摘要
天空辐射制冷技术（Radiationskycooling，RSC）以外太空低温环境为冷源，利用地球大气层组分的辐射和吸收特性，可通过大气层具有中红外辐射高透过性的“大气窗口”（8~13μm波段范围）以热辐射形式发射热量到外太空，从而实现被动制冷。相较于主动冷却系统，天空辐射制冷系统具有结构简单、绿色清洁、便于维护等优异表现，在建筑节能、智慧交通、人体热管理、大气集水等领域均具有广阔的拓展应用前景。太阳能光伏（Photovoltaic，PV）发电技术则以光伏电池板为主要工作模块，通过半导体材料吸收日光辐射能量，激发电子跃迁形成的电子-空穴对完成光能到电能的转化过程，目前相对成熟的PV技术成果有晶硅光伏电池等产品，在可再生能源领域发挥着举足轻重的作用。布置于地表的硅光伏电池在工作过程中，只有（0.3~1.1μm波段范围）高能日光辐射可以激发电池材料中的电子跃迁实现光电转换，以其他形式被电池吸收的光子能量则转化为热能，并使电池温度迅速升高，而硅PV电池的光电转换效率会随工作温度的升高而下降，为此，多种主动冷却系统被提出并应用于PV电池的日间降温，随之带来了耦合系统的设计难度大和后期维护成本高昂等问题。因此，RSC技术以其可靠性高和维护成本低的特点，在PV日间降温技术的拓展应用中具有充分的应用潜力。但目前的主流天空辐射制冷材料（RadiationSkyCoolingMaterials，RSCMs）仍以夜间RSC应用为主，能在日间太阳光直射条件下具有优异制冷性能的日间RSCMs研究工作尚处于起步阶段，且现有日间RSCMs的研发工作，为了追求更高日间制冷性能，采用了日光辐射波段（0.28~4.0μm波段范围）高反射的光学管理方案，这与PV电池工作条件相悖，导致所设计日间RSCMs无法直接应用于PV的日间被动降温的RSC拓展应用，即专门针对RSC技术与PV技术（RSC-PV）相结合拓展应用的日间RSCMs尚未得到充分研究，在PV电池上添加RSCMs带来的影响也未得到充分研究。 基于RSC技术特点和研究进展，以及PV电池日间降温的需求分析，本文针对现有日间RSCMs无法胜任应用于PV电池时，在太阳光直射条件下同时实现降温和发电的问题，通过构建RSC-PV综合模型的日间和夜间能量传递模型，设计适应于RSC-PV的光学管理方案。同时设计多种材料组合和结构参数的成本低廉、制备工艺简单的单层RSC薄膜，以仿真计算方法求解所设计RSCMs的光学特性，并以此构建存储有不同RSCMs组合设计参数与光学特性的数据库，再以仿真计算和试验验证双重标准从中筛选出符合本文RSC-PV光学管理方案要求的日间RSCMs。从而得到RSC-PV拓展应用的解决方案，以实现PV电池在太阳光直射条件下的被动降温，并实现PV电池夜间冷量生成的全天候能源利用，进一步提升PV组件的能量收益，助力实现“双碳”目标。本文重点研究了研究内容及主要结论如下： 1.RSC-PV拓展应用能量传递模型与光学管理方案研究。首先分别分析了RSC和PV电池的能量特性，并以此建立了考虑PV电池电能输出的RSC稳态传热模型。随后根据RSC-PV拓展应用的能量特性，提出了在光电转换有效日光辐射波长范围内有高透射能力，在“大气窗口”波段范围内有高发射能力，在其余波段有高反射能力的综合理想光学管理方案，从而指导设计兼顾PV光电转换光学要求和RSC功能光学要求的RSCMs。最后设计了本研究的通用RSC光学模型及模型求解方法，并编写了RSC-PV的光/热/电学仿真模型的构建和运算程序。 2.RSC-PV制冷增透综合拓展应用研究。首先设计了应用于RSC-PV拓展应用薄膜的仿生蛾眼减反射结构，并进行了减反射结构形状、分布和添加位置的优化，有效消除了添加RSC薄膜对PV电池吸收日光辐射的不利影响。随后设计了一种可用于PV电池日间被动降温、夜间产生冷量的双层RSC薄膜，构建了RSC薄膜和PV电池的光/热/电学耦合仿真计算模型，可进行RSC-PV拓展应用材料综合性能的快速验证，并发现本研究所设计的双层仿生蛾眼减反射RSC薄膜，在应用于PV电池时实现了日间降温和夜间产冷的功能设计目标。 3.RSC-PV随机内嵌颗粒聚合物RSC薄膜设计。首先设计了一种低时间资源消耗的随机内嵌颗粒聚合物RSC薄膜仿真计算模型生成方法，实现了单模型生成耗时由3小时降至2分钟的优化成效。并设计了一种低计算资源消耗的计算模型，提出了一种3D转2D模型降维方法，实现模型计算资源消耗降至1%的优化成效。随后设计了60种颗粒与聚合物的材料组合，并编写了对应材料组合的仿真计算模型生成与计算程序。创建了材料组合参数信息和光学特性数据库，并编写了配套查询与可视化工具。最后编写了材料组合数据库的RSC-PV拓展应用自动适配程序，筛选出并设计了适合PV电池日间被动降温应用一种随机内嵌SiO2颗粒PDMS聚合物RSC薄膜。 4.RSC-PV拓展应用户外测试平台设计。首先设计并搭建了一种适用于RSC-PV拓展应用的户外测试平台，开发了具有串口通信和数据自动采集功能的测试平台软件“RadiationCooling”，搭建了具备远程访问和控制功能的硬件模块。随后制备了随机内嵌SiO2颗粒PDMS聚合物薄膜，并设计了RSC-PV拓展应用户外测试的试验流程。最后在户外完成对所制备薄膜的综合性能测试试验，验证了所设计RSC薄膜可通过对PV电池被动降温，实现的电池光电转换效率的提升。
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