太陽能集熱和輻射制冷綜合利用的理論和實驗研究.pdf

1、目前建筑能耗占我國社會總能耗的1/3左右，而采暖和制冷又是建筑能耗中占比最大的部分。在氣候炎熱的地區(qū)和季節(jié)，建筑物的冷能需求較大而熱能需求很小，太陽能集熱器收集的熱能無處消納;此外，太陽能集熱器在夜間也處于閑置狀態(tài)。輻射制冷技術(shù)是指地面物體通過“大氣窗口”與低溫外太空和高層大氣層之間進行輻射換熱獲得制冷效果的一種被動制冷方式。同樣地，輻射制冷裝置不適用于氣候寒冷的地區(qū)和季節(jié)，在白天也很難獲得冷量，且因單位面積制冷功率偏低而使得投資回收期

2、較長。
　　另一方面，由于平板太陽能集熱器和輻射制冷裝置在結(jié)構(gòu)上高度相似，功能和工作時段互補，這也為太陽能集熱(Photothermic，PT)和輻射制冷(Radiativecooling，RC)在同一套裝置上集成提供了可能性。本文提出了太陽能集熱和輻射制冷(PT-RC)綜合利用的思想，即通過光譜特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，將這兩種物理過程有機結(jié)合在同一套裝置上。該復(fù)合裝置能夠?qū)崿F(xiàn)白天太陽能集熱和夜間輻射制冷，從而實現(xiàn)裝置的多功能、全天

3、候和跨季節(jié)利用，提高能源綜合利用效率和時間利用率，縮短投資回收期，促進可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用。本文針對太陽能集熱和輻射制冷綜合利用具體開展了以下研究工作:
　　1、系統(tǒng)性地提出了太陽能集熱和輻射制冷綜合利用的思想，并給出了復(fù)合裝置關(guān)鍵部件——板芯和蓋板的光譜選擇原則。理想的PT-RC板芯在太陽輻射波段(0.2～3μm)和“大氣窗口”波段(8～13μm)的吸收/發(fā)射率為1，而在其它波段的反射率為1。理想的PT-RC蓋板在太陽輻射波段

4、(0.2～3μm)和“大氣窗口”波段(8～13μm)的透過率為1，而在其它波段的透過率為0。
　　2、設(shè)計和試制了PT-RC板芯材料，該板芯以陽極氧化鋁板為襯底，在其上分別鍍有藍(lán)鈦選擇性吸收涂層和聚酯(PET)薄膜，該PT-RC板芯被稱為藍(lán)鈦-PET復(fù)合表面。光譜測試結(jié)果表明，該復(fù)合表面具有較明顯的光譜選擇性，其在太陽輻射波段和“大氣窗口”波段的平均吸收/發(fā)射率為0.92和0.80，其它波段平均反射率為0.45。
　　3、基

5、于制備的藍(lán)鈦-PET復(fù)合表面，設(shè)計并搭建了一套PT-RC復(fù)合系統(tǒng)實驗平臺，針對該實驗平臺在不同工作模式和不同運行工況下的集熱和制冷性能進行了長期的室外測試。在白天太陽能集熱模式時，PT-RC復(fù)合系統(tǒng)的瞬態(tài)截距集熱效率和全天截距集熱效率分別為62.7％和38.6％，均達(dá)到了傳統(tǒng)太陽能集熱系統(tǒng)的80％以上;在夜間輻射制冷模式時，復(fù)合系統(tǒng)在晴天和陰大的凈輻射制冷功率分別為50.3W/m2和23.4 W/m2。
　　4、建立了一套完整的P

6、T-RC復(fù)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)的模型，對復(fù)合系統(tǒng)在兩種工作模式下的熱性能進行模擬計算，并與實驗結(jié)果進行對比。結(jié)果顯示，在太陽能集熱模式下，系統(tǒng)瞬態(tài)集熱效率的均方根誤差為4.59％;在輻射制冷模式下，系統(tǒng)凈輻射制冷功率的均方根誤差為4.90％。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，表明該數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確預(yù)測PT-RC復(fù)合系統(tǒng)的集熱和制冷性能。
　　5、利用驗證后的數(shù)學(xué)模型，研究了不同運行參數(shù)對PT-RC復(fù)合系統(tǒng)集熱和制冷性能的影響;結(jié)合典型氣象年數(shù)據(jù)

7、，針對復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)用于合肥、北京、福州和烏魯木齊四個不同氣候條件地區(qū)的全年性能進行了模擬預(yù)測和分析，對復(fù)合系統(tǒng)在不同氣候條件下的應(yīng)用提供了優(yōu)化指導(dǎo)方案。
　　6、在太陽能集熱和輻射制冷綜合利用的研究基礎(chǔ)上，提出了光電-光熱-輻射制冷綜合利用的概念，以實現(xiàn)在同一套裝置上白天光伏發(fā)電和太陽能集熱，夜間輻射制冷，達(dá)到復(fù)合裝置的多功能性和全天候工作特性。設(shè)計并制作了小型PV-PT-RC復(fù)合模塊，并對其集熱和制冷性能進行了初步的實驗和理論研究