随着可持续能源需求的增长，人们不断探索创新的方式利用自然热力学资源。在地球表面，通过辐射冷却技术将热量散发到宇宙的过程，不仅可以实现被动降温，还可为能源收集提供新途径。尤其在夜间，当太阳能系统无法运行时，辐射冷却技术可弥补这一能源空白，为离网供电及远程传感器供能提供解决方案。然而，现有实验装置的功率密度通常仅能达到几十毫瓦每平方米，与理论上限相差甚远。主要原因包括系统设计不完善、热泄漏较高以及辐射光谱优化不足。本研究通过优化系统设计实现了350 mW/m²的夜间稳定发电密度，同时展示了利用高于环境温度的热源实现1000 mW/m²功率密度的可能性。相关成果以Nighttime electric power generation at a density of 350 mW/m2 via radiative cooling为题发表在Cell Reports Physical Science期刊。
图形摘要
寒冷的宇宙是可再生能源生产中经常被忽视的热力学资源。Assawaworrarit等优化了从地球表面到冷空间的能量收集系统，实现了350 mW/m2的功率密度，可用于离网发电。
图1 射冷却能源收集系统的工作原理与设计
(A)辐射冷却能源收集系统的示意图。黑色实线箭头表示向发射体输入和输出的热流。(B) 基于LOWTRAN中纬度冬季模型计算的大气向下辐射的光谱辐亮度，并与272K黑体辐射光谱进行对比。(C) 实验装置内部真空腔的组件示意图。(D) 最终实验装置的照片。
图2 制备的发射体的测量结果
(A, B) 制备发射体在不同入射角和偏振下的发射率光谱。(B) 中的小图展示了制备发射体的照片和分层结构。(C, D) 实验装置在2023年10月29日晚的温度与功率密度测量结果。
图3 本研究探索的各因素对功率密度的影响
(A–C)计算的功率密度随发射体面积的变化曲线，分别对应真空腔系统、气凝胶覆盖设计和泡沫绝缘设计。(D–F) 与(A–C)相应的优化发射率分布图，其中黑色表示发射率为1，白色表示发射率为0。
总结：本文通过设计优化，展示了辐射冷却技术在夜间能源收集中的潜力，作者提出并验证了一种基于辐射冷却的能源收集系统热力模型，揭示了提升功率密度的三个关键策略：选择高性能热电发生器、降低寄生热损失、优化发射体的光谱特性。通过实验验证，实现了350 mW/m2的稳定功率密度。这是目前基于环境热源的夜间发电领域中的最高纪录。同时探讨了利用高于环境温度的热源进一步提升功率密度的可行性，并通过实验展示了∼700 mW/m2的功率密度，理论计算显示温差增加至20°C时，功率密度可达1000 mW/m2。该研究的成果为开发更高效的辐射冷却能源收集技术提供了理论与实验支持，同时也展示了这一技术在实际应用中的广阔前景，例如为离网供电、传感器供能及日夜连续发电提供解决方案。
论文信息: Assawaworrarit S, Zhou M, Fan L, Fan S. Nighttime electric power generation at a density of 350 mW/m2via radiative cooling. Cell Reports Physical Science, 2024, 102362. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.102362
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