网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Energy | 耦合双波段辐射冷却、温差发电与太阳能聚光:理论,数据驱动模型和网页APP

0
分享至





热电发电器(thermoelectric generator, TEG)依靠冷热端温差直接输出电能,太阳能聚光可提高热端温度,辐射冷却(radiative cooling, RC)则可通过大气窗口向外太空散热、降低冷端温度,两者耦合有望维持更大的温差并支持昼夜发电。现有聚光-RC-TEG系统研究多集中于单一结构或少数工况,理论模型对聚光器、热电模块和辐射冷却的耦合描述仍较有限,且此前尚未将8–13 μm与16–25 μm双大气窗口的双波段辐射冷却纳入此类系统。与此同时,快速性能预测、关键参数筛选、可解释显式公式和面向设计的交互工具也较为缺乏。为此,研究构建了双波段辐射冷却、热电发电器与太阳能聚光器的一体化理论模型,并进一步结合机器学习、特征选择、符号回归和Web应用开展快速预测与设计评估。相关工作以Integrated Dual-Band Radiative Cooling, Thermoelectric Generator, and Solar Concentrator: Theoretical and Data-Driven Modeling with Symbolic Equations and Web App为题发表在Energy期刊。


研究首先建立含聚光输入、TEG内部导热与热电耦合、双波段辐射换热及环境对流的热阻模型,并比较无RC、单波段RC和双波段RC的温度与功率响应(图1、图2)。随后设置神经网络与XGBoost等七类模型,先用独立实验数据验证热模型和电输出公式(图3–图5),再基于40,000组、跨五种热电材料的数据进行Pearson、RF、XGB和SHAP特征筛选(图6、图7)。在完整与精简特征集上比较各模型的热端、冷端温度预测性能(图8–图12),并用PySR导出闭式符号回归方程,检验其测试集精度及对环境温度、太阳辐照度、聚光比、辐射冷却面积和风速的物理响应(图13–图16)。最后将完整神经网络、精简神经网络和符号方程与四项独立实验对照,并集成到Streamlit Web应用中(图17)。


图1 (a)本研究聚光-辐射冷却-热电发电(C-RC-TEG)系统的关键组成及热阻网络。(b) AM1.5G太阳辐照光谱、标示第一和第二大气窗口的大气透过率,以及Wang等[21]、Zhu等[53]、Xie等[54]、Mandal等[55]和Yuan等[56]所选辐射冷却材料的光谱发射率。


图2 (a)采用双波段RC时C-RC-TEG特定工况的热分析。(b) RC配置对功率密度和Tc的影响,功率坐标轴采用对数尺度。


图3 (a)通用神经网络结构。(b)通用XGBoost结构。


图4实验验证结果。(a) Ji等[94];(b) Yu等[95];(c) Lv等[30]。


图5预测电压和功率密度随电流变化的结果与Wu等[96]实验数据的对比验证。


图6采用多种方法分析热端温度Th和冷端温度Tc的特征重要性。(a)Th的Pearson相关系数。(b)Tc的Pearson相关系数。(c) Random Forest和XGBoost对Th的特征重要性得分。(d) Random Forest和XGBoost对Tc的特征重要性得分。(e) Random Forest和XGBoost对Th的重要性平均值。(f) Random Forest和XGBoost对Tc的重要性平均值。(g)基于SHAP归一化的Th与Tc特征重要性得分。


图7神经网络训练与架构流程图,包括数据处理、预处理、模型构建和优化步骤。


图8使用完整特征集训练的各模型在测试集上预测热端温度时,预测值与实际值的散点对比。


图9使用完整特征集训练的各模型在测试集上预测冷端温度时,预测值与实际值的散点对比。


图10使用筛选特征训练的各模型在测试集上预测热端温度时,预测值与实际值的散点对比。


图11使用筛选特征训练的各模型在测试集上预测冷端温度时,预测值与实际值的散点对比。


图12采用筛选特征时表现较优模型(NN、CatBoost、XGB、LGBM)的比较分析。(a)实际与预测Tc的分布小提琴图,并叠加误差分布(预测值减实际值)。(b)Tc预测测试集指标的雷达图。(c)实际与预测Th的小提琴图及误差分布。(d)Th测试集指标的雷达图。


图13符号回归方程在测试集上对Th和Tc的预测值与实际值对比。


图14热端温度Th预测结果随关键输入参数变化的物理可解释性。


图15冷端温度Tc预测结果随关键输入参数变化的物理可解释性。


图16太阳辐照度G和环境温度Ta变化时的温差三维曲面图(左)及相对于EES的绝对误差等高图(右)。各行依次为真实EES模拟结果(无误差等高图)、完整NN模型、特征筛选NN模型和符号回归方程。等高图中的圆圈表示误差最高区域。


