多响应太阳-红外辐射自适应动态调控器件及其调控方法

本发明主要涉及太阳-红外辐射动态调控，尤其是一种多响应太阳-红外辐射自适应动态调控器件及其调控方法。

背景技术：

1、能源是现代社会必不可少的资源，用于驱动经济发展、满足人们生活需求和推动科技创新。然而，随着全球人口的增长、城市化进程的加快以及工业化的不断推进，全球能源消耗呈现出持续增长的趋势。全球能源消耗的增长也引发了对可再生能源的需求和开发。可再生能源，如太阳能、风能和水能，具有环保、可持续和分散化的特点，被广泛认为是解决能源消耗问题的关键。然而，尽管可再生能源的发展取得了一定的进展，但其在全球能源消耗中的比重仍然相对较小，面临着技术、经济和政策等方面的挑战。在当前全球面临能源危机、全球变暖以及新能源发展受阻的背景下，零能耗加热/被动制冷技术作为重要领域备受关注。

2、随着人们对所处环境温度舒适要求的提高，空调加热/制冷的需求在不断增长。据统计，全球每年大概有50％的能量用于主动制冷或加热。为了减少这部分的能耗，相关学者提出了用于加热的太阳能热吸收器和用于制冷的被动红外辐射制冷涂层，太阳能热吸收器是通过高太阳辐射(0.3μm～2.5μm)吸收、高红外反射实现的高太阳能-热转换效率进行加热升温，被动辐射冷却器是通过高大气窗口(8μm～14μm)的红外发射向外太空(3k)辐射制冷。二者都不需要额外的能量，在一定程度上减少了主动加热/制冷所带来的能量消耗。

3、经调查发现，全球大部分人口集中在温带区域，如中国、美国、法国等。该区域夏热冬冷、四季分明的气候特征就需在夏季对室内环境制冷、在冬季对室内环境加热保温。而在实际应用中，如被动红外辐射制冷薄膜在夏季能有效通过反射太阳光并经大气窗口向外太空辐射散热制冷，减少制冷消耗的能量。但在冬季由于该涂层不能动态切换，仍处于制冷状态，使加热耗能急剧增加。因此，可动态调控的辐射制冷器件的研发成为全方位减少能量的消耗，实现夏天制冷、冬天加热，匹配全季节气候特性进行动态切换的关键。

4、当前现有红外热辐射动态调控器件的工作核心原理主要为基于电致变色材料、相变材料、热致变色材料及超材料结构等改变器件热辐射特性的器件，而这些器件存在以下不足：

5、1)动态调控器件需额外能耗进行状态切换；

6、2)无法实现连续动态调节加热/制冷功率；

7、3)材料和加工制作成本高。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种多响应太阳-红外辐射自适应动态调控器件及其调控方法，可在建筑物和物体表面温度管理等领域发挥重要作用。

2、本发明的技术方案如下：

3、所述自适应动态调控器件包括被动辐射冷却基底以及布置于被动辐射冷却基底上表面的多响应类活页驱动器阵列；所述的多响应类活页驱动器阵列包括多个阵列排布在同一被动辐射冷却基底的上表面的多响应类活页驱动器，各个多响应类活页驱动器的顶面均与环境大气接触，各个多响应类活页驱动器的底面均覆盖于同一被动辐射冷却基底的上方，各个多响应类活页驱动器底面的至少一部分分别粘接固定于所述被动辐射冷却基底的上表面的一处。

4、各个多响应类活页驱动器均具有固定部和活动部，多响应类活页驱动器在与被动辐射冷却基底固定连接的位置为固定部，各个多响应类活页驱动器10之间无重叠区域，所述的固定部使多响应类活页驱动器与被动辐射冷却基底相连，还为多响应类活页驱动器提供支撑，使多响应类活页驱动器在有风环境中保持稳定，多响应类活页驱动器在未与被动辐射冷却基底连接的部分为活动部，在温度升高时，所述的活动部能向远离被动辐射冷却基底并靠近固定部的方向蜷曲。

5、所述的各个多响应类活页驱动器的中间处，即中轴线所在的矩形区域为固定部，在多响应类活页驱动器左右延伸的剩余区域为活动部。多响应类活页驱动器两侧的活动部能向远离被动辐射冷却基底并靠近固定部的方向蜷曲。

