《Solar Energy》：An integrated bifunctional reflector for simultaneous solar concentration and radiative cooling: comprehensive performance validation and analysis
编辑推荐：
双功能反射器结构通过集成液压回路实现被动辐射冷却与聚光功能协同，二维热模型验证显示平均冷却能力达701.2 W/m2，年冷却量可达需求191.7%，有效缓解干旱地区CSP系统用水与能耗瓶颈。
作者：郝宇西、张涵、李沐军、陈立峰、胡天翔、王启亮、裴刚
中国科学技术大学热科学与能源工程系，安徽
摘要
在干旱地区，冷却仍然是抛物槽式聚光太阳能热发电（CSP）系统的关键瓶颈。传统的湿式冷却受到水资源短缺的限制，而干式冷却则会导致较大的附加功耗。为了解决这一挑战，本文提出了一种集成的双功能反射器结构，用于抛物槽式集热器系统。该结构通过后侧的水力循环实现被动散热，利用辐射天空冷却和环境对流进行散热，同时保持反射器的光学功能，无需额外占用土地。建立了一个二维分布式参数热模型来捕捉主要的辐射和对流热交换路径，并通过专用设备的室外实验进行了验证。然后使用该验证模型评估系统在各种运行和气候条件下的热性能，并推算其在电厂规模上的影响。结果表明，在典型运行条件下，该结构可提供平均701.2 W/m2的冷却能力，足以独立满足电厂冷凝器的冷却需求，这与典型的抛物槽式集热器系统的运行情况一致。从电厂层面的年度分析来看，在理想化的假设下（全场部署、充足的冷储存和连续运行），年度冷却供应量可以达到模型需求的191.7%，这意味着该双功能反射器结构有望在严酷气候条件下提高CSP电厂的整体效率和可持续性。
引言
不断增长的能源需求凸显了开发清洁能源的重要性，其中太阳能尤为突出。聚光太阳能（CSP）作为一种重要的可再生能源技术，其并网特性与传统电厂相当[1]。抛物槽式集热器（PTC）系统是应用最广泛的CSP技术，可以与传统电厂类似地并网运行，利用镜场将阳光集中到接收管上，加热工作流体，然后产生蒸汽驱动发电单元[2][3][4]。
目前的基于PTC的CSP电厂主要采用朗肯循环发电，废热排放显著影响整体系统性能[5]。这些系统中常见的冷却方法包括湿式和干式冷却。湿式冷却进一步分为开环和闭环两种，分别依赖于自然水源的直接使用或冷却塔[6]。然而，特别是在许多CSP电厂所在的干旱环境中，湿式冷却的高用水量是一个主要限制[7]。虽然干式冷却适用于水资源匮乏的地区，但它受到环境空气温度的限制，需要额外的风扇来有效散热，从而导致净功率损失[8]。综上所述，这些限制（即湿式冷却的高用水量、干式冷却的冷凝温度升高和风扇功耗）促使人们探索第三种解决方案——一种低用水量、低附加功耗的散热方式，以适应干旱气候下的CSP应用[1]。
辐射冷却（RC）提供了一种可再生且被动式的冷却方法[15][16][17]。通过选择具有特定光谱特性的材料，该方法利用“大气窗口”（8–13 μm）将红外热辐射高效传输到深空（约3 K）[18]。最小化其他热辐射带的吸收进一步提高了冷却效率[19]。这种无需外部功率输入的被动冷却方法对环境友好，在多个领域具有广泛的应用潜力，包括节能建筑[20]、光伏冷却[21]和能量收集[22]。研究人员正在探索将RC集成到CSP电厂冷却系统中，以解决传统湿式冷却带来的水资源短缺问题。例如，Mehdi Zeyghami的研究表明，RC可以补充干式冷却系统，提供高达135 W/m2的冷却能力[9]；Ablimit Aili等人提出使用辐射制冷辅助湿式冷却系统，从而将系统的水消耗量减少30%至90%[12]。尽管完全依赖RC可以实现100%的水资源节约，但达到最佳冷却温度可能具有挑战性，且仍可能需要较大的土地面积。另一项研究分析了辐射辅助湿式冷却，显示可节省40%至60%的水资源，尽管土地需求仍然是一个问题[13]。Dyreson和Miller的数值分析进一步强调了RC在CSP电厂中的潜力，表明一个与太阳能集热场大小相当的RC系统可以满足大部分年度冷却负荷[10]。尽管RC在节水方面具有巨大潜力，但迄今为止大多数针对CSP的RC集成方案仍依赖于专用辐射面板，这会增加额外的土地占用和基础设施成本。对于公用事业规模的电厂而言，这种土地竞争不容忽视，往往抵消了RC的部分实际优势[23]。
