【《太阳能光热和辐射制冷基础理论综述》3100字】

第第页共22页太阳能光热和辐射制冷基础理论综述目录TOC\o"1-3"\h\u6469太阳能光热和辐射制冷基础理论综述 14551.1.太阳能量光谱分布 18621.2.辐射制冷基本原理 2116971.3.纳米颗粒-Mie理论 3164181.3.1.米氏散射公式 3144701.3.2.Henyey-Greenstein相函数 5216041.4.辐射传输-辐射传递方程及求解方法 6299801.4.1.辐射传递方程 6275651.4.2.蒙特卡洛方法（MCM） 6太阳能量光谱分布太阳能作为一种可再生能源，其主要表现即为光线。地球生物所需能量主要来自于太阳能。自古以来，人们利用太阳光线进行物品晾晒、储存，现代人们更是利用其进行发电、发热。太阳以电磁波或者粒子的形式向外界辐射能量，即为“太阳辐射”。太阳辐射中约8%为紫外线、46.4%为可见光、45.5%为红外线，剩余部分可忽略不计。太阳光谱是一种波长不同的连续光谱，其中包括可见光、不可见光两部分。可见光波长范围为400~760nm，经三棱镜散射可分为红橙黄绿青蓝紫七色，集合起来则为白光。不可见光又可分为两种：波长大于760nm的称为红外线，位于红光之外，最大波长可达5300nm；波长290~400nm的称为紫外线，位于紫光之外区域。太阳光的数以万计的发射线与吸收线、宽阔的连续光谱，皆是极为丰富而珍贵的太阳信息宝藏。当太阳光穿过大气层时，通过与大气成分CO2、臭氧、水蒸气和气溶胶粒子等之间相互作用，会产生吸收、反射和散射效应，减弱了到达地面的太能量[11]。在进行太阳能量的计算时，通常将太阳认为是一个温度近似为5760K的黑体。通过分析太阳光谱能量分布，我们发现不同波段所含能量比例有所波动，在发射与反射的相关实际问题的研究中会产生一定影响。辐射制冷基本原理辐射制冷并非一个全新的概念。事实上，这个概念在1828年已经被Arago提出，曾被先人用于生产和生活。上世纪70年代前后对夜间辐射制冷材料的研究非常多。从上世纪50年代一直到本世纪初一直有国内外课题组在开展相关研究。在气象领域，辐射制冷也是被熟知的一个概念。辐射制冷和很多熟知的自然现象，例如霜冻、结露等有很大的关系。当然，白天辐射制冷的首次实现，还是斯坦福大学2014年的Nature。虽然大气在可见光波段是透明的，在红外波段并非透明的，其透射谱如上图所示。其中最重要的一个透明波段是8-13微米，也称大气窗口，因为该窗口和300K左右的物体的黑体辐射峰正好重合，因此地球辐射的主要部分，是从这个“窗口”中辐射到外太空的。因此，地球上对着天空的任意的表面，如果能够增加在大气窗口中的辐射，那么是有利于该表面降温的。需要注意的是，大气透明的假设是基于晴空的，如果有云层遮挡（阴雨天气），则大气窗口可以完全被挡住，因此无法产生辐射制冷效果。图SEQ图\*ARABIC1辐射制冷示意图将问题简化为上图传热系统。Pcool表征系统在特定天气下的辐射制冷性能的指标。PcoolPradTPatmTPsunTPnonrad=h上图为半透明参与性介质（大气）的辐射换热系统。表面会接收太阳辐射Psun，大气辐射Patm，同时向外发射能量Prad，除辐射外，该表面还会通过热传导、热对流与环境进行非辐射换热Pnonrad。因此从辐射制冷的角度来说，我们希望Psun应当尽可能的小，因此该表面应尽可能少的吸收太阳光谱内的可见光，尽可能增加大气窗口的辐射。纳米颗粒-Mie理论米氏散射公式米氏理论（Mietheory）是G.Mie在1908年提出的关于在介质中的颜料粒子对光散射的理论。具体是指单一的、各向同性的球形粒子在高度稀释的介质系统中的光散射与该粒子直径、粒子与介质间的折射率之差、入射到介质中的粒子上的入射光的波长之间关系的理论。