太阳能光电-光热-辐射制冷综合利用中的基础问题研究

Solar energy can be converted into electrical and thermal energy by photovoltaic conversion (PV) and photothermic conversion (PT) respectively. Cooling energy can be obtained by sky radiative cooling (RC) without extra driving energy input based an ultimate heat sink: the universe. Basically, the above green energy technologies share the similar structures, and complement each other in function and operation time, therefore showing great potential for comprehensive utilization (PV-PT-RC). However, the three corresponding physical processes differ from each other in spectral selectivity requirements, which is the main challenge for their coupling. To solve this key issue, the principle of spectral selectivity distribution for the coupled physical processes is proposed. Besides, the project aims to optimize and manufacture the multi-functional PV-PT-RC panel relying on the advanced theories of optical thin film and the latest progresses in micro/nanostructure material science. The PV-PT-RC module, PV-PT-RC experimental setups and the mathematical model based on the spectral selectivity distribution will be established to investigate the effect of structure parameters, physical properties, and environment parameters on the performance of photovoltaic, photothermic and radiative cooling. Moreover, the annual performance of the PV-PT-RC system in different regions will also be numerically analyzed by the validated model, which can provide general guidelines for the system optimization and application.

光电转换(PV)和光热转换(PT)可分别将太阳能转化为电能和热能，天空辐射制冷(RC)可利用低温外太空作为冷源无能耗地获得冷量。三种技术结构相似、功能和工作时段互补、且均为绿色能源利用形式，具有巨大的综合利用潜能。然而三种物理过程对应的不同光谱选择要求是三者进行耦合的主要矛盾。针对这一关键科学问题，本项目提出满足PV-PT-RC耦合物理过程的光谱选择性分布原则；结合光学薄膜理论和微纳材料科学的最新进展，优化设计并研制满足三种功能的PV-PT-RC板芯；建立基于光谱分布参数的复合系统数学模型，优化PV-PT-RC复合模块的结构参数；研制复合模块并设计搭建复合系统实验平台；通过理论和实验研究相结合，阐明复合系统的结构参数、物性参数和环境参数等对系统光电、光热和制冷性能的影响机制；并对复合系统在不同典型地区的年性能进行模拟分析，为复合系统的结构优化、在不同地区的运行策略提供参考。

单一功能的太阳能光伏板、太阳能集热器以及单一功能的天空辐射制冷装置分别只能输出电、热、冷能，存在能源转换效率低、季节适应性差等问题。另一方面，上述三种可再生能源装置结构相似、功能和工作时段互补、具有巨大的综合利用意义和可能性。针对这一关键科学问题，本项目研制了满足白天进行光伏转换和光热转换、夜间进行辐射制冷的太阳能光伏-光热-辐射制冷复合装置，建立了太阳能光伏-光热-辐射制冷复合系统实验平台以及相应数学模型，研究了太阳能光伏-光热-辐射制冷复合系统的结构参数、物性参数和环境参数等对系统光电、光热和制冷性能的影响，并对复合系统的年性能进行了模拟分析。研究结果表明，太阳能光伏-光热-辐射制冷复合装置的平均光电效率为10.3%，瞬态截距集热效率为55.3%，瞬态净辐射制冷功率达72.0W/m2。太阳能光伏-光热-辐射制冷系统的太阳能利用效率和辐射制冷性能与保温层厚度和水箱容积成正相关；水箱初始水温和板芯发射率越高，则太阳能利用效率越低而辐射制冷效率越高；光伏电池填充因子对太阳能利用效率的影响显著，而对辐射制冷性能影响较小。基于合肥地区典型气象年数据的年性能分析结果显示，PV-PT-RC系统全年的电、热、冷能量产出分别为479.67、2369.07、1432.49 MJ。总之，本项目所研制的太阳能光伏-光热-辐射制冷复合装置和系统实现了更高效的太阳能和辐射制冷综合利用，有望在建筑、工业、农业等诸多需要电、热、冷的场合得到推广应用。