一个尚未充分利用的见解是，PTC反射器本身就可以作为有效的散热器：它们在光学设计上具有高太阳反射率，同时通过玻璃顶层表现出高中红外发射率。通过在反射器背面配备水力循环，镜场可以在不额外占用土地的情况下实现RC功能，同时继续其主要的聚光作用[2]。已有研究探索了这一潜力。例如，H. Espargilliere评估了反射器材料的冷却性能，发现RC可以满足电厂18%至24%的冷却需求[11]。张涵的研究进一步表明，槽式冷凝器反射器可以作为独立的冷却系统，甚至可以支持热电系统。通过仿真，这种方法实现了42%的成本降低和3.7%的效率提升[14]。
尽管之前的研究主要探讨了利用CSP反射器进行辐射冷却的潜力，但仍有三个未解决的问题阻碍了技术评估。首先，几乎没有关于实际可行系统架构的研究，包括如何将冷却回路集成到反射器背面以及相关成本，同时不影响正常太阳能场的运行。其次，现有模型很少考虑高温太阳能接收器与反射器之间的辐射耦合，尽管典型的运行温度（>200°C）可能会显著影响净辐射平衡和可获得的冷却通量[11][14][23]。第三，室外条件下的验证和情景级量化仍然有限，对环境、光学和运行因素的敏感性也未进行系统排序[24][25]。这些限制限制了研究的可重复性，无法明确评估反射器集成RC在电厂规模上的效益和运行范围。
在这项研究中，提出了一种双功能PTC配置，在反射器背板上集成水力循环，以实现同时的太阳聚光和被动散热。为此，建立了一个二维分布式参数热模型，明确考虑了双功能配置中的所有主要传热过程。该模型通过室外实验进行了验证，并证明了其高预测准确性。在此基础上，对环境、光学和运行参数进行了敏感性分析，并评估了全场部署下的年度电厂级情景。
系统配置、仿真模型和方法论
在本节中，假设PTC系统的镜面反射器作为RC源，提出了一种具有集成冷却功能的双功能反射器结构。提出了与双功能反射器RC系统集成的PTC基CSP电厂的配置，并开发了与双功能反射器RC系统相关的详细传热模型。模拟了双功能反射器结构的冷却性能，并建立了实验平台。
结果与讨论
基于验证的模型，本节研究了双功能反射器在实际运行条件下的冷却性能。详细分析了各种参数对双功能反射器结构冷却性能的影响，并评估了其实际应用潜力。此外，还分析了PTC系统的应用、集热性能、经济性和制冷潜力。
结论
本文提出了一种利用天空辐射冷却进行散热的新型双功能PTC反射器结构，并建立了该结构的完整传热数学模型。通过实验验证了该结构的可行性和仿真结果的可靠性。随后，在一系列环境、光学和运行参数下系统评估了该结构的冷却性能。
作者贡献声明
郝宇西：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。
张涵：撰写 – 审稿与编辑、软件、方法论、调查、形式分析。
李沐军：软件、调查。
陈立峰：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
胡天翔：撰写 – 审稿与编辑、方法论、形式分析。
王启亮：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、形式分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0506501）、中国科学技术大学创业计划（KY2090000162）以及中国科学技术大学多能源互补与转换联合研究中心的支持。
