辐射制冷提升光伏效率？！

研究背景

工作温度的升高会降低光伏系统的效率和寿命。利用大气窗口(AW)，辐射冷却效应为被动降低光伏组件的工作温度提供了一种很有前景的解决方案。玻璃是一种众所周知的用作光伏组件前盖的材料。

虽然在9 ~ 10 μm处的低吸收共振降低了它的总发射率，阻碍了它的辐射冷却能力，但它在AW中表现出相当好的发射率。这种效果可以通过剪裁玻璃表面来减少。在这里，玻璃样品进行了微结构和表征，在AW波段，反射率降低，而发射率大幅增加。

接下来，将玻璃样品与太阳能电池层压在一起，安装在室外，没有任何对流屏障，并在开路配置下进行近半年的监测。这些天按三种气象条件分类:晴天、部分多云和阴天，这对应于AW可用性的减少。在晴天、部分多云和阴天，两个样本的平均温差分别为0.8、0.7和0.1°C。测得的最大温差为2.0℃。温差与风速之间没有相关性。

研究内容

在这项工作中使用了70* 70 *2mm3的商业硼硅酸盐玻璃样品。通过在它们的外表面(在层状结构中朝向阳光)进行干蚀刻，它们被微结构以创建光子晶体，并且它们在可见光和近红外热光谱范围内被表征。

在玻璃样品的光学表征中，利用分光光度计(仪器系统)测量了300 ~ 1600 nm的光谱反射率;利用派克金集成球的傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪测量了8 ~ 13 μm的中红外发射率。这是第一次从理论上和实验上证明这种结构降低了玻璃在热光谱区域的反射率。

相比之下，对于裸玻璃的温度可视化，在与太阳能电池层压之前，通过NEC的TH-7102WV相机获得了晴天环境温度(25°C)下样品的红外热像图。图1所示。太阳辐照度(橙色)，大气透过率(蓝色)，辐射器的理想发射率曲线(红色)，以及黑体在室温下的辐照度(蓝色虚线)。

图1. 太阳辐照度(橙色)，大气透过率(蓝色)，辐射器的理想发射率曲线(红色)，以及黑体在室温下的辐照度(蓝色虚线)。

图2. 测量了平板玻璃样品和结构玻璃样品的发射率/吸收率光谱。

图2显示了参考平板玻璃和结构玻璃样品在AW中测量到的发射率/吸收率。图2清楚地显示了微结构玻璃如何导致9.5 μm处的最小吸收峰大幅降低，衰减到约90%的值。平板玻璃的平均发射率在8 ~ 13 μm范围内为83.0%，微结构玻璃的平均发射率提高了95.21%。因此，可以强调的是，玻璃结构导致沿AW的发射率提高高达12.2%。

图3. 平板玻璃和结构玻璃在300 ~ 1200nm的光谱反射率。

如前所述，在这项工作中，研究了这些结构玻璃作为光伏组件前盖的应用，因此在可见光谱区域的良好光学性能至关重要。为此，我们还测量了结构玻璃样品的光谱反射率，如图3所示。

如图3所示，结构玻璃样品具有良好的宽带抗反射性能，在300 ~ 1100 nm范围内平均反射率为5.2%。相比之下，平板玻璃在相同光谱区域的平均反射率为7.2%。因此，在运行中，与结构玻璃层压的太阳能电池将比与平板玻璃层压的太阳能电池吸收更多的光，因此，在没有其他制冷效应的情况下，预计其工作温度会增加。 

从这些结果可以得出结论，使用这些玻璃作为前盖不仅可以降低mm的温度，而且由于其反射率的降低，其电产也会增加。因此，这种结构玻璃呈现出非常有趣的多功能特性:被动辐射冷却和抗反射特性。

平板玻璃的温度在21℃左右，而纹理玻璃的温度在18℃左右。这一结果表明，在室温下降低了3°C，这是一个相当大的温度降低。如果使用这种结构玻璃作为太阳能电池的前盖时，同样的温度降低将转化为光伏应用，那么太阳能MM的效率可以提高1%，并且可以延长组件的使用寿命约21%或超过五年半。因此，降低光伏组件工作温度的双重好处非常有吸引力。

