微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究

发布时间：2020-10-27 14:03

　　 对人类生存与社会发展来说,能源是必要的物质基础。伴随着社会的发展和人们对于生活舒适性的不断追求,人类在能源方面的消耗量也越来越大。一方面,人类目前使用的绝大多数的能源,如煤、石油、天然气以及其他各种矿产资源属于不可再生的能源;另一方面,这些化石能源的大量燃烧会造成空气污染、温室效应等生态危害。目前,建筑耗能已占社会总耗能的40%以上,而在建筑耗能中最重要的一项就是空调、冰箱等制冷设备的消耗。辐射制冷在节约能源方面具有重要的作用,它被认为是21世纪最具有吸引力的概念之一。辐射制冷机制广泛地存在于自然界中,然而,对于普通的材料来说,辐射制冷十分低效。为了提高辐射冷技术的效率、降低辐射制冷的应用成本,本文提出了多种具有良好辐射制冷效果的微纳米粒子聚合物薄膜。本文通过米氏散射(Mie理论)计算出粒子的辐射特性,然后利用蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method,MCM)来求解微纳米粒子聚合物薄膜中的光路传输问题,在此基础之上,形成了一套微纳米粒子聚合物薄膜辐射特性的计算方法。本文分别对置于非吸收性介质与吸收性介质中的微纳米粒子的辐射特性进行了探讨,计算了非吸收性粒子系与吸收性粒子系的光谱辐射特性,并且分析了相应的辐射制冷功率。本文基于传统的Mie理论与MCM,研究了Al2O3、SiO2、TiO2微纳米粒子置于非吸收性介质中的光谱辐射特性以及相对应的辐射制冷的计算。本文通过模拟0.2~26μm波段的光谱辐射特性,探讨了微纳米粒子的粒径d、体积分数fv以及微纳米粒子聚合物薄膜的厚度h对制冷效果的影响,并对这些参数进行了优化。经优化,得到最具辐射制冷效果的结构是:SiO2+Al2O3微纳米粒子聚合物薄膜,该结构在0.2~4μm波段的平均反射率能达到0.75以上,在8~13μm波段的平均发射率能达到0.95以上,当该结构表面温度为300K时,白天的净功率能达到200.49W/m2,夜晚的净功率能达到204.13W/m2。本文基于广义的Mie理论与MCM,研究了介质的吸收性能对于粒子的辐射特性、吸收性粒子系光谱辐射特性以及辐射制冷的影响。广义Mie理论在一定的吸收指数与尺度参数范围内能够正确计算出吸收性介质中粒子的辐射特性参数。当介质的吸收指数较小时,传统Mie理论与广义Mie理论计算出来的吸收系数、散射系数并没有太大的差别;随着吸收指数的增大,吸收系数、散射系数以及散射相函数将会出现明显的差别。然而,当本文所研究的介质的吸收指数过大(1m￠≥0.05)或者过小(1m￠≤0.001)时,传统Mie理论与广义Mie理论计算出来的辐射特性参数对于MCM求解辐射传递方程均无太大的影响;只有当1m￠在0.005~0.01范围时,利用MCM求解得到的光谱辐射特性才会出现较为明显的差别。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TB66
【部分图文】：

的光路传输问题，即利用 MCM 来求解辐射传输问题。最后，本章 2.4 小了各部分辐射功率以及辐射制冷量的计算方法。理论模型以及大气传输特性理论模型课题的主要内容是微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究。辐射制冷在源方面具有重要的作用，它被认为是 21 世纪最具有吸引力的概念之一。外辐射制冷研究现状的分析中可知，生产成本高、辐射制冷效率低下、规模生产应用等问题的存在，限制了辐射制冷的发展空间。本文从这些发，研究了由聚合物和微纳米粒子复合而成的薄膜结构，结构原理图如1 所示。从图 2-1 中可以看出，该结构与外界进行的能量交换可以分为四：反射太阳光的能量、向外界辐射的能量、大气投射辐射的能量以及对热耦合而成的非辐射能量。前三部分能量与模型结构的选择性辐射特性关。Incoming

蒙特卡洛法模拟流程图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文射率 n、粒子系的吸收系数 mua、粒子系的散射系数 mus、散射相纳米粒子聚合物薄膜的厚度 h；输出的参数主要是薄膜的反射率、射率。其中，传统 Mie 理论计算程序是参考 Christian Maetzler 在的 Matlab 程序[66]。Reflection
【参考文献】

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本文编号：2858619