[論文レビュー] Deep Radiative Cooling Passive Dew Collection

Yuval Zamir, Nadav Drechsler+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2019

Radiative Heat Transfer Studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、放射冷却放射体と露付着部を分離することで、低湿度下でも24時間、被動的かつ持続可能な露水収集を可能にする、分離型の深部放射冷却システムを提案する。選択的放射体を用いて深部冷却を実現し、重力給気式の空気流れシステムを採用することで、理論的収量が1.5 L/m²/日を超えることが達成された。これは従来の約0.7 L/m²/日の上限を大きく上回り、従来のシステムが失敗する環境でも運用可能である。

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.

研究の動機と目的

• 被動的露水収集における根本的制限、すなわち余剰加熱、蒸発、風速依存性、昼夜サイクル制限を克服すること。
• 放射体と露水収集部を分離することで、日中であっても環境温度および露点温度以下にまで冷却できる深部冷却が可能であることを示すこと。
• 余剰熱伝導と制御不能な空気流れを排除することで、低湿度下でも連続的かつ高効率な露水収集を実現すること。
• 熱電冷却器を用いた実験的検証により、放射体と収集部の熱的平衡状態を再現し、理論モデルを検証すること。

提案手法

• 放射体と露水収集部を分離することで、放射体が環境温度より著しく低い温度を維持できるようにする。
• 大気窓（8–13 μm）で高い放射率を示す選択的放射体を用いることで、凝縮プロセスとは独立して宇宙空間への強力な放射冷却が可能になる。
• 重力給気式で覆われた空気流れチャンバーを設け、層流で飽和した空気を流すことで、対流および伝導による加熱を最小限に抑え、余剰蒸発を低減する。
• 理論的モデルでは、放射体と収集部の理想熱的平衡を仮定し、熱伝達は対流ではなく放射と伝導が支配的であるとみなす。
• モデルには、空気が冷却され凝縮する際の顕熱および潜熱の除去を考慮したエネルギー収支式を組み込む。
• 実験的検証には、放射体（加熱側）を模倣する熱電冷却器を用い、収集部（冷却側）を再現することで、システムの熱的ダイナミクスを再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射体と収集部を分離することで、露水収集中に深部放射冷却を維持できるか？
• RQ2 余剰加熱と蒸発を最小限に抑えた場合、被動的露水収集の理論的上限は何か？
• RQ3 風速依存性や外部環境変動に左右されず、低湿度下でも24時間、被動的かつ自己調整型のシステムで露水を収集できるか？
• RQ4 オープンエア収集と比較して、重力給気式空気流れシステムは、空気状態の制御と余剰損失の低減にどの程度寄与するか？
• RQ5 システム性能は、長年にわたり続く理論的上限（約0.7 L/m²/日）をどの程度上回るか？

主な発見

• 理論的モデルは、1.5 L/m²/日（1時間あたり80 g/m²以上）の露水収量を予測しており、従来の理論的上限（0.7 L/m²/日）を著しく上回っている。
• 本システムは相対湿度が50％という低湿度下でも露水収集が可能であり、従来の「放射体上に露を形成する」方式では再蒸発や冷却不足により失敗する条件でも動作可能である。
• 熱電冷却器を用いた実験的結果は理論的予測と良好に一致し、熱的平衡モデルの妥当性が裏付けられた。
• 分離設計により、凝縮が放射体のスペクトル特性に悪影響を及けるのを防ぎ、深部冷却性能の持続が可能になった。
• 重力給気式空気流れシステムにより、制御不能な風の影響が低減され、チャンバー内に冷却・飽和空気が維持され、余剰蒸発が顕著に減少した。
• 本システムは動力部品を一切含まず、被動的かつ連続的に動作可能であり、太陽放射の影響や凝縮プロセスからの熱伝導が分離されているため、日中でも安定して稼働できる。