图17模型预测与四项独立研究实验数据的验证。第一行:完整NN、特征筛选NN和符号回归方程在各研究中的Th预测散点图。第二行:对应的Tc预测结果。第三行:合并全部实验数据集后两个温度输出的总体性能。

小结:为了解决聚光-RC-TEG耦合系统缺少通用快速设计工具的问题,研究以太阳能聚光加热热端、双波段辐射冷却降低冷端为核心,建立覆盖五种热电材料及光学、几何和环境参数的稳态理论模型,并生成40,000组数据训练七类机器学习模型。完整特征下,神经网络对热端和冷端温度的R2分别为0.9998和0.9999,MAPE分别为0.04%和0.0305%;经特征筛选后,两端预测仍保持R2高于0.996。符号回归方程对应R2为0.9994和0.9956,兼顾计算速度与可解释性。模型与多组独立实验总体吻合,进一步通过Web应用实现温度和电输出的快速估算。需要注意,该框架基于稳态、一维传热和给定带平均大气透过率,适用范围仍受训练参数边界与五种材料集合限制。

论文信息:S. Ali Akbar Mousavi, Hamidreza Aghakhani, Hanieh Atrian Seresht, Behzad Baghapour, Meijie Chen, Cunhai Wang. Integrated Dual-Band Radiative Cooling, Thermoelectric Generator, and Solar Concentrator: Theoretical and Data-Driven Modeling with Symbolic Equations and Web App. Energy, 2026, 142561. DOI: 10.1016/j.energy.2026.142561.

都看到这里了,关注一下吧^_^

团队介绍:空天热辐射(STAR)研究团队面向国家需求,长期开展基于微纳结构的光热调控机制与应用研究。团队主要研究方向包括:宽谱定向热辐射调控机制与方法、辐射制冷材料设计开发、太阳能与辐射制冷协同利用、以及面向航空航天极端环境的热管理技术。


近年来,团队在国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委等资助下,锚定热辐射前沿,在调控机制、调控方法和热管理技术开发应用等方面取得了一系列成果,在Advanced Materials (2篇)、Progress in Materials Science, Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, ACS Energy Letters, Nano Letters, Innovation, Matter (3篇), Device (2篇)等发表多篇研究论文。相关研究在能源利用、资源获取、安全防护等领域具有广阔的应用前景。

团队常年招收研究生,欢迎从事相关研究的学者同行们交流合作,共同探索空天热辐射理论和技术前沿,奔赴星辰大海!

团队网址:http://faculty.ustb.edu.cn/wangcunhai/zh_CN/index.htm

联系方式:wangcunhai@ustb.edu.cn

声明:本文部分素材源自网络,版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流,不代表本公众号立场,如有不当,请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作,我们将竭诚为您免费推送,投稿邮箱:wangcunhai@ustb.edu.cn,微信:Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
甘肃敦煌2名女生花150万元开“无烟酒吧”已关闭,140平方米门店单日营收曾为0元;店主:创业失败不丢人,人生的容错率很高,可大胆去尝试

甘肃敦煌2名女生花150万元开“无烟酒吧”已关闭,140平方米门店单日营收曾为0元;店主:创业失败不丢人,人生的容错率很高,可大胆去尝试

三湘都市报
2026-10-26 15:37:31
2014年重庆女主持陈霞深夜遭歹徒挟持,她苦苦哀求:我伺候你饶我性命,交出密码与十几万存款,依旧没能躲过一劫

2014年重庆女主持陈霞深夜遭歹徒挟持,她苦苦哀求:我伺候你饶我性命,交出密码与十几万存款,依旧没能躲过一劫

磊子讲史
2026-10-26 18:51:39
你在公司捞过的最大油水是什么?网友:车在我名下,老板跑路了

你在公司捞过的最大油水是什么?网友:车在我名下,老板跑路了

夜深爱杂谈
2026-10-26 21:11:13
国家税务总局规定:2026年11月1日起全国加油站全面推行,以后去加油站加油,加完油系统自动给你开电子发票

国家税务总局规定:2026年11月1日起全国加油站全面推行,以后去加油站加油,加完油系统自动给你开电子发票

扶苏聊历史
2026-10-09 10:45:34
火箭创纪录,杜兰特赛后摊牌!乌度卡评价申京,火箭有一人被忽视

火箭创纪录,杜兰特赛后摊牌!乌度卡评价申京,火箭有一人被忽视

鱼崖大话篮球
2026-10-27 12:26:22
周涛与前夫姚科未离婚之前的一张合影照,儒雅的姚科,终究留不住周涛

周涛与前夫姚科未离婚之前的一张合影照,儒雅的姚科,终究留不住周涛

南万说娱26
2026-08-22 08:56:48
甘肃2名女生花150万元开“无烟酒吧”已关闭,140平方米门店单日营收曾为0元,两人称创业失败不丢人,计划外出学习再回乡

