基于輻射制冷-溫室效應的熱電系統性能分析*

陳浩 王存海? 程子明 魏琳揚 王富強 張欣欣

1) (北京科技大學能源與環境工程學院,北京 100083)

2) (哈爾濱工業大學(威海)新能源學院,威海 264209)

3) (東北大學冶金學院,沈陽 110819)

基于輻射制冷和溫室效應,設計了一種無需主動能量輸入的溫差發電系統:夜間利用輻射制冷降低熱電模塊的冷端溫度,白天利用溫室效應增加熱端溫度,以提高冷熱端溫差,達到全天候無間斷的發電效果.實驗研究了熱電模塊冷熱端溫差隨時間的變化及其受環境濕度的影響.在中國陜西的夏季實驗測量和分析結果表明:輻射制冷使熱電模塊冷熱端在夜間維持約1.1 ℃的溫差;溫室效應可使熱端溫度比環境溫度高出13.9 ℃;環境濕度在20%和45%的條件下,熱電模塊冷熱端的全天平均溫差分別為1.9 ℃和1.6 ℃,表明20%的環境濕度條件下該系統具有更好的發電性能.本裝置實現了全天候的被動能量輸出,在離網區域電力供應等方面具有潛在的應用前景.

1 引言

電能已經成為現代生活中人們賴以生存的基礎,然而目前中國仍舊存在較大的電力缺口.在電網難以覆蓋的偏遠地區,離網電能成為主要的供電方式,但是一些戶外設備,如野外監控器的持續供電仍舊存在一定的困難.目前,離網電能主要包括鉛酸電池、移動電源和戶外光伏儲能式電源,但它們都存在明顯缺點或不足:鉛酸電池能量占比低、制造過程容易污染環境;移動電源充電不方便、價格昂貴、損耗較大;戶外光伏儲能式電源無法在夜間使用.因此,便攜、無污染、可持續供電設備的開發具有十分重要的研究意義.

早在20 世紀60 年代,人們就已經將溫差發電機投入實際使用[1].由于在工作過程中不存在機械振動,溫差發電裝置一般具有較好的可靠性和耐久性,目前的研究重點在于如何提高其發電功率.提升發電功率的策略主要有兩種:第一種是開發新型的熱電材料[2],提高熱電轉化性能;第二種是增大熱電發電機冷熱端的溫差,從而提高能量轉換效率[3].本文針對于如何提高冷熱端溫差進行研究.強化溫差發電機熱電模塊的熱端(下文簡稱熱端)與熱源、熱電模塊的冷端(下文簡稱冷端)與冷源之間的熱交換,都是增大冷熱端溫差的有效方法.傳統的強化冷端與冷源熱交換的方法包括被動風冷[4]、主動風冷[5]和主動水冷[6],但缺點也非常明顯:被動風冷受限于設備空間,主動風冷和主動水冷則因其消耗能量而降低了整體的效率.因此,為了同時滿足空間和能耗需求,尋求不需要能量輸入的被動冷卻技術顯得尤為必要.

被動輻射制冷[7-10](passive radiative cooling,PRC)是近年來新興的一種制冷方法.該制冷方法無需額外能量輸入,具有成本低、實用性高、無污染等特點[11-16],因此受到了全球學者的廣泛關注.輻射制冷的基本原理是利用大氣層對波長為8—13 μm (“大氣窗口”)的紅外線具有良好的透射率,通過增強發射表面在該波段范圍的發射率,從而促進地表物體(溫度約 300 K)和冷源太空(溫度約 3 K)之間的輻射換熱,達到為地表物體降溫的制冷效果.目前,輻射制冷已經成功地應用于建筑制冷[17-19]、個人熱管理[20-22]、太陽能電池散熱[23-25]等諸多領域,但是其在熱電轉換領域的應用才剛剛起步[26-28].

2019 年,Zhan 等[26]采用30—40 μm 厚的多孔氧化鋁薄膜以增強輻射制冷效果,研究結果表明當熱端溫度處于150—250 ℃范圍內,多孔氧化鋁薄膜的引入可以將熱電系統的輸出功率提高55%—70%.同年,Raman 等[27]構建了溫差發電裝置的能量守恒模型,證實了夜間的輻射制冷效應可使溫差發電裝置實現連續供電.他們在鋁盤上鍍上發射率約0.95 的黑漆涂層作為輻射制冷材料來降低冷端溫度,熱端溫度為環境溫度.實驗結果表明在18:00 到24:00 時間范圍內,冷熱端的最大溫差可以達到2 ℃,熱電裝置可以獲得最大功率為25 mW/m2.Mu 等[28]設計了一種SiO2/Si3N4多層薄膜結構,該結構在大氣窗口波段范圍內具有較高的發射率,在太陽光和近紅外波段范圍內具有較高的反射率.他們利用該薄膜結構的輻射制冷效應對熱電設備的冷端進行冷卻以實現全天連續發電的目的.實驗結果表明,他們的裝置可以獲得4 ℃的最大溫差,0.5 mV 的最大輸出電壓,以及0.18 mV 的全天平均輸出電壓.以上工作[26-28]是目前輻射制冷應用于溫差發電僅有的文獻報道,從上述描述可知目前利用輻射制冷進行溫差發電的研究工作仍舊存在諸多不足:文獻[26]報道的工作仍舊需要高溫熱沉以維持熱端溫度,無法實現零能量輸入的溫差發電;文獻[27]中的溫差發電裝置不要任何能量輸入,但是該裝置只能在夜間工作;文獻[28]實現了全天零能耗溫差發電,但由于冷熱端溫差較小,發電功率仍處于較低的水平,有待進一步提升.

