太陽能集熱和輻射制冷綜合利用的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前建筑能耗占我國社會(huì)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(jìn)行輻射換熱獲得制冷效果的一種被動(dòng)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(zhǎng)。
　　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(shí)段互補(bǔ)，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(jì)，將這兩種物理過程有機(jī)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(shí)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(shí)間利用率，縮短投資回收期，促進(jìn)可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用。本文針對(duì)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(jì)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P(yáng)T-RC板芯被稱為藍(lán)鈦-PET復(fù)合表面。光譜測(cè)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(jì)并搭建了一套PT-RC復(fù)合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在不同工作模式和不同運(yùn)行工況下的集熱和制冷性能進(jìn)行了長(zhǎng)期的室外測(cè)試。在白天太陽能集熱模式時(shí)，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(shí)，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(duì)復(fù)合系統(tǒng)在兩種工作模式下的熱性能進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明該數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)PT-RC復(fù)合系統(tǒng)的集熱和制冷性能。
　　5、利用驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型，研究了不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(duì)復(fù)合系統(tǒng)應(yīng)用于合肥、北京、福州和烏魯木齊四個(gè)不同氣候條件地區(qū)的全年性能進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)和分析，對(duì)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(shí)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(jì)并制作了小型PV-PT-RC復(fù)合模塊，并對(duì)其集熱和制冷性能進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)和理論研究