研究进展
甘巧强团队Light | 辐射制冷提升架空电缆输电能力
近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）甘巧强教授团队提出一种面向架空电缆的高导热辐射制冷（high-thermal-conductivity radiative cooling, HTCRC）涂层，通过协同调控太阳反射、红外辐射和热传导，实现对架空电缆的被动降温，并进一步提升其输电能力。相关成果以“Photonic thermal management of overhead cables via high-thermal-conductivity radiative cooling”为题发表于《Light: Science & Applications》。
- 本站发布
- 2026年10月8日
- 作者
- chipheat
转自 LightScienceApplications
撰稿 | 课题组撰稿
随着城市化、电气化以及数据中心和人工智能快速发展，全球电力需求持续增长。与此同时，气候变暖和极端高温使架空输电线路面临日益严峻的热管理挑战。强烈太阳辐射与导线内部焦耳热共同作用，会使电缆温度升高，进而增加输电损耗和弧垂，并限制其安全载流能力。近日，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）甘巧强教授团队提出一种面向架空电缆的高导热辐射制冷（high-thermal-conductivity radiative cooling, HTCRC）涂层，通过协同调控太阳反射、红外辐射和热传导，实现对架空电缆的被动降温，并进一步提升其输电能力。相关成果以“Photonic thermal management of overhead cables via high-thermal-conductivity radiative cooling”为题发表于《Light: Science & Applications》。
研究背景
架空输电导线的载流能力受到最高允许工作温度的直接限制。电流通过导线时产生焦耳热，而太阳辐射又会进一步增加导线的热负荷。在炎热地区，较高的环境温度还会削弱导线与周围空气之间的散热能力，使导线更容易接近其热安全极限。过高的运行温度不仅会增加电阻和输电损耗，还会加剧导线热膨胀和弧垂，影响输电线路的长期安全运行。
辐射制冷材料可以通过反射太阳辐射并向外释放红外热辐射，实现无需额外能量输入的被动降温，近年来已在建筑、纺织等领域受到广泛关注。然而，架空电缆与传统辐射制冷对象存在本质区别：电缆在输电过程中会持续从内部产生焦耳热。因此，仅具有高太阳反射率和高红外发射率并不足以实现有效热管理，还需要材料具备较高的热导率，将导线内部产生的热量快速输运至表面并释放到环境中。如何同时实现太阳热抑制、红外辐射散热和内部热量高效传导，是辐射制冷技术应用于架空输电线路的关键问题。
研究亮点
针对上述问题，研究团队提出了高导热辐射制冷（HTCRC）电缆涂层。如图1所示，该策略可以直接应用于现有架空电缆表面。在强太阳辐射条件下，传统裸导线和绝缘导线容易发生明显升温，导致弧垂增大和载流能力下降；HTCRC涂层则通过增强电缆表面的被动热管理，使导线保持更低的运行温度，从而有望在不改变主体输电结构的情况下提高输电能力。
HTCRC涂层的核心在于同时实现三种互补的热管理功能：首先，高太阳反射率可以减少太阳辐射带来的外部热输入；其次，高红外发射率可以促进电缆通过热辐射向周围环境散热；此外，较高的热导率能够将导线内部产生的焦耳热快速传递至外表面。研究团队采用六方氮化硼（h-BN）颗粒与聚二甲基硅氧烷（PDMS）构建复合涂层，使光学散射、红外辐射和热传导功能集成于同一材料体系中。
图1：HTCRC涂层用于架空电缆热管理的概念示意图。(a)强太阳辐射环境下的典型架空输电线路；(b) HTCRC涂层的应用概念。与传统电缆相比，采用HTCRC涂层后可降低电缆温度和热致弧垂，并提高其载流能力。
为验证该策略的实际降温性能，研究团队进一步在沙特阿拉伯夏季强太阳辐射环境下开展了户外测试。如图2所示，研究人员将裸ACSR导线、商业绝缘导线和HTCRC涂层ACSR导线同时悬挂于户外。连续测试表明，HTCRC涂层导线在白天始终保持最低温度。在正午强太阳辐射条件下，其温度相较裸导线降低约5 ℃，相较传统绝缘导线降低约15 ℃，表明了该涂层对太阳热负荷的有效抑制能力。
在此基础上，研究团队进一步利用标准架空线路热平衡模型评估降温对实际输电能力的影响。模拟结果表明，降低导线温度能够直接转化为更高的安全载流能力。以利雅得为例，HTCRC 涂层导线全年白天的载流能力平均可提高约10%，在夏季最炎热月份，相较传统绝缘导线的提升幅度最高可达到18.3%。这表明，通过对现有电缆表面进行被动热管理，可以在无需主动制冷设备的情况下进一步挖掘现有输电基础设施的输电潜力。
图2：HTCRC涂层的设计原理、材料性能及户外电缆降温与输电能力提升。(a) HTCRC涂层设计原理示意图，通过太阳反射、中红外辐射以及高效热传导共同抑制太阳加热并释放导线内部产生的焦耳热；(b) 商业裸导线涂覆HTCRC前后的实物图；(c) 不同h-BN含量下HTCRC涂层的热导率；(d) 裸导线、绝缘导线和HTCRC涂层导线的户外测试；(e) 三种导线在自然太阳辐射下的温度变化，HTCRC涂层导线在白天保持最低温度；(f) 基于导线温度降低和标准载流量模型计算得到的利雅得全年各月份输电能力提升。
总结与展望
本研究将辐射制冷从建筑、纺织等传统应用进一步拓展至具有内部热源的架空输电基础设施，并提出通过高太阳反射、高红外发射和高热导率协同调控解决电缆热管理问题。户外实验验证了HTCRC涂层在强太阳辐射条件下的被动降温能力，进一步的输电热模型表明，这种温度降低能够转化为实际载流能力的提升。该策略无需额外能量输入，也不依赖风扇、泵等主动制冷设备，并具有应用于现有输电线路的潜力。随着全球电力需求持续增长以及极端高温天气日益频繁，通过材料和光子热管理技术降低架空导线运行温度，有望成为提升现有电网输电能力、降低热风险并增强电力基础设施气候韧性的新途径。
论文信息
Xu, K., Cao, PF., El-Demellawi, J.K. et al. Photonic thermal management of overhead cables via high-thermal-conductivity radiative cooling. Light Sci Appl 15, 385 (2026).