ECM：太阳能反射器协同辐射冷却实现24小时热电发电

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论文信息：Yongsik Ham, Hwanhee Oh, Junbo Jung, Geun Tak Yuk, Jinsung Rho, Joong Bae Kim. Enhanced thermoelectric power generation via angle-independent solar reflector with super black coating and radiative cooling for 24-hour energy harvesting. Energy Conversion and Management 351 (2026) 120953.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120953

研究背景

化石燃料依赖与环境危机催生了太阳能、地热、风能等可再生能源技术的广泛部署，但地理约束、时间间歇性与储能高成本仍是根本瓶颈。热电发电机（TEG）基于塞贝克效应直接将热能转为电能，只要维持稳定温差即可昼夜连续发电，在工业余热、汽车废热与太阳能利用中备受关注。然而，传统太阳能驱动TEG仅在白天工作；将辐射冷却（RC）与TEG结合虽可实现24小时被动运行，但常规RC-TEG系统的TEG温差通常不足3°C，输出功率极低。引入抛物面反射器聚焦阳光可显著提升白天温差，但抛物面仅在入射角近乎垂直时保持聚焦，需每15分钟手动重调或配备主动跟踪系统，增加了功耗与系统复杂度。本文提出角度无关的混合型太阳能反射器，结合辐射冷却与超级黑色涂层，实现免跟踪、24小时连续被动发电。

研究内容

热输入上限确定：以商用Bi₂Te₃基TEG 200°C耐温上限为约束，通过稳态热分析（边界含辐射冷却器40 W/m²冷却功率）确定：超级黑色涂层最大允许热输入为27.5 W，作为反射器设计核心准则。

图1。太阳能驱动RC-TEG系统的工作原理和详细组件。

图2。（a）热分析模拟模型和边界条件。（b）TEG顶部和底部侧面温度的模拟结果。

混合反射器设计：采用东西向圆形截面+南北向抛物面截面的混合几何，实现免跟踪宽角聚光：光线追踪显示其有效聚光角度覆盖2°–178°（共176°），传统抛物面仅在76°–104°（28°）有效；12小时日照可收集760 kJ太阳能，是抛物面的6倍，完全满足热输入要求。

图3。（a）所提出的太阳反射器的几何形状。（b）光线追踪分析模型。（c）根据入射阳光角度的聚光性能比较。

功能涂层制备：辐射冷却器为TiO₂微粒/PDMS复合结构，喷涂于铝基，实现太阳反射率90%、8–13 μm大气窗口发射率95%；超级黑涂层通过热CVD在阳极氧化铝上生长碳纳米纤维，太阳吸收率达99.4%；底部贴PE膜抑制对流。理论昼/夜冷却功率分别为45.8、141 W/m²，耐久性测试光学变化<1%。

图4.（a）辐射冷却器的制造方法。（b）超黑涂层的制造方法。（c）辐射冷却器和超黑涂层的光谱反射率、吸收率和发射率特性。

动态热仿真框架：建立考虑辐射冷却器温度依赖性的迭代仿真：以环境温度初估冷却功率→热分析提取冷却面温度→更新冷却功率至收敛（容差0.1°C），解决传统模型忽略受热态下对流项反转、低估RC性能的问题。

图5。（a）发电量预测方法的过程。（b）考虑加热条件下钢筋混凝土冷却功率的流程图。

1/4尺度户外验证：韩国天安屋顶24小时测试（固定倾角57°）显示：夜间平均温差0.2°C；白天峰值温差14.4°C（12:30）、平均9.3°C，对应峰值功率密度21 W/m²、日均10.7 W/m²，实现完全被动连续发电。

图6.（a）室外实验装置示意图。（b）考虑太阳高度角的太阳能反射器安装方法 (). (c）24小时测量的TEG顶面、TEG底面、环境空气的温度以及由此产生的温差（°C）。（d）24小时测量的输出电压（mV）和相应的功率密度（W/m2）。

模型可靠性校验：以实测辐照度驱动仿真，白天预测温差12.2°C与实测13.2°C误差仅1°C；夜间因未考虑超级黑自身辐射冷却略有高估，整体可支撑全尺寸预测。

图7.（a）室外实验获得的环境温度和直接法向辐照度。（b）辐射冷却器的初始冷却功率（W/m2）和入射在超黑涂层上的集中太阳能功率（W）。（c）实验和模拟结果之间的温差比较。

全球气候适用性：五类气候区全尺寸仿真显示：干旱区（如澳大利亚）年发电达215 kWh/m²，白天平均温差>25°C、峰值32.1°C；极地仅40 kWh/m²；性能为已报道RC-TEG系统的10倍以上，中东、北非等阳光带最具落地潜力。

图8.各种气候条件下的性能预测结果（a）五个代表性气候区域的地理位置（b）白天平均温差（°C）。（c）夜间平均温差（°C）。（d）月发电量（千瓦时/平方米）。（e）年发电量（千瓦时/平方米）。

结论与展望

本工作开发了集成广角独立混合反射器的太阳能驱动RC-TEG系统：通过东西向圆形+南北向抛物面的混合设计，实现免跟踪、宽角度（176°）连续聚光，日均太阳能集中度达抛物面的6倍；制备的辐射冷却器（R_solar=90%, ε_atm=95%）与超级黑色涂层（A_solar=99.4%）分别提供高效冷却与吸收；基于温度依赖冷却性能的迭代热仿真模型准确预测系统行为。1/4尺度户外实验验证：白天平均功率密度10.7 W/m²（峰值21 W/m²），24小时连续被动发电。全尺寸全球气候仿真确认年发电量40.7–215 kWh/m²，中东、北非等阳光带地区最具应用潜力。

后续方向：① 优化超级黑色涂层的大气窗口低发射率设计，或引入IR阻挡玻璃罩，抑制夜间底部辐射冷却损失，进一步提升夜间温差与发电量；② 考虑大气湿度对辐射冷却性能的影响，完善高湿气候区的预测精度；③ 推动全尺寸样机实地部署，验证长期户外可靠性与工程化潜力；④ 探索与物联网传感器节点、偏远地区离网供电等场景的集成应用。