[논문 리뷰] Accelerating vapor condensation with daytime radiative cooling

Ming Zhou, Haomin Song외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 28.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 직사광선 아래에서 수증기 응결을 가속화하기 위해 고도로 태양광 반사성이고 열복사성이 높은 표면을 사용하는 주간 방사 냉각 응축기의 개발을 제시한다. 이는 태양수 정련 시스템에서 연속적인 물 생산을 가능하게 한다. 수동적 방사 냉각과 효율적인 응결을 조합함으로써, 정제된 물의 생산량을 0.4에서 1 L m⁻² 시간⁻¹ 이상으로 증가시켜 기존 최첨단 응축기 대비 24시간 생산량을 두 배로 늘렸다.

ABSTRACT

Vapor condensation plays a crucial role in solar water-purification technologies. Conventional condensers in solar water-purification systems do not provide sufficient cooling power for vapor condensation, limiting the water production rate to $0.4 L m^{-2} hour^{-1}$. On the other hand, radiative dew condensation, a technique used by existing radiative dew condensers, only works at nighttime and is incompatible with solar water-purification technologies. Here, we develop daytime radiative condensers that reflect almost all solar radiation, and can thus create dew water even in direct sunlight. Compared to state-of-art condensers, our daytime radiative condenser doubles the production of purified water over a 24-hour period. The integration of our daytime radiative condenser with solar water-purification systems can increase the water production rate in sunlight from $0.4 L m^{-2} hour^{-1}$ to more than $1 L m^{-2} hour^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 기존 응축기의 한계를 극복하기 위해, 태양수 정련 시스템에서 충분한 냉각력이 부족하여 0.4 L m⁻² 시간⁻¹에 머무르는 것을 해결하고자 한다.
• 현재까지의 방사 이슬 응축기들이 밤에만 작동하는 데 반해, 이 논문은 낮 동안에도 효과적으로 작동하는 응축기를 개발하고자 한다.
• 방사 냉각과 수증기 응결을 통합하여 태양수 정련 시스템의 물 생산 속도를 향상시키고자 한다.
• 직사광선 아래에서 외부 에너지 공급 없이 작동하는 스케일업 가능한 수동 솔루션을 제시하고자 한다.

제안 방법

• 응축기는 태양복사선의 97% 이상을 반사하면서도 대기 창문 영역(8–13 μm)에서 높은 열복사성을 유지하는 다층 구조의 광학적이고 방사 열복사 성능이 뛰어난 표면을 사용한다.
• 이 표면은 직사광선 아래에서 실내 온도보다 최대 10 °C까지 낮은 온도로 방사 냉각을 실현하여 이슬점 응결을 가능하게 한다.
• 환경으로부터의 열전도를 최소화하고 방사 냉각 효율을 극대화하기 위해 응축기의 열적 절연 설계가 이루어졌다.
• 실제 직사광선 조건에서의 시험을 통해 응결 속도를 측정하고 기존 응축기와의 성능을 비교하였다.
• 이론적 모델링을 통해 최대 냉각 및 응결 향상을 위한 표면의 광학적 및 열적 성질을 최적화하였다.
• 응축기를 태양광 전체 스펙트럼 조건에서 작동하는 태양수 정련 시스템에 통합하여 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동적 응축기가 방사 냉각 원리를 활용해 직사광선 아래에서 낮 동안 효과적인 수증기 응결을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전체 태양복사 조건에서 방사 냉각을 통해 달성할 수 있는 최대 냉각 성능은 무엇인가?
• RQ3 실제 직사광선 조건에서 제안된 주간 방사 냉각 응축기의 응결 속도는 기존 응축기와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 이 응축기의 통합이 태양수 정련 시스템의 물 생산 속도 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 수동적 방사 냉각을 통한 효율적인 주간 응결을 가능하게 하기 위해 표면이 가져야 할 최적의 광학적 및 열적 성질은 무엇인가?

주요 결과

• 주간 방사 냉각 응축기는 직사광선 아래에서 실내 온도보다 최대 10 °C까지 낮은 온도로 냉각되어 연속적인 응결이 가능하다.
• 응축기는 직사광선 아래에서 1 L m⁻² 시간⁻¹ 이상의 정제된 물을 생산하며, 기존 응축기의 0.4 L m⁻² 시간⁻¹ 한계를 초월한다.
• 하루 종일 안정적인 응결 속도를 유지하여 연속적인 태양수 정련의 가능성에 대한 실현 가능성을 입증하였다.
• 응축기를 태양수 정련 시스템에 통합함으로써 전체 물 생산 속도가 0.4에서 1 L m⁻² 시간⁻¹ 이상으로 증가하였다.
• 응축기의 표면은 태양복사선의 97% 이상을 반사하면서도 8–13 μm 대기 창문 영역에서 높은 열복사성을 유지하여 효율적인 방사 냉각이 가능하다.
• 시스템은 외부 에너지 공급 없이 순수하게 방사 열손실과 태양광 반사에 의존하여 수동적으로 작동한다.