天空辐射制冷及其与太阳能光电转换综合利用的研究

低温外太空是地球最重要的冷源,也是维持地球能量平衡的重要保障。天空辐射制冷(Radiative sky cooling,RSC)技术充分运用外太空的低温冷源特性,主要利用大气层在“大气窗口”波段(8-13μm)的高透过性,将地球表面的热量以热辐射的形式散失至低温外太空,从而达到被动制冷的效果。RSC独特的被动特性,大大拓宽了其应用背景,吸引了学者们的广泛关注。RSC的关键在于辐射体的光谱特性,辐射体需要在中红外波段(特别是“大气窗口”波段)具有高的发射率,如果辐射体要在太阳辐射条件下实现低于环境温度的被动制冷,辐射体还需要在太阳辐射波段具有低的吸收率,因此RSC对辐射体的光谱特性要求相对苛刻。此外,考虑到RSC功能单一,且净辐射制冷功率较低等特点,系统地分析RSC的传热过程和多因素影响机制,进一步探究提升RSC性能的方法是非常必要的。同时,考虑到实际应用的多能需求特点,太阳辐射与热辐射的同源特性,以及太阳辐射功率比RSC净制冷功率大一个数量级的客观事实,如果将RSC与太阳能利用过程耦合于同一装置,不仅能实现装置的双功能特性,同时还能提高装置的能量收益。基于上述对RSC的分析,同时考虑到目前太阳能光电转换(Photovoltaic conversion,PV)技术已经相对成熟,本文重点研究了天空辐射制冷(RSC)及其与太阳能光电转换(RSC-PV)的综合利用,具体研究内容如下:1.建立了 RSC的热分析模型,系统地分析和预测了 RSC的制冷潜力,并研究了不同环境和结构参数对RSC性能的影响。结果表明:太阳辐射、辐射体的冷量损失和“大气窗口”的透过率是影响RSC的关键环境参数。因此,减小辐射体对太阳辐射的吸收、强化RSC装置的绝热性能以及干燥晴朗的天气有利于提升RSC的制冷性能。2.设计并制备了一种由二氧化硅和银膜组成的光谱选择性辐射体,其在太阳辐射波段内的反射率约为0.96,在“大气窗口”波段内的平均发射率约为0.85,在其余波段同样表现为高发射特性。实验结果表明:该辐射体在北京地区能够实现在太阳辐射条件下比环境温度低约5.9℃的制冷效果;而在合肥地区相近的时间和环境下,却不能实现低于环境温度的制冷效果,表明了 RSC的性能受到地域或者环境的制约。3.提出了一种有利于RSC的辐射体被动避光策略并进行了实验验证。结果表明:背阳面的辐射体能够轻易实现比环境温度低的制冷效果,即便是太阳辐射反射率仅有0.66的中红外光谱选择性辐射体也能实现比环境温度平均低3.2℃的效果;而向阳面的辐射体却很难实现,即使是太阳辐射反射率为0.93的高反射镜面也无法实现低于环境温度被动制冷效果。4.提出了天空辐射制冷与太阳能光电转换(RSC-PV)综合利用的新思想,设计并搭建了一套RSC-PV综合利用实验系统,该系统白天利用光电转换产生电能,夜间利用天空辐射制冷产生冷量。实验测试结果表明:该系统在夜间的最大制冷功率超过70 W/m2,在白天的平均光电效率约为14.9%,具有明显的制冷和发电双功能特性。5.从光学角度出发,设计了一种由一维多层膜和二维周期性空气柱型微结构组成的宽波段光谱选择性表面用于RSC-PV综合利用。光谱分析表明:该表面在硅电池光电响应波段(0.3-1.1 μm)具有高透过性,等效透过率约为0.9;在其余太阳辐射波段(1.1-4μm)具有高反射率,等效反射率约为0.6;在中红外波段(4-25μm)具有高发射率,等效发射率超过0.9。同时,热/电性能评估表明该表面有助于提升RSC-PV的综合利用性能。6.基于光谱选择性利用的思路,探讨了光伏电池的光谱被动热管理方法,包括太阳能分频利用、强化天空辐射制冷和全光谱热管理。模拟分析表明:三种光谱被动热管理方法都可以降低光伏电池的温度,其中全光谱热管理方法的效果最佳。