照明占世界年电力消耗的约20%，LED街灯凭借其高光效、长寿命特性在全球道路照明改造中大范围的应用。然而，大功率LED芯片工作时约70-80%的电能会转化为热能，导致结温升高引发的光衰效应已成为制约其性能提升的主要瓶颈。传统散热方案常常要额外的制造步骤和材料，大幅度提升了LED的成本。为了更好的提高LED的散热效率，文中提出了一种具有成本效益的、精简的热管理解决方案。作者利用辐射冷却技术来增强LED的热管理，通过结合纳米多孔聚乙烯（nanoPE）膜，既可以在一定程度上完成光的高反射，又能有效传递热辐射，来提升LED街灯的冷却性能，同时避免影响其照明效果。相关工作以Sky cooling for LED streetlights为题发表在

　　本研究首先基于光谱匹配原理，设计具有天空辐射界面的LED灯具架构（图1）。开发了可扩展的nanoPE薄膜制备工艺，通过孔径调控实现可见光波段＞95%反射率与大气窗口波段0.92发射率（图2）。室内模拟实验验证了辐射冷却效能，在室温条件下实现7.8°C温降与5.1%光效提升（图3）。户外实证研究进一步证明该技术在晴朗夜空下可获得4.4°C有效降温，且光谱稳定性优于商用灯具（图4）。通过膜厚度优化研究，揭示了光污染防护与散热效率的平衡机制（图5）。最终通过极端温度测试和长达30天的环境暴露实验，证实nanoPE薄膜在紫外老化、灰尘积累等复杂工况下仍保持稳定的光热性能，其自清洁特性与耐久性指标满足户外长期应用需求（图6）。

　　图1.天空面对LED街灯架构设计。a.天空面对LED街灯的设计示意图。b.KAUST校园内使用的几种户外LED灯具。c.300K和350K黑体辐射的光谱辐照度以及黑体与大气之间的辐射热通量。紫域表示大气的辐射光谱，绿域表示350K黑体与300K黑体之间的辐射热通量，粉域表示300K黑体与冷空之间的辐射热通量。d.LED通过nanoPE膜与天空非间接接触时的冷却功率（冷却开启）与无天空接触时的冷却功率（冷却关闭）。插图：热传递网络，显示热透过封面材料的辐射和非辐射传递方式。

　　图2.NanoPE膜的制备与表征。a.使用热压法制造nanoPE膜的示意图。b-d.不同PE：油混合比例（1:3、1:5、1:7）的nanoPE膜孔径分布（插图为相应的扫描电镜图像和样品照片）。e-g.不同厚度和混合比例下的nanoPE膜的可见光反射率。h-j.不同厚度和混合比例下的nanoPE膜的中红外透过率。k.使用Mie散射理论计算的不同大小孔的可见光散射效率。l.使用Rayleigh散射理论计算的不同大小孔的中红外带散射效率。m.使用双轴定向拉伸设备处理PE膜的照片。n.干法处理制成的BOPE膜及其可扩展性的示意图。o.BOPE膜在不同厚度下的可见光反射率。p.BOPE膜在不同厚度下的中红外透过率。q.BOPE膜的扫描电镜图像及其可扩展nanoPE膜。r.可扩展nanoPE膜在不同厚度下的可见光反射率。s.可扩展nanoPE膜在不同厚度下的中红外透过率。t.不同厚度nanoPE膜的拉伸应力。

　　图3. a.室内实验的示意图，以及LED灯具的原位图像。冷却开启时，LED芯片被nanoPE膜覆盖，冷却关闭时，LED芯片被nanoPE和PMMA膜覆盖。两种情况下都使用透明的聚乙烯膜减少寄生热损失。b. LED气温变化与热图像，分别展示在“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的室内实验结果。c.“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的LED气温变化图。冷却开启模式下温度降低7.8℃。d.LED芯片发光光谱强度。冷却开启时蓝色峰值从447.2nm偏移到446.8nm。e.电压与温度随峰值波长的变化图，展示了冷却开启和冷却关闭的差异。

　　图4.户外辐射冷却实验结果。a.户外实验的示意图。b.清空和多云天空条件下的图像。c.户外实验演示。对比了具有辐射冷却功能的LED灯具与商业LED灯具的照明效果。d.“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的LED温度和红外热图像。e.清空天空和多云天空条件下的LED灯具温度变化图，冷却开启和冷却关闭时温差分别为4.4℃和3.2℃。f.清空天空条件下LED芯片的光谱强度。冷却开启时蓝色峰值从447.6nm偏移到447.0nm。g.电压与温度随峰值波长变化的图，展示冷却开启和冷却关闭模式下的变化。

　　图5.具有零向上传光泄漏的nanoPE膜。a.nanoPE膜的可见光反射率和中红外透过率与膜厚度的关系。b.不同厚度的nanoPE膜的冷却效果及其发光通量水平。c.膜厚度对光学透过率和发光通量提升率的影响。d-g.地面朝向(e)、天空朝向冷却关闭（f）和天空朝向冷却开启（g）模式下的演示图。h.户外冷却实验结果及相应的热图像。

　　图6.极端温度条件下的冷却性能和实际条件对nanoPE膜的影响。a.极端温度条件下实验的示意图。b.高温（39℃）和低温（5℃）环境下的LED芯片温度变化及相应热图像。c.在KAUST校园外暴露30天后的100µm厚nanoPE膜。d.nanoPE膜在户外暴露后的可见光反射率。e.nanoPE膜在户外暴露后的中红外透过率。f.在30天内，nanoPE膜的可见光反射率和中红外透过率的变化，并展示了灰尘积累的影响。g.模拟雨水清理洗涤效果，展示nanoPE膜的自清洁功能。h.UV辐射对nanoPE膜的可见光反射率的影响。i.UV辐射对nanoPE膜的中红外透过率的影响。j.UV辐射模拟5年暴露后nanoPE膜的可见光反射率和中红外透过率的变化。k.nanoPE膜在UV光照下的反射光谱与太阳光谱的对比。

　　小结：本研究创新性地提出基于辐射冷却原理的户外LED街灯热管理优化方案，成功实现了光热性能协同调控。通过引入具有光谱选择特性的nanoPE薄膜，构建了兼具可见光高反射（反射率＞95%）与中红外高效发射（发射率0.92）的双功能界面，在保证照明效率的同时开辟了天空辐射冷却通道。实证研究表明，该热管理架构在实验室模拟环境中可实现7.8°C的温降（对应光效提升5.1%），在线℃的降温幅度（光效增益4.2%。技术经济性评估显示，该方案若在美国现有LED街灯系统推广，年度可实现1.9 TWh的节电量，相当于减少130万吨CO2排放。这种零能耗被动冷却技术不仅明显提升了半导体照明系统的能量转换效率，更通过热辐射调控机制创新，为应对全球气候变暖背景下的城市基础设施节能改造提供了可规模化实施的技术路径。

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