基于輻射制冷-溫室效應(yīng)的熱電系統(tǒng)性能分析*

陳浩 王存海? 程子明 魏琳揚(yáng) 王富強(qiáng) 張欣欣

1) (北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

2) (哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)新能源學(xué)院,威海 264209)

3) (東北大學(xué)冶金學(xué)院,沈陽 110819)

基于輻射制冷和溫室效應(yīng),設(shè)計了一種無需主動能量輸入的溫差發(fā)電系統(tǒng):夜間利用輻射制冷降低熱電模塊的冷端溫度,白天利用溫室效應(yīng)增加熱端溫度,以提高冷熱端溫差,達(dá)到全天候無間斷的發(fā)電效果.實驗研究了熱電模塊冷熱端溫差隨時間的變化及其受環(huán)境濕度的影響.在中國陜西的夏季實驗測量和分析結(jié)果表明:輻射制冷使熱電模塊冷熱端在夜間維持約1.1 ℃的溫差;溫室效應(yīng)可使熱端溫度比環(huán)境溫度高出13.9 ℃;環(huán)境濕度在20%和45%的條件下,熱電模塊冷熱端的全天平均溫差分別為1.9 ℃和1.6 ℃,表明20%的環(huán)境濕度條件下該系統(tǒng)具有更好的發(fā)電性能.本裝置實現(xiàn)了全天候的被動能量輸出,在離網(wǎng)區(qū)域電力供應(yīng)等方面具有潛在的應(yīng)用前景.

1 引言

電能已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中人們賴以生存的基礎(chǔ),然而目前中國仍舊存在較大的電力缺口.在電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū),離網(wǎng)電能成為主要的供電方式,但是一些戶外設(shè)備,如野外監(jiān)控器的持續(xù)供電仍舊存在一定的困難.目前,離網(wǎng)電能主要包括鉛酸電池、移動電源和戶外光伏儲能式電源,但它們都存在明顯缺點(diǎn)或不足:鉛酸電池能量占比低、制造過程容易污染環(huán)境;移動電源充電不方便、價格昂貴、損耗較大;戶外光伏儲能式電源無法在夜間使用.因此,便攜、無污染、可持續(xù)供電設(shè)備的開發(fā)具有十分重要的研究意義.

早在20 世紀(jì)60 年代,人們就已經(jīng)將溫差發(fā)電機(jī)投入實際使用[1].由于在工作過程中不存在機(jī)械振動,溫差發(fā)電裝置一般具有較好的可靠性和耐久性,目前的研究重點(diǎn)在于如何提高其發(fā)電功率.提升發(fā)電功率的策略主要有兩種:第一種是開發(fā)新型的熱電材料[2],提高熱電轉(zhuǎn)化性能;第二種是增大熱電發(fā)電機(jī)冷熱端的溫差,從而提高能量轉(zhuǎn)換效率[3].本文針對于如何提高冷熱端溫差進(jìn)行研究.強(qiáng)化溫差發(fā)電機(jī)熱電模塊的熱端(下文簡稱熱端)與熱源、熱電模塊的冷端(下文簡稱冷端)與冷源之間的熱交換,都是增大冷熱端溫差的有效方法.傳統(tǒng)的強(qiáng)化冷端與冷源熱交換的方法包括被動風(fēng)冷[4]、主動風(fēng)冷[5]和主動水冷[6],但缺點(diǎn)也非常明顯:被動風(fēng)冷受限于設(shè)備空間,主動風(fēng)冷和主動水冷則因其消耗能量而降低了整體的效率.因此,為了同時滿足空間和能耗需求,尋求不需要能量輸入的被動冷卻技術(shù)顯得尤為必要.

被動輻射制冷[7-10](passive radiative cooling,PRC)是近年來新興的一種制冷方法.該制冷方法無需額外能量輸入,具有成本低、實用性高、無污染等特點(diǎn)[11-16],因此受到了全球?qū)W者的廣泛關(guān)注.輻射制冷的基本原理是利用大氣層對波長為8—13 μm (“大氣窗口”)的紅外線具有良好的透射率,通過增強(qiáng)發(fā)射表面在該波段范圍的發(fā)射率,從而促進(jìn)地表物體(溫度約 300 K)和冷源太空(溫度約 3 K)之間的輻射換熱,達(dá)到為地表物體降溫的制冷效果.目前,輻射制冷已經(jīng)成功地應(yīng)用于建筑制冷[17-19]、個人熱管理[20-22]、太陽能電池散熱[23-25]等諸多領(lǐng)域,但是其在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步[26-28].

