COMSOL在白天辐射制冷中的应用

周振贵 [1], 王昕 [1], 周军 [1], 胡彬 [1],
[1] 华中科技大学
Published in 2019

  随着人类日常活动对制冷需求的不断增加,传统散热系统不仅消耗大量的能量,而且产生过多的废热和CO2的排放。外太空作为温度只有3K的冷源,热量通过大气透明窗口可以产生显著的辐射散热,特别是在白天仍然可以实现零能耗的降温。白天辐射制冷功率Pcool (Tr )可以写成: Pcool (Tr )=Prad (Tr )-Patm (Tatm )-Psun-Pnonrad
  Prad (Tr )是材料辐射的能量,Patm (Tatm )是材料吸收大气辐射的能量,Psun是材料吸收太阳光的能量,Pnonrad是材料与环境通过传导对流交换的能量。   为实现高效的制冷功率,要求辐射制冷材料具有较高的大气窗口(8-13 µm)发射率和较低的太阳光(0.3-2.5 µm)吸收率。根据基尔霍夫定律,物体在不同波长下的发射率等于其吸收率。因此,可利用COMSOL Multiphysics计算材料的吸收光谱,从而计算材料的发射率。具体的,参考案例库中plasmonicwiregrating模型,采用波动光学模块和电磁波波长域物理场接口,分别计算TE和TM波入射的吸收光谱,最后取均值可得到不同波段下的吸收率。进一步地,通过参数化扫描可以实现材料结构的优化设计,进而获得最佳的发射率。最终,通过优化设计的材料光谱与实际测试光谱非常吻合,获得了低至0.004的太阳光谱吸收率,高达0.93的平均大气窗口发射率,以及92 W/m2的制冷功率,显著优于已有报道结果,这对于节能环保具有重要的意义。

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