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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。

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