2019 年,Zhan 等[26]采用30—40 μm 厚的多孔氧化鋁薄膜以增強(qiáng)輻射制冷效果,研究結(jié)果表明當(dāng)熱端溫度處于150—250 ℃范圍內(nèi),多孔氧化鋁薄膜的引入可以將熱電系統(tǒng)的輸出功率提高55%—70%.同年,Raman 等[27]構(gòu)建了溫差發(fā)電裝置的能量守恒模型,證實了夜間的輻射制冷效應(yīng)可使溫差發(fā)電裝置實現(xiàn)連續(xù)供電.他們在鋁盤上鍍上發(fā)射率約0.95 的黑漆涂層作為輻射制冷材料來降低冷端溫度,熱端溫度為環(huán)境溫度.實驗結(jié)果表明在18:00 到24:00 時間范圍內(nèi),冷熱端的最大溫差可以達(dá)到2 ℃,熱電裝置可以獲得最大功率為25 mW/m2.Mu 等[28]設(shè)計了一種SiO2/Si3N4多層薄膜結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在大氣窗口波段范圍內(nèi)具有較高的發(fā)射率,在太陽光和近紅外波段范圍內(nèi)具有較高的反射率.他們利用該薄膜結(jié)構(gòu)的輻射制冷效應(yīng)對熱電設(shè)備的冷端進(jìn)行冷卻以實現(xiàn)全天連續(xù)發(fā)電的目的.實驗結(jié)果表明,他們的裝置可以獲得4 ℃的最大溫差,0.5 mV 的最大輸出電壓,以及0.18 mV 的全天平均輸出電壓.以上工作[26-28]是目前輻射制冷應(yīng)用于溫差發(fā)電僅有的文獻(xiàn)報道,從上述描述可知目前利用輻射制冷進(jìn)行溫差發(fā)電的研究工作仍舊存在諸多不足:文獻(xiàn)[26]報道的工作仍舊需要高溫?zé)岢烈跃S持熱端溫度,無法實現(xiàn)零能量輸入的溫差發(fā)電;文獻(xiàn)[27]中的溫差發(fā)電裝置不要任何能量輸入,但是該裝置只能在夜間工作;文獻(xiàn)[28]實現(xiàn)了全天零能耗溫差發(fā)電,但由于冷熱端溫差較小,發(fā)電功率仍處于較低的水平,有待進(jìn)一步提升.

為了解決輻射制冷應(yīng)用于溫差發(fā)電應(yīng)用中的輸出不連續(xù)、發(fā)電功率低等問題,本文設(shè)計了一種結(jié)合輻射制冷和溫室效應(yīng)的溫差發(fā)電系統(tǒng).整個系統(tǒng)放置于室外環(huán)境中,白天利用溫室效應(yīng)使熱端溫度高于環(huán)境溫度,夜間利用輻射制冷效應(yīng)使冷端溫度低于環(huán)境溫度,實現(xiàn)全天候零能耗的溫差發(fā)電,克服了傳統(tǒng)光伏裝置和傳統(tǒng)輻射制冷裝置功能無法全天候工作的缺點(diǎn).

2 理論模型

本文利用輻射制冷效應(yīng)以降低熱電模塊的冷端溫度.輻射制冷結(jié)構(gòu)的制冷功率Pnet(T)可表示為[29]

式中,T為輻射制冷發(fā)射器溫度;Tamb為環(huán)境溫度;Prad(T)為發(fā)射器輻射功率,表示為

Patm(Tamb)為發(fā)射器吸收的大氣輻射功率,表示為

Psun為發(fā)射器吸收的太陽輻照功率,表示為

在(2)—(4)式中,A為輻射制冷結(jié)構(gòu)面積;ε(λ,θ)為輻射制冷結(jié)構(gòu)發(fā)射率;εatm(λ,θ)為大氣發(fā)射率;λ表示波長;Isun(λ)為太陽光譜輻照強(qiáng)度;IBB(T,λ)是溫度為T的黑體的光譜輻射強(qiáng)度,表示為

其中,h為表示普朗克常數(shù),kB為玻爾茲曼常數(shù),c為光速.(3)式中的大氣發(fā)射率表示為

其中t(λ)為垂直方向的大氣透射率.通過計算(2)—(4)式中的各項功率,代入到(1)式中并令制冷功率為零,即可得到輻射制冷結(jié)構(gòu)的平衡溫度.眾多研究[29-31]表明通過提高輻射制冷器件在大氣窗口范圍內(nèi)的發(fā)射率以提高其自身輻射功率Prad,輻射制冷器件可以達(dá)到顯著低于環(huán)境的平衡溫度,因此可以用來降低本文熱電模塊的冷端溫度.

