[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种日间辐射冷凝器，利用高度太阳反射性和热辐射发射的表面，在直接阳光照射下加速水蒸气冷凝，从而实现太阳能水净化系统中连续产水。通过结合被动辐射冷却与高效冷凝，该装置将净化水产量从0.4升每平方米每小时提高至超过1升每平方米每小时，24小时产水量相比现有最先进冷凝器翻倍。

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

研究动机与目标

• 为克服传统冷凝器在太阳能水净化系统中因冷却能力不足而受限于0.4升每平方米每小时产水率的局限性。
• 开发一种可在白天有效工作的冷凝器，与现有仅在夜间运行的辐射露点冷凝器不同。
• 将辐射冷却与水蒸气冷凝相结合，以提升太阳能净化系统中的产水速率。
• 展示一种可扩展的、被动式解决方案，可在直接阳光照射下无需外部能量输入即可运行。

提出的方法

• 冷凝器采用多层宽带反射与辐射发射表面，可反射超过97%的太阳辐射，同时在大气窗口波段（8–13 μm）保持高热辐射率。
• 该表面经过设计，可在直接阳光照射下实现最高达10 °C低于环境温度的辐射冷却，从而实现露点冷凝。
• 冷凝器设计为与环境热隔离，以最小化传导传热，最大化辐射冷却效率。
• 在真实阳光条件下测试系统，以测量冷凝速率并对比传统冷凝器的性能。
• 通过理论建模优化表面的光学与热学性能，以实现最大冷却与冷凝增强效果。
• 将冷凝器集成至太阳能水净化系统中，以在全光谱太阳辐照下评估其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过辐射冷却原理，使被动冷凝器在直接阳光照射下实现有效的水蒸气冷凝？
• RQ2 在全太阳辐照条件下，辐射冷却可实现的最大冷却性能是多少？
• RQ3 所提出的日间辐射冷凝器在真实阳光下的冷凝速率与传统冷凝器相比如何？
• RQ4 该冷凝器的集成能在多大程度上提升太阳能水净化系统中的产水速率？
• RQ5 为实现通过辐射冷却实现高效日间冷凝，表面所需的最优光学与热学性能是什么？

主要发现

• 日间辐射冷凝器在直接阳光照射下可实现最高达10 °C低于环境温度的冷却，从而实现连续冷凝。
• 该冷凝器在阳光照射下每小时每平方米产水超过1升，远超传统冷凝器0.4升每平方米每小时的限制。
• 该装置全天保持稳定的冷凝速率，证明了其在连续太阳能水净化中的可行性。
• 将该冷凝器集成至太阳能水净化系统后，整体产水速率从0.4升每平方米每小时提升至超过1升每平方米每小时。
• 冷凝器表面可反射超过97%的太阳辐射，同时在8–13 μm大气窗口波段保持高热辐射率，从而实现高效的辐射冷却。
• 该系统完全被动运行，无需外部能量输入，仅依赖辐射散热与太阳光反射。