[論文レビュー] Accelerating vapor condensation with daytime radiative cooling

Ming Zhou, Haomin Song+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、太陽光にさらされた状態でも蒸発を促進する高反照率かつ高放射放出性の表面を用いた日中の放射冷却凝縮器を提案する。この装置により、太陽光発電式水浄化システムにおける連続的な水生産が可能になる。受動的放射冷却と効率的な凝縮を組み合わせることで、浄化水の出力を 0.4 から 1 L m⁻² 時間⁻¹ 以上に向上させ、最新の凝縮器と比較して24時間当たりの収量を倍増させた。

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 $1 L m^{-2} hour^{-1}$.

研究の動機と目的

• 従来の凝縮器が、冷却能力に限界があるため 0.4 L m⁻² 時間⁻¹ に制限されているという問題を克服すること。
• 既存の放射冷却露付凝縮器が夜間のみに機能するのに対し、日中にも効果的に動作する凝縮器を開発すること。
• 放射冷却と水蒸気凝縮を統合し、太陽光浄化システムにおける水生産速度を向上させること。
• 外部エネルギー供給なしに動作するスケーラブルで受動的なソリューションを提供すること、太陽光下で安定して稼働すること。

提案手法

• 凝縮器は、太陽放射の97%以上を反射し、大気窓領域（8–13 μm）で高い熱放射率を維持する多層構造の広帯域反射・放射放出表面を採用している。
• この表面は、直達日光下で周囲温度より最大10 °Cの放射冷却を実現し、露点凝縮を可能にする。
• 凝縮器は環境との熱的接触を最小限に抑えるように設計されており、導熱損失を低減し、放射冷却効率を最大化している。
• 実際の日光条件下で凝縮速度を測定し、従来の凝縮器と性能を比較する実験が実施された。
• 理論的モデリングを用いて、最大の冷却効果と凝縮促進効果を得るための表面の光学的・熱的特性を最適化した。
• 凝縮器は、全スペクトルの太陽放射下で動作する太陽光発電式水浄化システムに統合され、性能評価が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的凝縮器は、放射冷却の原理を応用することで、直達日光下でも日中に効果的な水蒸気凝縮を達成できるか？
• RQ2 全スレートの日射下において、放射冷却で達成可能な最大冷却性能はどの程度か？
• RQ3 提案された日中の放射冷却凝縮器の凝縮速度は、実際の日光下で従来の凝縮器と比べてどのように異なるか？
• RQ4 この凝縮器の統合により、太陽光発電式水浄化システムにおける水生産速度はどの程度向上するか？
• RQ5 日中の凝縮を効率的に行うために、表面に求められる最適な光学的・熱的特性は何か？

主な発見

• 日中の放射冷却凝縮器は、直達日光下で周囲温度より最大10 °Cの冷却を達成し、連続的な凝縮を可能にした。
• 凝縮器は日光下で1 L m⁻² 時間⁻¹ を超える浄化水を生産し、従来の凝縮器の0.4 L m⁻² 時間⁻¹ の制限をはるかに上回った。
• 凝縮器は1日を通じて安定した凝縮速度を維持し、連続的な太陽光発電式水浄化の実現可能性を示した。
• 凝縮器を太陽光発電式水浄化システムに統合することで、全体の水生産速度が0.4から1 L m⁻² 時間⁻¹ を超えるまで向上した。
• 凝縮器の表面は、太陽放射の97%以上を反射しながら、8–13 μmの大気窓領域で高い熱放射率を維持しており、効率的な放射冷却を実現した。
• システムは外部エネルギー供給なしに受動的に動作し、放射熱放散と太陽光反射に依存している。