6、具体地，所述的固定部还可以包括各个多响应类活页驱动器的一端、各个多响应类活页驱动器的中心中的一种。

7、具体地，所述的固定方式为胶带胶水粘连、磁吸连接、互锁连接、键连接和夹具连接中的一种。所述固定方式优选为胶带胶水粘连。

8、具体地，所述排布方式为均匀排布、不均匀排布、紧密排布、间隔排布、横向排布、纵向排布中的一种。所述排布方式优选为紧密排布。

9、具体地，所述多响应类活页驱动器可以制成不同形状尺寸，包括但不限于矩形、圆形、三角形及其他不规则图形。所述多响应类活页驱动器的形状优选为矩形。

10、具体地，所述多响应类活页驱动器可蜷曲的角度范围为0°～360°。所述的蜷曲角为在与胶带固定区域中心线垂直的平面中，多响应类活页驱动器构成的圆弧的圆心角。

11、具体地，蜷曲方式与固定的位置有关，包括但不限于两端向中间蜷曲、左侧向右侧蜷曲、前侧向后侧蜷曲、右侧向左侧蜷曲、后侧向前侧蜷曲及四周向中间蜷曲。

12、具体地，所述的多响应类活页驱动器阵列的平铺表面积不超过被动辐射冷却基底的面积。

13、所述的各个多响应类活页驱动器均包括可膨胀辐射冷却响应层以及沉积在可膨胀辐射冷却响应层上表面的多参数感应层；可膨胀辐射冷却响应层底面的中间处与所述被动辐射冷却基底的上表面的一处粘接固定，多参数感应层的顶面与环境大气接触。

14、所述的多参数感应层是通过大面积、低成本的溶液法沉积于可膨胀辐射冷却响应层上表面的；所述的沉积方法为旋涂、喷涂、刮涂、抽滤和刷涂中的一种。

15、所述的多参数感应层的厚度为0.05μm～16μm。

16、所述的可膨胀辐射冷却响应层的厚度为10μm～1000μm。

17、所述的多参数感应层是通过在选择性太阳能热吸收结构中掺杂性能调制材料后得到的；所述选择性太阳能热吸收结构为本征太阳能吸收材料，本征太阳能吸收材料为mxenes-ti3c2tx、mxenes-nb2ctx、mxenes-ti2ctx和mxenes-v2ctx中的一种；所述性能调制材料为纤维素纳米纤维cnf、氢氧化铝凝胶、硅凝胶、纳米硅酸盐和纳米氧化铝中的一种；所述的性能调制材料的掺杂浓度为20％～70％。

18、所述可膨胀辐射冷却响应层为多孔尼龙膜、尼龙纤维膜、多孔聚乙烯醇膜、聚乙烯醇纤维膜、多孔聚乙烯膜、聚乙烯纤维膜、多孔氟化聚合物膜、氟化聚合物纤维膜、聚二甲基硅氧烷、多孔聚苯胺膜和多孔聚对苯二甲酸酯膜中的一种。

19、具体地，所述可膨胀辐射冷却响应层的孔径为0.05～1微米。

20、所述的被动辐射冷却基底为本征辐射制冷材料、颗粒分散复合材料、多孔辐射制冷材料中的一种，具有高太阳能反射、高红外发射等特征。

21、其中，所述本征辐射制冷材料为聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚甲基戊烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯、sio2、al2o3、sioxny中的一种。所述颗粒分散复合材料将高折射率颗粒材料掺杂至聚合物膜中获得的；所述高折射率颗粒材料为tio2、caco3、al2o3、zro2、baso4中的一种，所述聚合物膜为聚氟乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚偏氟乙烯膜和聚甲基戊烯膜中的一种；所述多孔辐射制冷膜为多孔聚醚砜膜、多孔聚偏氟乙烯膜、多孔聚苯乙烯膜中的一种。

22、所述被动辐射冷却基底的厚度为200μm～1000mm。

23、所述的多响应太阳-红外辐射自适应动态调控器件的调控方法具体为

24、所述器件具有初始状态和工作状态；

25、初始状态下，布置于被动辐射冷却基底顶面上的各个多响应类活页驱动器均呈平直状态平铺布置于被动辐射冷却基底的顶面，可膨胀辐射冷却响应层均与被动辐射冷却基底直接接触，多参数感应层均与环境大气直接接触；

26、工作状态下，器件中各个多响应类活页驱动器响应环境大气中的温度变化、太阳辐照度和湿度变化，进而自适应调节自身蜷曲或展开的形态实现对器件的加热功率和制冷功率的同时调控，使得被控目标的温度稳定在一个适宜的范围内；器件的加热功率具体为多参数感应层的加热功率；器件的制冷功率为可膨胀辐射冷却响应层、被动辐射冷却基底的制冷功率之和。