類似地,本文通過在熱端鋪設(shè)溫室大棚,利用溫室效應(yīng)來提升熱電模塊的熱端溫度.選擇性溫室薄膜對可見光具有較好的透過率,因此在太陽輻照作用下,大量的可見光能量進(jìn)入到溫室并被內(nèi)部設(shè)置的金屬熱沉吸收,熱沉和熱電模塊的熱端緊密連接從而提高熱端溫度.同時,溫室薄膜對紅外輻射則具有較強(qiáng)的吸收率,因此不斷吸收紅外輻射維持在較高溫度,進(jìn)一步強(qiáng)化了溫室內(nèi)部溫度[32].因此,本文熱端構(gòu)建溫室大棚的溫室效應(yīng)可以有效地提高熱電模塊的熱端溫度.

3 實驗裝置

該設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,實物圖如圖1(b)所示.整個實驗裝置的支撐結(jié)構(gòu)為木質(zhì)框架,外附隔熱泡沫,最外層覆蓋有鋁化聚酯反射膜的隔熱反射外殼,以抑制對太陽輻照能量的吸收.熱電模塊的冷端和輻射制冷結(jié)構(gòu)連接并面朝天空放置;熱端和導(dǎo)熱性能良好的鋁塊及鋁翅片連接,整個鋁制支撐結(jié)構(gòu)位于具有溫室效應(yīng)的大棚薄膜內(nèi).

圖1 基于輻射制冷-溫室效應(yīng)溫差發(fā)電系統(tǒng) (a)示意圖;(b) 實物圖Fig.1.Thermoelectric system based on radiative cooling and greenhouse effects:(a) Sketch;(b) real setup.

3.1 輻射制冷結(jié)構(gòu)的光譜特性

目前,多種微納結(jié)構(gòu)[33-35]已被證實具有顯著的輻射制冷效果.本文選取我們之前設(shè)計摻雜SiO2顆粒的丙烯酸溶液的薄膜涂層[36]作為輻射制冷材料.該涂層具有制作流程簡單、原料成本低等優(yōu)點(diǎn),具體制作方式如下:在助溶劑的作用下,將固態(tài)丙烯酸樹脂熔成液態(tài),再將直徑4 μm、體積分?jǐn)?shù)6%的SiO2顆粒隨機(jī)混合到液態(tài)丙烯酸樹脂中,得到SiO2/丙烯酸混合物,利用旋涂法將這一混合物涂于尺寸為120 mm × 90 mm 的高導(dǎo)熱反射銅板上,在自然蒸發(fā)干燥條件下形成厚度為70 μm 的薄膜涂層.覆蓋該制冷薄膜的銅板如圖2(a)所示,SiO2/丙烯酸薄膜的電子顯微照片如圖2(b)所示,可知SiO2顆粒在丙烯酸樹脂中分布較為均勻,有助于提高該薄膜在大氣窗口波段的發(fā)射率.該涂層材料在大氣窗口范圍內(nèi)的光譜發(fā)射率如圖2(c)所示,其平均發(fā)射率為0.94,因此能夠顯著提升其自身輻射功率,從而具有較好的輻射制冷效果.

圖2 輻射制冷結(jié)構(gòu) (a) 實物圖;(b) SiO2/丙烯酸薄膜的電子顯微圖;(c) 大氣窗口范圍內(nèi)的光譜發(fā)射率Fig.2.Radiative cooling structure:(a) The real structure;(b) the electron micrograph of the SiO2/acrylic film;(c) the spectral emissivity within the atmosphere window.

3.2 大棚溫室材料性能

選取厚度為0.12 mm 的商用PO (polyolefin)薄膜作為大棚溫室材料,利用溫室效應(yīng)來增加熱端溫度.在太陽輻照較強(qiáng)的白天,強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)促使熱端溫度高于環(huán)境溫度.但是在太陽輻射較弱的時間段或夜晚時段,溫室薄膜的設(shè)置有可能對熱端溫度的提高產(chǎn)生負(fù)面效果,因此需要驗證圖1 中大棚溫室材料的設(shè)置對熱端溫度的影響,以確定是否全天設(shè)置該溫室材料.

由于市面上的商用熱電模塊型號較為多樣,本文以冷熱端溫差作為發(fā)電能力的主要標(biāo)準(zhǔn).將K 型熱電偶貼合于冷熱端表面,對其進(jìn)行溫度的測量;把另一熱電偶置于裝置所處的環(huán)境中以測量環(huán)境溫度;所使用的熱電偶的檢測精度為 ± 0.3 ℃.利用ET-59 型數(shù)據(jù)采集儀對溫度進(jìn)行采集,采集間隔為2 min;采用濕度計獲取實驗時的環(huán)境濕度.

