一种基于分波段的逆向差别光路光热复用装置的制作方法

1.本技术属于光学和热学领域，涉及一种基于分波段的逆向差别光路(reverse different light way)的光热复用装置。


背景技术：

2.辐射制冷就是利用物体的本征热辐射将物体降低至环境温度以下而无需任何能源输入的制冷方式。任何温度高于绝对零度的物体都将自发的向外界辐射出电磁辐射。由于其对环境友好的零排放特性，近年来一直都是研究的热点。
3.辐射制冷技术的实现需要满足两点基本的要求：
4.(1)辐射制冷薄膜需要对太阳能波段(300nm
‑
2500nm)能量具有接近单位1的反射率。
5.(2)辐射制冷薄膜需要在大气窗口波段(8μm
‑
14μm)具有接近单位1的发射率。
6.其在实际中可制成制冷薄膜如公开号为cn209685670u、名称为“一种反射型辐射制冷薄膜”的中国实用新型专利中揭示一种反射型的辐射制冷薄膜，包括依次设置的涂布层、金属层、透明聚酯pet层、装贴胶和离型保护膜，所述涂布层包括有机类丙烯酸涂料和微米球体。关于辐射制冷的技术方案很多，但是它们都存在设计复杂、备困难、成本高、容易造成光污染、效率低等技术短板。
7.如公开号为cn105241081b，名称为“具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器”的中国发明专利中揭示一种具有白天集热和夜间辐射制冷功能的复合抛物面聚光集散热器，包括顶面敞口的箱体、复合抛物面聚光器、玻璃管和支架，所述箱体的内部形状为复合抛物面，所述支架设置于所述箱体的四周，所述复合抛物面聚光器设置于所述箱体内，所述玻璃管沿所述复合抛物面聚光器的底部中心设置，所述玻璃管的两头分别设置为进水口和出水口，所述进水口和所述出水口均与所述箱体的外表面贯通，所述玻璃管的外表面镀有太阳能集热和辐射制冷复合涂层。该装置只能分时段的对太阳能和辐射制冷进行利用，无法同时进行。
8.又如公开号为cn110138277b，名称为“一种基于辐射制冷和高效吸收太阳能的温差发电装置”的中国发明专利中揭示一种依赖太阳能和黑体辐射制冷而形成温差进而发电的装置，其包括碳纳米颗粒薄膜、半导体温差发电片组件、辐射冷却薄膜、设置在半导体温差发电片组件下方的支撑柱和将太阳光反射到碳纳米颗粒薄膜下表面的反射式聚光器，半导体温差发电片组件包括由上至下依次布置的上绝缘导热板ⅰ、半导体热电器件、下绝缘导热板ⅱ；半导体热电器件两端之间依次连接有负载和数据采集仪；辐射冷却薄膜附着在上绝缘导热板ⅰ的上表面，碳纳米颗粒薄膜附着在下绝缘导热板ⅱ的下表面。该装置的辐射制冷端通过与外太空进行辐射换热，从而达到更低的温度，可低于环境温度十余度，使半导体热电器件的两端形成较大的温差、电压，解决了传统热沉与环境单位时间内换热量较小的问题。该方式下温差发电机虽然实现了同时对太阳能和辐射制冷的“冷能”的利用，但是，辐射制冷薄膜的效率底下，辐射制冷发出的大角度热辐射无法顺利透过大气层，因此对辐射
制冷功率的贡献很小。
9.也可利用辐射制冷和太阳能复合利用的方案：如2014年发表在optica上的文章《radiative cooling of solar cells》介绍了一种利用二氧化硅三维光子晶体制备的太阳能覆盖面板，面板能够增强在保证太阳能电池吸光的前提下增强表面的红外大气窗口发射率，从而降低太阳能电池的工作温度，提升太阳能电池的工作效率，延长太阳能电池的寿命。该方案中太阳能电池虽然比不加辐射制冷薄膜时温度要低，但是，整体的温度依然高于环境温度，并且应用场景受限。
10.归纳起来，上述列举的方案存在如下问题：
11.1)传统的太阳能和辐射制冷复用方案，只能分时段的对太阳能和辐射制冷进行利用，比如只能在白天和黑夜对两者进行分别的利用，无法同时进行，能源转化效率低。
12.2)设计复杂、备困难、成本高、容易造成光污染、效率低等技术短板。
13.3)难以很好的在太阳能电池等场景下进行实际运用。
14.4)辐射制冷薄膜存在发射角的问题，在大发射角的情况下的制冷效率底下，辐射制冷发出的大角度热辐射无法顺利透过大气层，因而对辐射制冷功率的贡献很小。