為了解決輻射制冷應用于溫差發電應用中的輸出不連續、發電功率低等問題,本文設計了一種結合輻射制冷和溫室效應的溫差發電系統.整個系統放置于室外環境中,白天利用溫室效應使熱端溫度高于環境溫度,夜間利用輻射制冷效應使冷端溫度低于環境溫度,實現全天候零能耗的溫差發電,克服了傳統光伏裝置和傳統輻射制冷裝置功能無法全天候工作的缺點.

2 理論模型

本文利用輻射制冷效應以降低熱電模塊的冷端溫度.輻射制冷結構的制冷功率Pnet(T)可表示為[29]

式中,T為輻射制冷發射器溫度;Tamb為環境溫度;Prad(T)為發射器輻射功率,表示為

Patm(Tamb)為發射器吸收的大氣輻射功率,表示為

Psun為發射器吸收的太陽輻照功率,表示為

在(2)—(4)式中,A為輻射制冷結構面積;ε(λ,θ)為輻射制冷結構發射率;εatm(λ,θ)為大氣發射率;λ表示波長;Isun(λ)為太陽光譜輻照強度;IBB(T,λ)是溫度為T的黑體的光譜輻射強度,表示為

其中,h為表示普朗克常數,kB為玻爾茲曼常數,c為光速.(3)式中的大氣發射率表示為

其中t(λ)為垂直方向的大氣透射率.通過計算(2)—(4)式中的各項功率,代入到(1)式中并令制冷功率為零,即可得到輻射制冷結構的平衡溫度.眾多研究[29-31]表明通過提高輻射制冷器件在大氣窗口范圍內的發射率以提高其自身輻射功率Prad,輻射制冷器件可以達到顯著低于環境的平衡溫度,因此可以用來降低本文熱電模塊的冷端溫度.

類似地,本文通過在熱端鋪設溫室大棚,利用溫室效應來提升熱電模塊的熱端溫度.選擇性溫室薄膜對可見光具有較好的透過率,因此在太陽輻照作用下,大量的可見光能量進入到溫室并被內部設置的金屬熱沉吸收,熱沉和熱電模塊的熱端緊密連接從而提高熱端溫度.同時,溫室薄膜對紅外輻射則具有較強的吸收率,因此不斷吸收紅外輻射維持在較高溫度,進一步強化了溫室內部溫度[32].因此,本文熱端構建溫室大棚的溫室效應可以有效地提高熱電模塊的熱端溫度.

3 實驗裝置

該設備結構示意圖如圖1(a)所示,實物圖如圖1(b)所示.整個實驗裝置的支撐結構為木質框架,外附隔熱泡沫,最外層覆蓋有鋁化聚酯反射膜的隔熱反射外殼,以抑制對太陽輻照能量的吸收.熱電模塊的冷端和輻射制冷結構連接并面朝天空放置;熱端和導熱性能良好的鋁塊及鋁翅片連接,整個鋁制支撐結構位于具有溫室效應的大棚薄膜內.

圖1 基于輻射制冷-溫室效應溫差發電系統 (a)示意圖;(b) 實物圖Fig.1.Thermoelectric system based on radiative cooling and greenhouse effects:(a) Sketch;(b) real setup.

3.1 輻射制冷結構的光譜特性

目前,多種微納結構[33-35]已被證實具有顯著的輻射制冷效果.本文選取我們之前設計摻雜SiO2顆粒的丙烯酸溶液的薄膜涂層[36]作為輻射制冷材料.該涂層具有制作流程簡單、原料成本低等優點,具體制作方式如下:在助溶劑的作用下,將固態丙烯酸樹脂熔成液態,再將直徑4 μm、體積分數6%的SiO2顆粒隨機混合到液態丙烯酸樹脂中,得到SiO2/丙烯酸混合物,利用旋涂法將這一混合物涂于尺寸為120 mm × 90 mm 的高導熱反射銅板上,在自然蒸發干燥條件下形成厚度為70 μm 的薄膜涂層.覆蓋該制冷薄膜的銅板如圖2(a)所示,SiO2/丙烯酸薄膜的電子顯微照片如圖2(b)所示,可知SiO2顆粒在丙烯酸樹脂中分布較為均勻,有助于提高該薄膜在大氣窗口波段的發射率.該涂層材料在大氣窗口范圍內的光譜發射率如圖2(c)所示,其平均發射率為0.94,因此能夠顯著提升其自身輻射功率,從而具有較好的輻射制冷效果.