圖3(a) 2020 年6 月17 日至18 日熱端溫度、環(huán)境溫度和溫差的分布;(b) 6 月18 日8:00—12:00 時間段內(nèi)熱端溫度低于環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布Fig.3.(a) Distributions of the hot side temperature,ambient temperature,and the temperature difference during June 17—18,2020;(b) data points at which the hot end temperature is lower than the ambient temperature during the time from 8:00 to 12:00 on the day of June 18,2020.

2020 年6 月17 日至18 日,在陜西省榆林市(38.90°N,110.47°E)對該發(fā)電裝置進(jìn)行測試,當(dāng)天的平均相對濕度為31%.圖3 給出了位于溫室棚內(nèi)的熱端溫度與環(huán)境溫度的變化曲線對比圖.由溫度記錄結(jié)果可知,溫室棚的設(shè)置使得熱端溫度在大多數(shù)時間高于環(huán)境溫度,尤其是在18 日12:00—17:00 時間段內(nèi),熱端和環(huán)境溫度的最大溫差為13.9 ℃.在測量時間范圍內(nèi),有24 個數(shù)據(jù)記錄時間點(diǎn)對應(yīng)的熱端溫度略低于環(huán)境溫度:1 個記錄點(diǎn)處于17 日22:00 時刻,其余記錄點(diǎn)均位于在17 日8:00—11:00 時間段內(nèi);其中10 個時間點(diǎn)對應(yīng)的熱端溫度和環(huán)境溫度的溫差在1.0 ℃之內(nèi).由于溫室大棚會阻礙熱端與環(huán)境的換熱,在早晨太陽升起的時間段,熱端的溫升速率慢于環(huán)境的溫升速率,導(dǎo)致了熱端溫度低于環(huán)境溫度的情況.圖3 所示的結(jié)果表明:僅僅在早晨太陽剛出現(xiàn)的時間段內(nèi),大棚薄膜的設(shè)置導(dǎo)致熱端溫度略低于環(huán)境溫度,因此覆蓋熱端的大棚薄膜適宜于全天使用.

4 性能分析和討論

4.1 發(fā)電功率的計算

根據(jù)熱電模塊的冷熱端溫差,通過塞貝克公式可得負(fù)載匹配條件下以冷端結(jié)構(gòu)面積為基準(zhǔn)的最大功率為[37]

式中,n=127 為熱電模塊熱電偶的個數(shù);α=210.769 μV/K 為熱電模塊的賽貝克系數(shù);Th為熱端的溫度;Tc為冷端的溫度,單位為K;R=0.007 Ω為熱電模塊內(nèi)單個熱電偶的電阻;A=0.0108 m2為冷端材料面積.

4.2 全天工作情況

于2020 年6 月19 日至21 日期間,對該裝置冷熱端溫度進(jìn)行了連續(xù)測定,結(jié)果如圖4 所示.其中19—20 日的平均相對濕度為20%,20—21 日的平均相對濕度為45%.由圖4(a)可知:從19 日18:00 時刻到20 日07:00 時刻,該裝置冷熱端溫度隨著時間的推移均逐漸降低,但冷端溫度始終低于熱端溫度,溫差維持在1.1 ℃左右.說明輻射制冷材料的使用,可使熱電模塊的冷熱端具有穩(wěn)定的溫差,進(jìn)而使熱電模塊保持有效的輸出功率.由于裝置冷端和環(huán)境之間的對流耗散沒有采用特殊的抑制措施,因此冷熱端溫差還有進(jìn)一步提升的空間.該穩(wěn)定的冷熱端溫差驗證了僅僅采用簡單的輻射制冷材料,即可以在夜間獲得連續(xù)穩(wěn)定的溫差.隨著時間的推移,在20 日07:00 之后,由于環(huán)境溫度的升高,該裝置冷熱端溫度均逐漸升高.在11:00之后,熱端溫度在溫室效應(yīng)的作用下顯著升高,增大了冷熱端溫差,該溫差在20 日13:30 達(dá)到最大值為10.3 ℃,此時該系統(tǒng)的理論發(fā)電功率可以達(dá)到1979.4 mW/m2.冷熱端溫度在20 日14:00 之后開始逐漸下降直到當(dāng)天18:00,至此形成一個持續(xù)時間為24 h 的測量周期.在接下來的測量周期內(nèi),即20 日18:00 之后的溫度分布曲線和前一個周期的時間分布類似,但是由于濕度的差異,冷熱端溫度所達(dá)到的最大值略有降低.對圖4(a)所示的實驗測量數(shù)據(jù)分析表明,19—20 日全天冷熱端平均溫差為1.9 ℃,理論發(fā)電功率為67.4 mW/m2,20 日12:00 到17:00 時段內(nèi)的冷熱端溫差明顯高于其他時段,該時間段內(nèi)平均溫差為4.6 ℃,理論發(fā)電功率為394.8 mW/m2,如圖4(b)所示.圖4 所示的結(jié)果表明,在輻射制冷和溫室效應(yīng)的協(xié)同作用下,該裝置可以在連續(xù)24 h 測量周期內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的冷熱端溫差,也就是說該裝置可以實現(xiàn)全天候、零能耗的發(fā)電功率輸出.

