类农用材料，可降解乙基纤维素地膜最高降低根区土壤 12.5 ℃，透明光合辐射冷却棚膜选择性透过 0.4–0.7 μm 作物光合波段、阻隔升温近红外，温室内部气温降低 18.6 ℃，蔬菜增产 17% 以上，同时减少 60% 土壤水分蒸发；个人热管理领域，图 17 分为发射型制冷织物、透射型薄膜与四季双功能 Janus 织物，纳米改性蚕丝、碳酸钙涂层棉织物日间可降低模拟皮肤 5–8 ℃，双面 Janus 织物一侧制冷、一侧集热，经过 30 次水洗后性能无明显衰减，兼顾穿戴舒适度与全年温控需求；航天器热防护场景中太空为真空环境，仅依靠辐射完成热量交换，图 18 静电纺聚酰亚胺纳米纤维薄膜太阳反射率达 99.6%、8–13 μm 发射率 0.93，相较传统 Kapton 薄膜可实现 28.3 ℃温降，BN 核壳纳米纤维膜还可用于极端环境宇航服热防护，同时具备阻燃特性。

三、研究总结与展望

本文系统梳理了辐射冷却与各类太阳能系统及跨领域应用的结合研究，该无源散热技术可解决光伏设备高温衰减、余热浪费难题，分别与光电、光伏光热、纯光热系统形成完整耦合方案，既能提升光伏、热光伏、热电设备发电效率，也可实现电、热、冷三联供，同时覆盖建筑、农业、可穿戴温控、航天热防护场景。各类冷却材料分层适配，低成本颗粒、无序薄膜适用于民用大面积场景，高精度多层与光子结构服务高端光伏、航天领域，应用前景广阔。 但技术落地存在四大短板：潮湿多云环境制冷效果大幅衰减，材料缺乏疏水抗凝露改性；高性能微纳结构制备成本高，简易涂层光谱调控能力不足；缺少统一耐久性测试标准，户外长期服役数据匮乏；单一冷却材料冬夏性能失衡，冬季会额外增加供暖能耗。 未来需开展材料 - 器件 - 系统一体化研发，研发耐候自适应新材料并适配低成本量产工艺；建立分气候区标准化评测体系，完善全生命周期经济评估；挖掘新型辐射机理，开发季节自适应动态温控结构；推进光伏涂层、农用降温膜、建筑围护、航天薄膜四类产品示范，推动该技术规模化低碳应用。