圖2 輻射制冷結構 (a) 實物圖;(b) SiO2/丙烯酸薄膜的電子顯微圖;(c) 大氣窗口范圍內的光譜發射率Fig.2.Radiative cooling structure:(a) The real structure;(b) the electron micrograph of the SiO2/acrylic film;(c) the spectral emissivity within the atmosphere window.

3.2 大棚溫室材料性能

選取厚度為0.12 mm 的商用PO (polyolefin)薄膜作為大棚溫室材料,利用溫室效應來增加熱端溫度.在太陽輻照較強的白天,強烈的溫室效應促使熱端溫度高于環境溫度.但是在太陽輻射較弱的時間段或夜晚時段,溫室薄膜的設置有可能對熱端溫度的提高產生負面效果,因此需要驗證圖1 中大棚溫室材料的設置對熱端溫度的影響,以確定是否全天設置該溫室材料.

由于市面上的商用熱電模塊型號較為多樣,本文以冷熱端溫差作為發電能力的主要標準.將K 型熱電偶貼合于冷熱端表面,對其進行溫度的測量;把另一熱電偶置于裝置所處的環境中以測量環境溫度;所使用的熱電偶的檢測精度為 ± 0.3 ℃.利用ET-59 型數據采集儀對溫度進行采集,采集間隔為2 min;采用濕度計獲取實驗時的環境濕度.

圖3(a) 2020 年6 月17 日至18 日熱端溫度、環境溫度和溫差的分布;(b) 6 月18 日8:00—12:00 時間段內熱端溫度低于環境溫度的數據點分布Fig.3.(a) Distributions of the hot side temperature,ambient temperature,and the temperature difference during June 17—18,2020;(b) data points at which the hot end temperature is lower than the ambient temperature during the time from 8:00 to 12:00 on the day of June 18,2020.

2020 年6 月17 日至18 日,在陜西省榆林市(38.90°N,110.47°E)對該發電裝置進行測試,當天的平均相對濕度為31%.圖3 給出了位于溫室棚內的熱端溫度與環境溫度的變化曲線對比圖.由溫度記錄結果可知,溫室棚的設置使得熱端溫度在大多數時間高于環境溫度,尤其是在18 日12:00—17:00 時間段內,熱端和環境溫度的最大溫差為13.9 ℃.在測量時間范圍內,有24 個數據記錄時間點對應的熱端溫度略低于環境溫度:1 個記錄點處于17 日22:00 時刻,其余記錄點均位于在17 日8:00—11:00 時間段內;其中10 個時間點對應的熱端溫度和環境溫度的溫差在1.0 ℃之內.由于溫室大棚會阻礙熱端與環境的換熱,在早晨太陽升起的時間段,熱端的溫升速率慢于環境的溫升速率,導致了熱端溫度低于環境溫度的情況.圖3 所示的結果表明:僅僅在早晨太陽剛出現的時間段內,大棚薄膜的設置導致熱端溫度略低于環境溫度,因此覆蓋熱端的大棚薄膜適宜于全天使用.

4 性能分析和討論

4.1 發電功率的計算

根據熱電模塊的冷熱端溫差,通過塞貝克公式可得負載匹配條件下以冷端結構面積為基準的最大功率為[37]

式中,n=127 為熱電模塊熱電偶的個數;α=210.769 μV/K 為熱電模塊的賽貝克系數;Th為熱端的溫度;Tc為冷端的溫度,單位為K;R=0.007 Ω為熱電模塊內單個熱電偶的電阻;A=0.0108 m2為冷端材料面積.