技术实现要素：

15.为克服上述缺陷点，本技术的目的在于：解决传统的太阳能和辐射制冷复用方案中无法通过器件同时实现对太阳能热源以及红外热辐射制冷冷源的使用。
16.为实现上述目的，本技术采用的技术方案：
17.一种基于分波段的逆向差别光路光热复用装置，其特征在于，包括：
18.分波段逆向差别光路元件、中红外辐射制冷器及太阳光转换器，
19.所述分波段逆向差别光路元件配置于所述中红外辐射制冷器和太阳光转换器的上方侧，用以对入射的太阳光波段电磁波进行收束聚焦以及对中红外辐射制冷器发射的中红外波段电磁波进行收束聚焦，
20.所述中红外辐射制冷器与太阳光转换器之间设有空腔。设置空腔以防止两者之间进行热传导。这样的设计实现了太阳能热源和辐射制冷的冷源同时、高效的利用。
21.优选的，该基于分波段的逆向差别光路光热复用装置，其特征在于，还包括：
22.支架，其用于固定所述分波段逆向差别光路元件使其不与中红外辐射制冷器及太阳光转换器接触。
23.优选的，该分波段逆向差别光路元件呈球面形状，或，
24.所述分波段逆向差别光路元件呈非球面的半包围结构。
25.优选的，所述太阳光转换器的整体面积小于中红外辐射制冷器的面积，且太阳光转换器设置于中红外辐射制冷器中心区域。若已知中红外辐射制冷器的面积的情况下，空腔横截面积约为中红外辐射制冷器面积的10％～20％。
26.优选的，该分波段逆向差别光路元件包括：内侧和外侧两个光学表面，
27.太阳光从外侧向内侧传播时的光路与红外光从内测向外侧传播的光路不同。
28.优选的，该分波段逆向差别光路元件的材料选自硒化锌、聚乙烯、氧化铪、氟化钡中的至少一种或其组合。
29.优选的，该分波段逆向差别光路元件选自普通透镜、菲涅尔透镜或为具备微纳结
构的超透镜。
30.优选的，该分波段逆向差别光路元件具备在全波段有一定的透过率，且在太阳波段和中红外波段都具有光焦度。
31.优选的，该超透镜包括：具有微纳结构的超表面，所述超表面包括：基底，所述基底的一侧配置有上表面，所述上表面，其用以对入射的太阳光波段电磁波进行收束聚焦，相对所述上表面的另一侧配置有下表面，所述下表面，其用以对中红外辐射制冷器发射的中红外波段电磁波进行收束聚焦。
32.优选的，该太阳光转换器，为太阳能电池或者太阳能热板。
33.有益效果
34.与现有技术相比，本技术实施方式中的装置，通过光学设计实现了太阳能热源和辐射制冷的冷源同时、高效的利用。极大的简化了辐射制冷的设计流程，在设计太阳光谱波段的反射性能要求降低，仅需满足中红外高发射的条件就可以达到辐射制冷的目标。通过分波段逆向差别光路元件收束了发散的红外发射角，缩短了中红外电磁波通过大气的路程，有效提升了辐射制冷的功率。
附图说明
35.图1为本技术实施例的基于分波段的逆向差别光路(rdlw)光热复用装置的示意图；
36.图2本技术实施例的运用红外透镜的光热复用装置示意图；
37.图3本技术实施例的运用超表面结构的光热复用装置示意图；
38.图4本技术实施例的超表面结构示意图；
39.图5本技术实施例的光热复用装置的底部截面示意图；
40.其中，附图中：1、分波段逆向差别光路元件，2、中红外辐射制冷器，3、太阳光转换器，4、空腔，5、中红外辐射制冷器发射的中红外电磁波，6、太阳波段的电磁波，7、红外透镜，8、支架，9、超表面，10、超表面的上表面，11、基底，12、超表面的下表面。
具体实施方式
41.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
42.本技术提供一种基于分波段的逆向差别光路光热复用装置，该装置包括：分波段逆向差别光路元件、中红外辐射制冷器、太阳光转换器，分波段逆向差别光路元件置于中红外辐射制冷器和太阳光转换器的上方，使用支架使其悬空，避免和下方部件接触产生热传导的情况；下方的中红外辐射制冷器与太阳光转换器之间设有空腔，防止两者之间进行热传导。分波段逆向差别光路元件可以呈球面形状，也可以根据需求设计成为非球面的半包围结构。分波段逆向差别光路元件分为内侧和外侧两个光学表面。太阳光从外侧向内侧传播时的光路与红外光从内测向外侧传播的光路是不同的，这样的元件称为分波段逆向差别光路元件。该元件的材料可以选择为硒化锌、聚乙烯、氧化铪、氟化钡中的至少一种或其组合。元件的类型可以为普通的透镜，也可以为菲涅尔透镜，或者为具备微纳结构的超透镜，
具备在全波段有一定的透过率，且在两个波段(太阳波段和中红外波段)都具有光焦度。
43.太阳光转换器，为太阳能转换为热能或者电能的元件，主要为太阳能电池或者太阳能热板。
