[논문 리뷰] Deep Radiative Cooling Passive Dew Collection

Yuval Zamir, Nadav Drechsler외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 24.

Radiative Heat Transfer Studies참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 냉각 방출체와 mildew 수집기 간의 분리로, 저습도 조건에서도 수동적으로 24시간 내내 이슬을 수집할 수 있는 분리형 딥 라디에이티브 냉각 시스템을 제안한다. 선택적 방출체를 사용해 깊은 냉각을 달성하고, 중력에 의한 공기 순환 구조를 적용함으로써 이론적 수확량이 1.5 L/m²/일을 초과하는 결과를 이끌어내며, 이는 이전의 약 0.7 L/m²/일의 한계를 크게 뛰어넘는다. 이는 기존 시스템이 실패하는 조건에서도 작동 가능하게 한다.

ABSTRACT

We show how to overcome almost every major limitation in passive dew collection including: parasitic heating, parasitic evaporation, uncontrolled wind conditions, and performing dew collection 24 hours per day at nearly arbitrary relative humidity. We incorporate an ideal selective emitter in a simple thermal-equilibrium dew collection model that relies on an important physical insight -- that the roles of the radiative emitter and dew collector should be decoupled to achieve optimal dew harvesting. Previous models of passive dew collection strongly coupled those roles leading to nonideal theoretical limits. Our model necessitates deep radiative cooling (i.e., radiative cooling very far below ambient temperature) and that all forms of conductive and convective heating of the emitter have been eliminated. We further propose and tested a passive, self-regulating, gravity-fed airflow design that eliminates uncontrollable wind conditions or externally-driven airflow systems. Under somewhat realistic atmospheric scenarios, the theory predicts in excess of 80 grams/m$^2$/hour and 1.5 L/m$^2$/day which greatly exceeds the current theoretical limits of 0.7 L/m$^2$/day. We discuss how this can be further improved. We tested the validity of the equilibrium model and the gravity-fed airflow using a laboratory experiment that replicated the radiative emitter/dew collector system with the hot and cold side of a well-calibrated thermo-electric cooler. These ideas not only point to improved dew collection yields, but that dew can be collected 24 hours per day even at low relative humidity.

연구 동기 및 목표

• 수동 이슬 수집의 근본적 한계, 즉 부산물 가열, 증발, 바람 의존성, 일일 작동 제약 등을 극복하기 위해.
• 라디에이티브 방출체와 이슬 수집기 간의 분리가 낮은 온도에서 야간뿐만 아니라 일광 시에도 심한 냉각을 가능하게 함을 입증하기 위해.
• 부산물 열 전달과 제어되지 않은 공기 흐름을 제거함으로써 저습도 조건에서 고수확량을 달성하고 연속 작동을 실현하기 위해.
• thermo-전기 냉각기 시설을 활용해 라디에이티브 방출체와 수집기 간의 열 평형 상태를 모의함으로써 이론 모델을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 라디에이티브 방출체를 이슬 수집기에서 분리함으로써, 방출체가 주변 온도보다 훨씬 낮은 온도를 유지할 수 있도록 한다.
• 대기 창문(8–13 μm) 범위에서 고방출율을 가지는 선택적 방출체를 사용함으로써, 응축 과정과 무관하게 우주로의 강력한 라디에이티브 냉각이 가능해진다.
• 중력에 의해 구동되는 덮개가 있는 공기 흐름 챔버는 난류가 아닌 라미너 공기 흐름을 만들어내며, 대류 및 도전에 의한 가열을 최소화하고, 비산물 증발을 줄인다.
• 이론적 모델링은 방출체와 수집기 간에 이상적인 열 평형 상태를 가정하며, 열 전달이 대류가 아닌 복사와 도전에 의해 주로 결정된다고 본다.
• 모델은 공기가 냉각되고 응축될 때 감열과 잠열 제거를 고려한 에너지 균형 방정식을 포함한다.
• 실험적 검증은 라디에이티브 방출체(가열 측)와 수집기(냉각 측)를 모의하기 위해 열전 냉각기를 사용하여 시스템의 열역학적 동역학을 재현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이슬 수집 중에도 방출체와 수집기를 분리함으로써 깊은 라디에이티브 냉각을 유지할 수 있는가?
• RQ2 부산물 가열과 증발을 최소화했을 때, 수동 이슬 수집의 이론적 상한선은 무엇인가?
• RQ3 자기 조절형 수동 시스템을 사용해 저습도 조건에서도 하루 24시간 내내 이슬을 수집할 수 있는가?
• RQ4 개방형 공기 수집기와 비교했을 때, 중력에 의한 공기 흐름 시스템은 공기 조건 제어와 비산물 손실 감소에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 시스템 성능가 장기간 유지된 이론적 한계인 약 0.7 L/m²/일을 얼마나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 이론적 모델링은 80 g/m²/시간(1.5 L/m²/일)을 초과하는 이슬 수집 수확량을 예측하며, 이는 이전 이론적 한계인 0.7 L/m²/일을 크게 뛰어넘는다.
• 이 시스템은 기존의 이슬-방출체 시스템이 응축 후 재증발과 부족한 냉각으로 실패하는 상황인 상대 습도 50%에서도 이슬 수집이 가능하다.
• thermo-전기 냉각기 시설을 활용한 실험 결과는 이론적 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 열 평형 모델의 타당성을 입증하였다.
• 분리 설계 덕분에 응축으로 인한 방출체의 스펙트럼 특성 향상이 방지되어 깊은 냉각 성능을 유지할 수 있다.
• 중력에 의한 공기 흐름 시스템은 제어되지 않은 바람의 영향을 효과적으로 줄이고, 챔버 내부에 습도가 높고 냉각된 공기를 유지하여 비산물 증발을 감소시켰다.
• 이 시스템은 동작 부품이 없이 수동으로 작동하며, 방출체가 일광에 의해 가열되거나 응축 과정과 분리되어 있어 낮 동안에도 지속적으로 작동할 수 있다.