4.2 全天工作情況

于2020 年6 月19 日至21 日期間,對該裝置冷熱端溫度進行了連續測定,結果如圖4 所示.其中19—20 日的平均相對濕度為20%,20—21 日的平均相對濕度為45%.由圖4(a)可知:從19 日18:00 時刻到20 日07:00 時刻,該裝置冷熱端溫度隨著時間的推移均逐漸降低,但冷端溫度始終低于熱端溫度,溫差維持在1.1 ℃左右.說明輻射制冷材料的使用,可使熱電模塊的冷熱端具有穩定的溫差,進而使熱電模塊保持有效的輸出功率.由于裝置冷端和環境之間的對流耗散沒有采用特殊的抑制措施,因此冷熱端溫差還有進一步提升的空間.該穩定的冷熱端溫差驗證了僅僅采用簡單的輻射制冷材料,即可以在夜間獲得連續穩定的溫差.隨著時間的推移,在20 日07:00 之后,由于環境溫度的升高,該裝置冷熱端溫度均逐漸升高.在11:00之后,熱端溫度在溫室效應的作用下顯著升高,增大了冷熱端溫差,該溫差在20 日13:30 達到最大值為10.3 ℃,此時該系統的理論發電功率可以達到1979.4 mW/m2.冷熱端溫度在20 日14:00 之后開始逐漸下降直到當天18:00,至此形成一個持續時間為24 h 的測量周期.在接下來的測量周期內,即20 日18:00 之后的溫度分布曲線和前一個周期的時間分布類似,但是由于濕度的差異,冷熱端溫度所達到的最大值略有降低.對圖4(a)所示的實驗測量數據分析表明,19—20 日全天冷熱端平均溫差為1.9 ℃,理論發電功率為67.4 mW/m2,20 日12:00 到17:00 時段內的冷熱端溫差明顯高于其他時段,該時間段內平均溫差為4.6 ℃,理論發電功率為394.8 mW/m2,如圖4(b)所示.圖4 所示的結果表明,在輻射制冷和溫室效應的協同作用下,該裝置可以在連續24 h 測量周期內實現穩定的冷熱端溫差,也就是說該裝置可以實現全天候、零能耗的發電功率輸出.

圖4(a) 2020 年6 月19 日至21 日熱電模塊的冷熱端溫度和溫差;(b) 熱電模塊冷熱端溫差在2020 年6 月20 日12:00 到17:00 時間段內的分布Fig.4.(a) Temperature of the hot and cold sides of the thermoelectric generator,as well as the temperature difference during June 19—21,2020;(b) temperature difference between the time of 12:00 and 17:00 on June 20,2020.

4.3 環境濕度的影響

環境濕度會影響大氣的透射率,從而影響輻射制冷效果.為了分析環境濕度對該裝置性能的影響,對比19—20 日及20—21 日的測量結果如圖5所示,圖示濕度20%為19—20 日的平均濕度,濕度45%為20—21 日的平均濕度.由圖5 可知,在00:00 到07:00 時間段內,平均相對濕度為45%的環境下平均溫差為1.0 ℃,平均相對濕度為20%的環境下平均溫差為1.1 ℃,提高了10%.說明在濕度較高的環境下輻射制冷的性能雖會降低,但仍能獲得穩定連續的冷熱端溫差.在平均相對濕度為45%的環境下,冷熱端全天平均溫差為1.6 ℃,理論發電功率為47.8 mW/m2;當環境平均相對濕度降低到20%時,全天平均溫差升高18.8%達1.9 ℃,理論發電功率提升40.8%至67.4 mW/m2.圖5 所示的結果表明:該系統在兩種不同的濕度條件下均能實現穩定的冷熱端溫差和有效輸出功率,但在環境濕度20%的條件下具有更好的發電性能.這是由于環境濕度對裝置冷端發射器具有較大的影響:當環境濕度較大時,大氣中較高的水蒸氣降低了大氣窗口波段的大氣透射率,減弱了輻射制冷的效果,因此本文裝置在較低濕度條件下表現出更好的發電性能.

圖5 不同環境濕度條件下溫度對比 (a)冷熱端溫度分布;(b) 溫差分布Fig.5.Temperature comparisons under different ambient humidity:(a) Temperature of the cold and hot ends of the thermoelectric module;(b) temperature difference.

5 結論

本文綜合利用輻射制冷和溫室效應,設計了一種全天候、零能耗熱電系統.通過對熱電模塊冷熱端溫度進行測量和分析,得到如下結論:

1) 輻射制冷材料可以使該系統的熱電模塊冷熱端在夜間獲得穩定的溫差,溫室大棚可以有效地提高了日間的冷熱端溫差,因此該系統不需要任何主動能量輸入并能夠獲得全天候無間斷的輸出功率.如若能夠進一步提高大棚內部對太陽輻射的吸收率,則能夠使熱端溫度達到比現有更高的水平;

2) 在中國陜西環境濕度為20%的夏季,該系統的熱電模塊冷熱端的全天平均溫差為1.9 ℃,平均功率為67.4 mW/m2,在12:00 到17:00 時段范圍內該裝置的冷熱端平均溫差為4.6 ℃,平均功率為394.8 mW/m2,最大溫差可達10.3 ℃,對應的最大功率為1979.4 mW/m2;

3) 由于環境濕度對大氣透射率的影響,當環境平均濕度從45%降低到20%時,熱電模塊的冷熱端全天平均溫差從1.6 ℃升高到1.9 ℃,全天平均功率從47.8 mW/m2提高到67.3 mW/m2.