44.太阳光转换器设置于中红外辐射制冷器中心处。太阳光转换器的面积必须覆盖分波段逆向差别光路元件的太阳光焦点，整体面积较小。中红外辐射制冷器整体占据面积较大；中红外辐射制冷器作为热能转换红外光的元件，将自身热量通过大气透明窗口以电磁波的形式辐射到外太空，实现其温度低于环境温度。
45.半包围结构的分波段逆向差别光路元件将光热组合元件上方区域完全覆盖，之间通过支架或者其他方式将其固定，两者之间存在有小的间隙，阻止直接的热传导，此元件有一个重要的特点，对中红外和太阳波段的电磁波均有光焦度，且具备一定的透过率，使得这两个波段的电磁波均能穿透材料。平行入射的太阳光经过分波段逆向差别光路元件后聚焦于太阳光转换器，使原有的太阳光收束，聚焦照射在太阳能转换元件较小的区域上，并将太阳能转换为其他形式的能源进行输出。而处于外围的中红外辐射制冷器由于自身在中红外发射率较高的原因发出的各个方向的红外辐射经过分波段逆向差别光路元件将会准直收束于非常小的立体角内，从而使得所有热辐射都能够顺利的穿过大气窗口，最终达到提升辐射制冷效果的作用。
46.值得特别说明的是，由于太阳光经过分波段逆向差别光路元件全部集中于太阳光转换器区域，故而在中红外辐射制冷器上是基本没有太阳能量的。因此，中红外辐射制冷器的在太阳波段低吸收率的设计要求就能够获得很大简化，因为中红外辐射制冷器不需要屏蔽太阳能量，上方的分波段逆向差别光路元件已经将原有的太阳能量转移了，只需要达到在红外大气窗口波段实现高发射的目标即可。这极大的简化了中红外辐射制冷器的制备，并且不会降低辐射制冷的效果。
47.接下来结合附图来描述本技术实施例提出的光热复用装置。
48.如图1所示为基于分波段的逆向差别光路的光热复用装置的示意图，
49.该装置包括：
50.分波段逆向差别光路元件1、中红外辐射制冷器2及太阳光转换器3。
51.分波段逆向差别光路元件1置于中红外辐射制冷器2和太阳光转换器3的上方，利用支架8使其悬空，避免和下方部件接触产生热传导；分波段逆向差别光路元件1下方侧的中红外辐射制冷器2与太阳光转换器3之间设有空腔4，该空腔4以防止中红外辐射制冷器2与太阳光转换器3之间进行热传导。本实施方式中，支架8以不接触底部中红外辐射制冷器2、阻止热传导为准。
52.作为上述实施方式的变形，利用红外透镜7实现两个波段的角度调控，
53.将复用装置置于需要降温的物体上后，外部平行入射的太阳波段的电磁波6照射到装置上，通过透镜2聚焦收束能力使太阳波段的光聚焦在较小的范围内，也就是聚焦在下部元件中的中红外辐射制冷器2的位置，这部分太阳光能量可以用来收集热能供给，也可以通过太阳能电池板收集电能。
54.由待降温物体本身产生的热能传递给中红外辐射制冷器2后，由于中红外辐射制冷器本身在中红外的强发射能力，使热能转化为中红外的电磁波通过大气窗口传递到外太空中。本实施方式中，透镜采用红外材料，对本身各向异性的辐射器的发射角能起到一定的
收束作用，角度收束可以是中红外的电磁波尽可能以直射的形式在大气窗口传播到太空中，减少了云层的抵挡，从而最大化辐射制冷的效率。红外透镜7与下方中红外辐射制冷器2和空腔4的距离以透镜最优焦距为准。中红外辐射制冷器2和空腔4之间距离以不接触、阻止热传导为准。
55.作为图1实施方式的变形如图3和图4所示：基于分波段的逆向差别光路(rdlw)光热复用装置，使用超表面9替代红外透镜7，由于图1方案中运用到红外透镜来对两个波段的电磁波进行收束，但是由于波段范围较远，传统的红外透镜聚焦形式很难很好的调控这两个波段，因此可以采取超透镜(超表面9)来代替红外透镜7。超透镜为具有微纳结构的超表面，超表面是一种比较灵活、设计自由度高的调控电磁波的手段，来解决传统透镜对两个波段分别的收束的困难问题。超表面的上表面部分对入射的太阳光波段电磁波进行收束聚焦；超表面的下表面部分对中红外辐射制冷器发射的中红外波段电磁波进行收束聚焦。这样利用超透镜实现对光束聚焦的功能，同时满足双向双波段光路收束的效果。
56.下面结合图4来描述(双面)超表面的结构。
57.该超表面包括：基底11，基底11的一侧配置有上表面10，相对的另一侧配置有下表面12。该结构下，太阳光可从上方先经过超表面的上表面10到下方的结构，通过调控太阳波段的相位，可以使太阳光聚焦与下方的太阳光转换器上；下方由中红外辐射制冷器发出的中红外电磁波先从超表面的下表面透过，通过相位调控达到发射角收束的效果。
58.如图5所示，支架8支撑着分波段逆向差别光路元件使其悬空；中红外辐射制冷器2与太阳光转换器3之间设有空腔4，防止两者之间进行热传导。
59.上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。