Mie理论是求解电磁波场与球形散射体彼此作用的精确解，并由Maxwell推导简化而来。在解Maxwell方程之后，以无穷级数求和的形式给出的衰减因子、散射因子、吸收因子和相函数的公式可以表示为：QeλQsλQaλΦλ式中：r为粒子半径，x=πdλ为尺度参数，d=2r，Re为取实部的符号，an与bn称为米氏散射系数，S1和S2称为辐值函数（也有称散射函数），Csλ与Ceλ米氏散射系数的计算式如下：anbn=式中：自变量上面的一撇表示求导；m为粒子相对其周围介质的复折射率；ξ=ψn−iηnψn+1ψ−1ψ0ψn+1η−1η0辐值函数计算式如下：S1S2式中：πn和τπnτn其中，pn在单个粒子的辐射特性的基础上作些修正或变化即可得出粒子群的辐射特性。本文的工作是做定性的研究，没有考虑非独立散射的问题，因此粒子群的散射、吸收与衰减系数为单个粒子的代数和：ksλkaλkeλ式中：Caλ,i，Csλ,i，Ceλ,i分别为i粒径单粒子的吸收，散射及衰减截面；Ni为i粒径的粒子数密度；n为粒径数；keλ，kaλ，ksλ分别为衰减系数、吸收系数以及散射系数；Henyey-Greenstein相函数Henyey-Greenstein相函数最初由天文学家Henyey与Greenstein研究银河系散射时提出。由于Mie散射相函数为无穷级数，计算不便，因此在目前的蒙特卡洛方法的计算中，大多采用Henyey-Greenstein相函数来近似的表示散射相函数。粒子接受光束照射，会对光束产生散射作用，对周向角ψ∈0,2g=cos对于均质球形粒子，考虑到周向散射的对称性，上式可以简化为：g=cosg的取值区间为[-1,1]，g<0表示后向（后半球）散射能量占主导，随着g趋近于-1，后向散射的占比不断增大；g=0表示前后散射的能量对称；g>0表示前向散射占主导，随着g趋近于1，前向散射的占比不断增大。辐射传输-辐射传递方程及求解方法辐射传递方程计算出粒子群的吸收、衰减以及散射系数之后，下一步要解辐射传递方程。辐射传递方程的表达式如下：dIλs式中：Iλs为在s位置的投射光谱辐射强度；Iλs,Ω´为在s位置，蒙特卡洛方法（MCM）蒙特卡洛方法为概率统计法，首次应用到了核武器的研究中，之后在二十世纪六十年代进入到热辐射的研究领域。蒙特卡洛方法求解辐射传递方程可以将其化解为多个独立的子过程，即吸收、发射、反射、透射、散射、折射等相关过程，将单元体发射的定量光子束进行跟踪和统计，研究其最终归宿，或被吸收，或透射出来，进一步得到该单元体的辐射能量分配结果。蒙特卡洛方法具有适应性强等优点，对于本文研究的散射、吸收性介质模型，研究过程中忽略了粒子间的相互作用，为独立散射系统。下图为蒙特卡洛方法求解粒子系辐射传输的流程图。1、确定光束随机发射点研究处于直角坐标系中的正六面体结构，离散其所处的非均匀系统。设置x方位的i单元、y方位的j单元、z位的k单元的取值范围分别表示为xi,min,xi,max、xradyradzrad确定光束发射方向光束漫发射和漫反射的空间分布符合Lambert定律，利用光线漫发射/反射方向概率模型，天顶角θ、圆周角ψ可以由如下公式表示：θ=ψ=2π式中，Rθ即为θ的随机数，Rψ即为光束在介质内可能传输长度的概率模拟及射线终点计算受到吸收和散射作用，辐射能量通过吸收性介质时会产生能量的衰减。以k表示能量衰减系数，则s为光束传播的距离长度，从而说明能量的衰减程度。s可以由如下公式表示：s=−1光束在表面处反射、吸收或透射作用当0<当ρλ研究半透明表面时，设置表面光谱透射率为τλ，则关系式为αλ+当0<当ρλ当αλ光束散射当射线射入粒子系内部时，光束或被介质吸收，或受