[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种解耦的深度辐射冷却系统，将辐射发射体与露水收集器分离，实现即使在低湿度条件下也能被动、全天候收集露水。通过使用选择性发射体实现深度冷却，并结合重力驱动的气流系统，该方法理论上可实现超过1.5 L/m²/天的产水量——远超以往约0.7 L/m²/天的理论极限，使系统在传统系统失效的条件下仍能运行。

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.

研究动机与目标

• 克服被动露水收集中的根本性限制，包括寄生加热、蒸发、对风力的依赖以及昼夜运行的约束。
• 证明将辐射发射体与露水收集器解耦可实现低于环境温度和露点温度的深度冷却，即使在白天也能实现。
• 通过消除寄生热传递和非受控气流，实现在低湿度和连续运行条件下的高露水收集效率。
• 通过热电冷却器装置实验验证理论模型，模拟发射体与收集器之间的热平衡状态。

提出的方法

• 该系统将辐射发射体与露水收集器解耦，使发射体能够维持远低于环境温度的深度辐射冷却。
• 采用选择性发射体，在大气窗口波段（8–13 μm）具有高发射率，实现向太空的强辐射冷却，且与冷凝过程无关。
• 重力驱动的封闭气流腔体形成层流、饱和气流，最大限度减少对流和传导加热，降低寄生蒸发。
• 理论建模假设发射体与收集器之间处于理想热平衡状态，热传递以辐射和传导为主，不考虑对流。
• 模型包含能量平衡方程，考虑空气在冷却和冷凝过程中显热和潜热的去除。
• 实验验证采用热电冷却器模拟发射体（热侧）和收集器（冷侧），复现系统的热动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将发射体与收集器解耦，能否在露水收集过程中维持深度辐射冷却？
• RQ2 当寄生加热和蒸发被最小化时，被动露水收集的理论上限是什么？
• RQ3 能否使用被动、自调节系统实现全天24小时连续露水收集，即使在低湿度条件下？
• RQ4 与开放式收集器相比，重力驱动气流系统如何改善对空气条件的控制并减少寄生损失？
• RQ5 系统性能在多大程度上可超越长期存在的约0.7 L/m²/天的理论极限？

主要发现

• 理论建模预测露水收集产量超过80 g/m²/小时（1.5 L/m²/天），显著超越以往0.7 L/m²/天的理论极限。
• 该系统可在相对湿度低至50%的条件下实现露水收集，而传统“发射体上结露”系统因再蒸发和冷却不足而失效。
• 使用热电冷却器装置的实验结果与理论预测高度一致，验证了热平衡模型的可靠性。
• 解耦设计可防止冷凝过程对发射体光谱性能的劣化，维持其深度冷却性能。
• 重力驱动气流系统有效抑制了非受控风力影响，并在腔体内维持饱和、低温空气，减少寄生蒸发。
• 系统完全被动运行，无活动部件，由于发射体与太阳加热及冷凝过程隔离，可实现全天候连续运行，包括白天。