圖4(a) 2020 年6 月19 日至21 日熱電模塊的冷熱端溫度和溫差;(b) 熱電模塊冷熱端溫差在2020 年6 月20 日12:00 到17:00 時間段內(nèi)的分布Fig.4.(a) Temperature of the hot and cold sides of the thermoelectric generator,as well as the temperature difference during June 19—21,2020;(b) temperature difference between the time of 12:00 and 17:00 on June 20,2020.

4.3 環(huán)境濕度的影響

環(huán)境濕度會影響大氣的透射率,從而影響輻射制冷效果.為了分析環(huán)境濕度對該裝置性能的影響,對比19—20 日及20—21 日的測量結(jié)果如圖5所示,圖示濕度20%為19—20 日的平均濕度,濕度45%為20—21 日的平均濕度.由圖5 可知,在00:00 到07:00 時間段內(nèi),平均相對濕度為45%的環(huán)境下平均溫差為1.0 ℃,平均相對濕度為20%的環(huán)境下平均溫差為1.1 ℃,提高了10%.說明在濕度較高的環(huán)境下輻射制冷的性能雖會降低,但仍能獲得穩(wěn)定連續(xù)的冷熱端溫差.在平均相對濕度為45%的環(huán)境下,冷熱端全天平均溫差為1.6 ℃,理論發(fā)電功率為47.8 mW/m2;當(dāng)環(huán)境平均相對濕度降低到20%時,全天平均溫差升高18.8%達(dá)1.9 ℃,理論發(fā)電功率提升40.8%至67.4 mW/m2.圖5 所示的結(jié)果表明:該系統(tǒng)在兩種不同的濕度條件下均能實現(xiàn)穩(wěn)定的冷熱端溫差和有效輸出功率,但在環(huán)境濕度20%的條件下具有更好的發(fā)電性能.這是由于環(huán)境濕度對裝置冷端發(fā)射器具有較大的影響:當(dāng)環(huán)境濕度較大時,大氣中較高的水蒸氣降低了大氣窗口波段的大氣透射率,減弱了輻射制冷的效果,因此本文裝置在較低濕度條件下表現(xiàn)出更好的發(fā)電性能.

圖5 不同環(huán)境濕度條件下溫度對比 (a)冷熱端溫度分布;(b) 溫差分布Fig.5.Temperature comparisons under different ambient humidity:(a) Temperature of the cold and hot ends of the thermoelectric module;(b) temperature difference.

5 結(jié)論

本文綜合利用輻射制冷和溫室效應(yīng),設(shè)計了一種全天候、零能耗熱電系統(tǒng).通過對熱電模塊冷熱端溫度進(jìn)行測量和分析,得到如下結(jié)論:

1) 輻射制冷材料可以使該系統(tǒng)的熱電模塊冷熱端在夜間獲得穩(wěn)定的溫差,溫室大棚可以有效地提高了日間的冷熱端溫差,因此該系統(tǒng)不需要任何主動能量輸入并能夠獲得全天候無間斷的輸出功率.如若能夠進(jìn)一步提高大棚內(nèi)部對太陽輻射的吸收率,則能夠使熱端溫度達(dá)到比現(xiàn)有更高的水平;

2) 在中國陜西環(huán)境濕度為20%的夏季,該系統(tǒng)的熱電模塊冷熱端的全天平均溫差為1.9 ℃,平均功率為67.4 mW/m2,在12:00 到17:00 時段范圍內(nèi)該裝置的冷熱端平均溫差為4.6 ℃,平均功率為394.8 mW/m2,最大溫差可達(dá)10.3 ℃,對應(yīng)的最大功率為1979.4 mW/m2;

3) 由于環(huán)境濕度對大氣透射率的影響,當(dāng)環(huán)境平均濕度從45%降低到20%時,熱電模塊的冷熱端全天平均溫差從1.6 ℃升高到1.9 ℃,全天平均功率從47.8 mW/m2提高到67.3 mW/m2.