甘肃2名女生花150万元开“无烟酒吧”已关闭,140平方米门店单日营收曾为0元,两人称创业失败不丢人,计划外出学习再回乡

大风新闻
2026-10-26 15:58:07
改写教科书!男性阴茎最敏感的“G点”首次被定位

改写教科书!男性阴茎最敏感的“G点”首次被定位

临药网
2026-10-27 07:59:56
姆巴佩涉华不当言论发酵,东鹏饮料终止合作,蒙牛下架物料!其言论性质严重、伤害中国人民感情,不予翻译、不公开

姆巴佩涉华不当言论发酵,东鹏饮料终止合作,蒙牛下架物料!其言论性质严重、伤害中国人民感情,不予翻译、不公开

开成运动会
2026-10-27 12:12:17
iPhone Duo内屏开裂引热议!富士康员工:因产能吃紧苹果曾降低过一定良率质检标准

iPhone Duo内屏开裂引热议!富士康员工:因产能吃紧苹果曾降低过一定良率质检标准

快科技
2026-10-27 07:52:04
莫兰德60万成自由球员,上海捡的不是宝,是一个35岁中锋的止损点

莫兰德60万成自由球员,上海捡的不是宝,是一个35岁中锋的止损点

生活新鲜市
2026-10-27 09:18:11
钱壮飞长征中离奇死亡,金沙县五十年后揭示真相:他被人用毒害死了!

钱壮飞长征中离奇死亡,金沙县五十年后揭示真相:他被人用毒害死了!

海佑讲史
2026-10-27 10:55:16
国内将逐渐停止带状疱疹疫苗?一旦注射人就废了?医生讲出实情

国内将逐渐停止带状疱疹疫苗?一旦注射人就废了?医生讲出实情

路医生健康科普
2026-10-27 13:32:39
为什么从纪录片里看到,从缅甸救回来的受害者几乎全是男性?因为被骗进园区的女孩逃脱率基本为零

为什么从纪录片里看到,从缅甸救回来的受害者几乎全是男性?因为被骗进园区的女孩逃脱率基本为零

扶苏聊历史
2026-10-23 10:04:33
出狱后的朴槿惠生活状态曝光:入住1676平别墅,与小10岁律师相伴

出狱后的朴槿惠生活状态曝光:入住1676平别墅,与小10岁律师相伴

磊子讲史
2026-10-26 15:55:19
杀疯了!4天从10元跌到6.14,跌幅超37%,3.5万股东踩雷,发生了什么?

杀疯了!4天从10元跌到6.14,跌幅超37%,3.5万股东踩雷,发生了什么?

趋势清风侠
2026-10-27 11:01:09
筱梅更新,汪宝坐镜子前自己刷牙,模样可爱又喜庆!太招人稀罕了

筱梅更新,汪宝坐镜子前自己刷牙,模样可爱又喜庆!太招人稀罕了

李橑在北漂
2026-10-27 11:43:41
中期选举前夕民调出炉:特朗普支持率脱离低点,民主党大概率赢下众议院

中期选举前夕民调出炉:特朗普支持率脱离低点,民主党大概率赢下众议院

财联社
2026-10-27 11:54:19
凌晨,美国飞北京航班起飞后突然返航,机上有262人,航司回应

凌晨,美国飞北京航班起飞后突然返航,机上有262人,航司回应

南方都市报
2026-10-26 08:21:39
特朗普称奥巴马密歇根集会“空无一人”:照片显示现场却坐满了人

特朗普称奥巴马密歇根集会“空无一人”:照片显示现场却坐满了人

阿尔卑斯瞭望
2026-10-26 19:29:27
2026-10-27 15:24:49
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

婚宴吃外卖宾客称想吃什么点什么 新娘:每人100餐标

头条要闻

婚宴吃外卖宾客称想吃什么点什么 新娘:每人100餐标

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

8登春晚毛宁,57岁唱涛声依旧无人问津

财经要闻

韩国芯片出口额可能下降高达1000亿美元

汽车要闻

云辇-M上车 第二代海豹07让驾驶者也能爱上的家用车

态度原创

教育
亲子
艺术
健康
公开课

教育要闻

新闻课 寒·春丨从围观热搜到理解世界,孩子需要怎样的思辨教育?

亲子要闻

小天赐,终为父母当年的“冲动”买了单,年仅7岁活得不像个小孩

艺术要闻

梵高这幅《巴黎小说》,4.46亿元!

查不出猝死风险?可能是项目没做对

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版