辐射制冷玻璃增强光伏电池效率
辐射制冷玻璃增强光伏电池效率
辐射制冷玻璃是一种新型材料，它通过增强日间辐射冷却效应来降低光伏组件的工作温度，从而提高光伏电池的效率。本文将介绍这种新型玻璃材料的研究背景、实验方法、结果和应用前景。
研究背景
辐射冷却效应为利用大气窗口（AW）被动降低光伏组件的运营温度提供了一个有前景的解决方案。玻璃是一种众所周知的光伏组件前盖材料。虽然它在9–10微米处有一个降低整体发射率的低吸收共振，但在大气窗口中仍表现出相当好的发射率，这阻碍了其辐射冷却能力。通过调整玻璃表面，可以减轻这种影响。
研究内容
日间辐射冷却是一种物理现象，它提供了一种有效且被动的方法来降低任何通过位于8至13微米之间的大气透明窗口发射红外（IR）电磁辐射的设备的温度。它涉及任何面向晴朗天空的设备与3K寒冷宇宙之间以红外辐射形式进行的热交换（图1） 。
图1. 太阳辐照度（橙色）、大气透射率（蓝色）、散热器的理想发射率曲线（红色）以及室温下黑体的辐照度（虚线蓝色曲线）。
在本研究中，使用了尺寸为70 × 70 × 2 mm³的商业硼硅酸盐玻璃样品。通过在其外表面（在层压配置中朝向阳光的一面）进行干蚀刻，制造了光子晶体微结构，并在可见光和近红外热光谱范围内对其进行了表征。在玻璃样品的光学表征中，使用分光光度计（Instrument Systems）测量了300至1600 nm范围内的光谱反射率；使用珀金埃尔默（Perkin Elmer）的带有PIKE金积分球的FTIR光谱仪（Spectrum 3）测量了8至13 μm范围内的中红外光谱发射率。理论和实验均首次证明，这类结构可以降低玻璃在热光谱区域的反射率。
图2. 微观结构的扫描电子显微镜图像。
图3. 平板玻璃样品和结构化玻璃样品的测量发射率/吸收率光谱。
玻璃表面上如图2所示的周期性微圆柱图案，在我们的先前研究中已被解释为近红外光谱区域的抗反射层。微圆柱的制造方法在实验部分有详细描述。样品的发射率/吸收率覆盖了大气窗口（AW）光谱区域。图3显示了参考平板玻璃和结构化玻璃样品在大气窗口中的测量发射率/吸收率。图3清晰地展示了玻璃微结构化如何导致9.5微米处存在的最小吸收峰显著降低，该峰值被衰减到约90%的值。在8至13微米范围内，平均发射率为83.0%。
实验结果显示，平板玻璃的发射率为实验所得值，而微结构化玻璃的发射率则提升至95.21%。因此，可以强调指出，对玻璃进行结构化处理可使其在大气窗口范围内的发射率提高多达12.2%。如前所述，本文研究了将这些结构化玻璃用作光伏模块前盖的应用，因此，在可见光谱区域具有良好的光学性能至关重要。因此，还测量了结构化玻璃样品的光谱反射率，结果如图4所示。如图4所示，结构化玻璃样品显示出良好的宽带抗反射特性，在300至1100纳米范围内，平均反射率为5.2%。相比之下，平板玻璃在同一光谱范围内的平均反射率为7.2%。因此，在运行过程中，使用结构化玻璃封装的太阳能电池将比使用平板玻璃封装的太阳能电池吸收更多的光，因此，在没有其他制冷效果的情况下，前者的工作温度预计将升高。
图4. 平板玻璃和结构化玻璃在300至1200纳米范围内的光谱反射率。
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微机电系统（MMs）的温度，而且由于反射率的降低，其发电量也会增加。因此，这种结构化玻璃具有非常有趣的多功能特性：被动辐射冷却和抗反射性能。在上述段落中，提到了玻尔兹曼常数σ、玻璃的发射率ε以及样品温度T（以开尔文为单位）。然而，对于待分析的物体，即本案例中的玻璃样品，其发射率并非1，而是分别为0.83（平面玻璃）和0.95（结构化玻璃）。因此，有必要处理相机数据，生成图像中每个像素捕获的功率图。之后，通过调整玻璃样品所在区域的发射率，即可获得样品的真实温度。图5展示了所用样品的照片以及处理后的热成像结果。从图5b中可以看出，纹理产生了一个方形衍射区，并在红色背景上呈现出一个蓝色方形，这是由于结构化区域的有效发射率在热成像中发生了改变。