结构玻璃的抗反射性能和玻璃发射率的增加，转化为太阳能电池工作温度的降低，增加了与结构玻璃层压的MM的电气性能。由于太阳光反射的减少，最大电流比平板玻璃的MM增加了2.93%;由于温度的降低，最大电压降低了1.58%，总功率相对增加了1.31%，填充系数比平板玻璃的MM提高了1.47%。

图4. 晴天玻璃样品的温差随太阳辐照度的变化

为了根据环境参数对PV mm的热性能进行更深入的分析，我们将温差绘制为太阳辐照度的函数，唯一的标准是辐照度高于500Wm-2(图4)。从图中可以看出，随着太阳辐照度的增加，温差的增加呈线性趋势。

其他热模型，如桑迪亚模块温度模型也显示了模块温度和辐照度之间的线性关系，包括一个取决于模块材料的因素。根据该模型，由不同材料构成的两个模块的温差也与辐照度呈线性关系。更具体地说，对于高于900 Wm-2的辐照度值，平均温差为1.0°C。

在此分析中需要考虑结构玻璃的抗反射性能。如前一节所示，用这种结构玻璃层压的太阳能电池比用标准平板玻璃层压的太阳能电池吸收更多的光。因此，在没有任何制冷作用的情况下，结构玻璃会达到更高的温度。

因此，如果没有抗反射特性，两个样品之间的温差会更大。同时记录了各试验日的风速，但风速与温差无直接关系，R2系数为0.28。

图5.一个晴天的温差、太阳辐照度和风速

因此，可以得出结论，两种样品的对流冷却方式相似。在图5中，除了温差和太阳辐照度外，还描述了一天的风速。

图6. 部分阴天mm温差与太阳辐照度的函数关系。

本例的相关分析结果(图6)表明，即使趋势仍然是正的，数据云的分布也更广(R2=0.34)，斜率也更低，这意味着被动辐射制冷量与晴天相比，如预期的那样平均下降。

阴天:被动辐射冷却效果最坏的情况是完全阴天。当天空完全被云覆盖时，发射的辐射无法进入AW，因此辐射冷却效应被取消。这一趋势可以在记录的温度数据集中清楚地看到。

图7.平板玻璃与结构玻璃的温差，以及太阳辐照度阴天共9天

图7显示了共9天的mm与太阳辐照度的温差，其中只有当天空变得晴朗时，温差略有增加。其余阴天的温差在0.1到0.5°C，与非结构化PV MM没有温差。

图8. 阴天mm温差与太阳辐照度的函数关系。

如果将9个阴天的温差与太阳辐照度作对比，应用多云天数的唯一标准(图8)，则得到一个广泛的数据云(R2=0.34)。这些结果表明，当天空完全被云层覆盖时，热电偶的不确定性大于温差，因此辐照度与温差之间不存在相关性。

结论与展望

这项工作提出了一项关于PV mm的室外热性能的研究，在AW中增强发射率，提供日间辐射冷却，以被动降低其工作温度。玻璃表面的微结构使其发射率从平板玻璃的83.0%提高到AW(从8到13 μm)的95.2%。

测量了其光谱反射率，显示出宽带抗反射特性，绝对反射率比平板玻璃低2%(平均从300到1100 nm)。该材料具有多种功能，不仅具有被动冷却效果，而且具有良好的抗反射性能。与结构玻璃层压的PV MM将在没有任何额外制冷过程的情况下提高其温度。

此外，对每种天气类型进行了温差与太阳辐照度的相关分析，通过R参数测量相关性降低。除了对可获得性进行分析外，还进行了风速与降温之间的关系分析，两者之间没有相关性。此外，由于温差在其行为上没有任何明显的变化，因此可以得出结论，结构在监测期间没有遭受任何相关的退化。

来源： 热辐射与微纳光子学