苏州大学蔡琦琳/吴玺Applied Energy：新型辐射制冷与太阳能光伏集成系统

辐射制冷以低温太空为冷源，可实现被动无源冷却而受到广泛关注，其关键点在于实现辐射器在太阳波段的高反射以及大气窗口波段的高发射。大多数工作致力于优化辐射器以提升上述两波段的反射率及发射率，但鲜有研究关注并利用辐射器反射的太阳能。因此，本工作提出了在保证全天候辐射制冷的基础上，进一步在日间增强太阳能发电的设想，通过建立其系统理论模型，依据模因算法设计并制备了符合该系统的聚合物与一维光子晶体结合的多层结构辐射器，通过在中国苏州搭建实验测试平台，测量了日间10:30至夜间20:30的辐射器内部温度及日间10:30至15:30的太阳能电池输出功率密度，分析了实验数据得出该系统的具体损失项。结果表明在整体多层结构仅有5层的情况下，辐射器在太阳波段的加权平均反射率和大气窗口波段的加权平均发射率分别达到了95.22%和94.74%，并且在大角度-60°～60°下仍能保持高反射率及高发射率，户外实测实验表明日间和夜间平均温降可分别达到2.3℃和8.4℃。此外，通过简易角度控制器将光伏电池与辐射器方位校准后，电池最大输出功率密度可由太阳直射下的125.5 W/m2增大至164.6 W/m2，提升幅度高达30.3%，这是由于太阳能电池所接受到的辐射份额包含了部分太阳直射及辐射器反射部分。综上，本研究利用聚合物与光子晶体结合的辐射器证实了辐射制冷兼顾强化光伏电池发电的设想，为辐射制冷与太阳能发电结合的商业化应用提供了新的思路。相关工作以“Investigation on a novel integrated system of radiative cooling and solar photovoltaics”发表在《Applied Energy》。

2.1系统设计与工作原理

本文设计的系统如图1所示：主要包括光谱选择性辐射器、太阳能电池及角度控制器。利用多层结构辐射器在大气窗口波段的高发射率，在半球方向透过大气与太空进行换热，实现辐射制冷，同时利用多层结构辐射器在太阳波段的高镜面反射率，将太阳辐射反射至太阳能电池，并且通过角度控制器控制辐射器及太阳能电池的角度φ1和φ2（拟定辐射器的初始方向与地平线平行，太阳能电池的初始方向与地平线垂直），以及利用简易的追光装置控制整个系统的方位角φ3，可以保证在日间太阳能电池在接收到辐射器反射的太阳辐射外，还能接收部分直接来自太阳的辐射，因此可以增大电池接收的太阳能，从而实现能量的最大化利用。

图1：基于辐射制冷的增强太阳能电池发电系统设计原理

2.2系统理论计算结果

利用所建立的系统能量传递模型，可以预测系统在理想状态和实际状态下的净冷却功率密度以及给定参数下太阳能电池的最大输出功率密度。利用系统能量传递模型计算了不同太阳仰角下太阳能电池的最大温度降低量和最大输出功率密度，结果如图2所示。在理想条件下，辐射器最大温度降低30 K，在300 K时净冷却功率为113.5 W/m2。在天顶角达到45°之前，由于反射光斑尺寸大，辐射器反射的太阳辐射未被太阳能电池完全捕获。然而，当天顶角达到36°时，太阳能电池可以接收的总辐射能超过1000 W/m2。当天顶角达到45°时，从辐射器反射的光斑可以被太阳能电池完全接收，达到1414.2 W/m2。

图2：辐射器理论计算结果

通过控制系统角度，不同天顶角σ下，太阳电池的最大辐照度均可达到1539.5 W/m2。与传统的直射太阳电池接收1000 W/m2的总辐照度相比，该系统可使太阳能电池接收总辐照度提高53.95%。

图3：控制系统角度实现最大化太阳能电池接收辐射原理图

2.3系统部件光谱特性

辐射器的理论设计结果与实测结果吻合，如图4所示，证实了设计结果的可靠性。为进一步提升辐射器的在大气波段的加权平均发射率，在控制辐射器成本最低及不影响太阳波段加权平均反射率的情况下，通过进一步增加PDMS层的厚度实现。随着PDMS厚度的增加，太阳波段的加权平均反射率逐渐下降，这是由于随着厚度的增大，PDMS吸收增强，但即使在300 μm厚度的PDMS下仍然能达到94.07%。同时由于C—H键等化学键的增多，大气波段的加权平均发射率不断提升，PDMS在100 μm和300 μm的厚度下，整体材料大气窗口波段的加权平均发射率均已达94.74%和95.20%。通过系统能量传输模型，计算其在理想状态下，最大温度下降为18℃，在室温下其冷却功率密度为73.8 W/m2，在天顶角为45°下，其太阳能电池输出功率密度可达355.9 W/m2。

图4：太阳能吸收器与辐射冷却器的光谱特性

2.4系统性能实验

系统实验装置及实测结果分别如图5和6所示。对于辐射制冷系统在下午15:30太阳辐射消失前的平均温度降低了2.3℃，最大温度降低了6.7℃。下午15:30后，平均和最高温度下降分别保持在8.4°C和9.3°C。对于光伏系统，从上午10:30到下午15:30，通过对辐射器以及太阳能电池的角度控制，实现了整个日间经过辐射器反射的太阳能电池输出功率密度大于太阳直射太阳能电池。太阳能电池的最大输出功率密度出现在正午，达到163.5 W/m2。此时，正对太阳的太阳能电池产生125.5 W/m2的最大输出功率密度，两者相差38.0 W/m2。通过上述实验，证实了在实现辐射制冷的同时强化太阳能电池输出的设想。

图5：实验装置

图6：辐射制冷增强太阳能发电系统的户外测试结果

2.5环境因素的影响

本文还分析了系统对实际通信基站的冷却效果，如图7所示。在理想条件下，结合辐射冷却涂层，通信基站内的平均气温为316.8 K。仅通过围护结构散热时，内部空气温度达到328.5 K，腔室温度降低11.7 K。在非理想条件下，辐射冷却层将内部温度维持在321.7 K，而仅依靠围护结构散热即可达到324.2 K的内部温度，使腔室温度降低2.5 K。类似地，在两种情况下都可以实现冷却效果。另外，在太阳与通信基站具有相同方位角的固定角度下，发射体反射部分的模拟发电量可达169.4 W/m2，直接来自太阳的部分的模拟发电量可达177.9 W/m2。模拟总发电量达到347.3 W/m2。所述电力可通过通信基站的空调耗电量来节省，或传输到储能系统。

图7：该系统在通讯基站应用的模拟

小结：本文演示了一种能够在日间和夜间运行辐射制冷的基础上，进一步在日间增强太阳能发电的系统，该系统利用了多层结构辐射器自身在太阳波段定向反射及在大气窗口波段大角度下的高发射率的特性，使其不牺牲制冷效果的前提下，将太阳波段的能量经过辐射器反射利用太阳能电池将其收集起来，该方法为辐射制冷的多元化能量利用提供了新思路。

论文信息：Zijun Wang, Shaowen Cao, Qilin Cai, Yingshi Zhang, Xi Wu. Investigation on a novel integrated system of radiative cooling andsolar photovoltaics. Applied Energy, 2025, 377: 124719.

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