27、器件自适应调控器件的加热功率和制冷功率过程具体为：

28、当多响应类活页驱动器受环境大气响应而蜷曲时，多参数感应层与太阳辐射的有效接触面积减小，器件的加热功率降低；同时可膨胀辐射冷却响应层与大气的有效接触面积、被动辐射冷却基底与环境大气的有效接触面积均增大，可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底向环境大气辐射散热，器件的辐射制冷功率增加；

29、当多响应类活页驱动器受环境大气响应而展开时，多参数感应层与太阳辐射的有效接触面积增大，器件的加热功率增加；同时可膨胀辐射冷却响应层与大气的有效接触面积、被动辐射冷却基底与环境大气的有效接触面积均减小，可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底向环境大气辐射散热的功率降低，器件的辐射制冷功率降低。

30、其中，所述的温度变化/太阳辐照度的响应具体为：

31、当环境大气的温度/太阳辐照度升高时，由于可膨胀辐射冷却响应层的热膨胀系数大于多参数感应层，可膨胀辐射冷却响应层受热膨胀，上层的多参数感应层吸收的水分也会随之蒸发使得多参数感应层收缩，进而产生机械拉伸应力带动多响应类活页驱动器的活动部向远离被动辐射冷却基底并靠近固定部的方向蜷曲，蜷曲后多参数感应层接收太阳辐射的有效面积减小，器件的加热功率降低；可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底的散热面积增大，器件的制冷功率增大；

32、当环境大气的温度/太阳辐照度降低时，多响应类活页驱动器下层的可膨胀辐射冷却响应层的膨胀程度减小，带动多响应类活页驱动器展开，展开后多参数感应层接收太阳辐射的有效面积增大，器件的加热功率增加；可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底的散热面积减小，器件的制冷功率降低。

33、其中，所述湿度变化的响应具体为：

34、当环境中的湿度降低时，各个多响应类活页驱动器上层的多参数感应层收缩，下层可膨胀辐射冷却响应层没有变化，在上层压应力作用下，带动多响应类活页驱动器的活动部向远离被动辐射冷却基底并靠近固定部的方向蜷曲，蜷曲后多参数感应层接收太阳辐射的有效面积减小，器件的加热功率降低；可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底的散热面积增大，器件的制冷功率增加；

35、当环境中的湿度升高时，各个多响应类活页驱动器上层的多参数感应层膨胀，带动多响应类活页驱动器展开，展开后多参数感应层接收太阳辐射的有效面积增大，器件的加热功率增加；可膨胀辐射冷却响应层与被动辐射冷却基底的散热面积减小，器件的制冷功率降低。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、(1)可连续动态切换状态及加热/制冷功率。与以往单模态太阳能吸收器/被动辐射冷却器相比，本发明提供的多响应太阳/红外辐射动态调控器件可以响应环境大气中温度、太阳辐照度及湿度的变化，动态调整多响应类活页驱动器的蜷曲程度从而调节整体的加热/制冷功率。此外，本多响应类活页驱动器蜷曲角度范围在0°～360°，可以使整体加热/制冷功率在一定范围能连续稳定调节。

38、(2)环境友好、使用范围广。与现有的电致动态调节等装置相比，本发明提供的装置无需提供额外加热/制冷状态切换能量，做到低碳环保并扩大了使用场景和范围。

39、(3)增加环境的湿度响应并优化了器件的性能。本发明在多参数感应层中掺杂了高韧性、高吸水性的性能调制材料。不仅使本发明装置能够响应环境大气湿度的变化，还进一步增强了装置的韧性、机械性能和杨氏模量能够在长期弯曲状态切换后依旧保持良好的性能。此外，通过掺杂性能调制材料，在太阳辐照度增加、大气温度上升时，多参数感应层吸收的水分也会随之蒸发使得多参数感应层收缩，使多响应类活页驱动器蜷曲时受到的阻力减少，整体切换更加连贯。最后，还在一定程度上提升了多参数感应层的太阳能吸收、红外反射能力。

40、(4)成本低廉、制作简单。本发明提供的多响应太阳/红外辐射动态调控器件制备工艺简单、成本低，可以制成各种不同形状的多响应类活页驱动器以满足不同的环境场景和使用需求。