图5. a) 平面玻璃和b) 结构化样品的照片（左）和红外热成像（右）。
图6显示了光伏模块（PV MMs）在300至1200纳米范围内的光谱反射率测量结果。使用平面玻璃层压的光伏模块在晶体硅太阳能电池敏感光谱区域（300–1100纳米）内平均反射了5.5%的光线，而使用结构化玻璃层压的光伏模块在同一光谱区域内平均反射了3.5%的光线，表现出2.0%的改善。这一改善源于上一节所述的抗反射特性。
图6. 使用平面玻璃和结构化玻璃层压的光伏模块的光谱反射率。
在晴天时，天空晴朗，热辐射能够通过整个立体角上的大气窗口（AW）进入外部宇宙。因此，晴天时的辐射制冷性能更高，能够使用结构化玻璃层压的光伏模块（MM）冷却下来，如图10所示。在图11中，描绘了使用平面玻璃层压的光伏模块与使用结构化玻璃层压的光伏模块之间的温差，这里仅应用了太阳辐照度高于500W/m²的阈值。同时，还绘制了从2022年3月22日至9月15日每一天的太阳辐照度，共计37天。
图10. 春季晴天。光伏模块温度、环境温度和太阳辐照度的测量。
图11. 使用平面玻璃层压的光伏模块与使用结构化玻璃层压的光伏模块之间的温差，以及共计37个晴天时的太阳辐照度。
在所有实验日中，同时也记录了风速数据，但风速与温差之间并未发现直接的关系，得到的R²系数为0.28。因此，可以得出结论，两个样本通过对流方式实现了相似的冷却效果。在图1 2 中，除了温差和太阳辐照度之外，还以图示方式展示了一天的风速情况。
图12. 某晴天时的温差、太阳辐照度和风速。
在多云天气中，当云朵飘过天空时，它会将热辐射重新发射回样本，从而减少了有效向宇宙发射辐射的立体角，因此降低了冷却效果。然而，当天空再次放晴时，冷却机制会完全恢复。图1 3 展示了在总共60个部分多云天气里，光伏模块之间的温差和太阳辐照度的关系。在这种情况下，仍然获得了相当大的温差，当太阳辐照度高于500W/m²时，温差平均达到0.7°C，这对应于能量转换效率提高了0.24%。接下来，图1 4 展示了一个特定部分多云天的温差情况。可以观察到，当天空放晴（辐照度增加到1000W/m²）时，温差增大，在很长一段时间内，温差都超过了1°C。
图13. 总计60个部分多云天气里，光伏模块间的温差与太阳辐照度。
图14. 某部分多云天气中的温差与太阳辐照度。
图15展示了总共9天里，光伏模块（MMs）间的温差与太阳辐照度的关系，其中仅在天空放晴时，温差才略有增加。在其余的多云天气里，温差保持在0.1°C至0.5°C之间，与非结构化光伏模块（PV MM）相比没有温差。如果我们将这9天多云天气里的温差与太阳辐照度进行绘图（仅依据天气多云这一标准，如图16所示），会得到一个数据点分布广泛的云图（R²=0.34）。这些结果表明，当天空完全被云层覆盖时，辐照度与温差之间不存在相关性，因为热电偶的不确定性高于温差本身。在这段描述中，图15和图16分别展示了在多云天气条件下，光伏模块间的温差与太阳辐照度的关系。图15特别强调了即使在多云天气中，天空放晴时温差会有所增加，但在大部分多云天气里，温差保持在较小范围内。而图16则通过数据点的广泛分布，揭示了在天空完全被云层覆盖时，辐照度与温差之间缺乏明显的相关性，这可能是由于测量过程中热电偶的不确定性较大所致。
图15. 总共9天多云天气里，平面玻璃与结构化玻璃之间的温差及太阳辐照度。
图16. 多云天气下光伏模块（MMs）的温差与太阳辐照度的关系。
结论与展望
本研究针对在大气窗口（AW）内具有增强发射率的光伏模块（PV MMs）的户外热性能进行了研究，旨在通过日间辐射冷却被动降低其工作温度。在玻璃表面应用的微结构使其发射率从平面玻璃的83.0%提高到在大气窗口（8至13微米）内的平均值95.2%。发射率的这一提高，在晴朗天空条件下，使玻璃的温度降低了约3°C。鉴于这些具有高发射率玻璃的可能应用之一是作为太阳能光伏模块的前盖，我们测量了其光谱反射率，结果显示其具有宽带抗反射特性，在300至1100纳米的波长范围内，其绝对反射率比平面玻璃低2%。这些结果证明了多功能特性，不仅表现出被动冷却效应，还具有良好的抗反射性能。