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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。
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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)。
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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。
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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。
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图3 (a)通用神经网络结构。(b)通用XGBoost结构。
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图4实验验证结果。(a) Ji等[94];(b) Yu等[95];(c) Lv等[30]。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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.
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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。
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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。
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