CN114543373B - 一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，属于能源利用技术领域。所述光谱调控器件为薄板或薄膜结构，从上而下由透明基底、透明电极、电解质、对电极、反射层和下基底依次连接组成。在电场作用下，主动转变光谱调控器件的光谱特征，实现冬季太阳能光热转换和夏季白天辐射制冷结合利用。具体地：在负电压条件工作时，在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率大于0.85，在3～25μm中红外波段反射率大于0.85；在正电压条件工作时，在0.3～3μm太阳辐射波段反射率大于0.85，3～25μm中红外波段发射率大于0.85。用在建筑表面，在冬季、负电压下，节省冬季建筑的48.7%制热能耗；在夏季、正电压下，节省夏季建筑56.4%制冷能耗。

Description

一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，具体涉及基于局域表面等离激元共振效应(LSPR)的金属沉积电致变色、天空辐射制冷（RSC）和太阳能光热转换（PT）。
背景技术
冷和热两种能量约占社会能量总消耗的 51%，是应用最多的两种主要能源形式。冷量和热量需求的绝大多数是由于环境温度（简称环温）波动而引起的冷、热负荷。例如：冬季采暖和夏季空调产生的能源消耗约占建筑总能耗的 77%，而建筑能耗又占到社会总能耗的三分之一。
光热转换是通过光谱选择性涂层，提高太阳辐射吸收，降低中红外发射，把太阳辐射转化为热能加以利用的方式。天空辐射制冷是以太空低温背景为辐射传热对象，抑制太阳波段的吸收（高反射），强化中红外波段的发射，以实现地表物体被动制冷。夏季利用辐射制冷技术，建筑可以不消耗额外能源而获得冷量，从而低于环境温度。冬季利用太阳能光热转换技术，建筑可以将太阳辐射转化成热量，达到采暖的效果。太阳能集热和辐射制冷在光谱选择方面存在光谱冲突，因此夏季辐射制冷和冬季太阳能集热的光谱结合利用很难实现。
发明内容
为了实现天空辐射制冷光谱和光热转换光谱的动态调控，利用基于局域表面等离激元共振效应（LSPR）的金属沉积电致变色技术，本发明提供一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件。
一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件为硬质薄板或柔性薄膜结构，从上而下由透明基底、透明电极、电解质、对电极、反射层和下基底依次连接组成；
所述透明基底为在0.3～25μm全波段透过率均大于0.9的聚乙烯（PE）薄膜；
所述透明电极为全波段透过的微结构导电层，微结构导电层的材料为在0.3～25μm全波段透过率均大于0.9的微结构金属薄膜；
所述电解质为在0.3～3μm太阳辐射波段透过率大于0.9，在3～25μm中红外波段发射率大于0.9的固态混合物；所述固态混合物为凝胶电解质；
所述对电极为在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率小于0.08的ITO导电膜层；
所述反射层为在0.3～3μm太阳辐射波段反射率大于0.95的银薄膜；
所述下基底的材料为薄铜板或聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜，提供支撑作用；
负电压条件工作时，金属纳米颗粒从电解液中被还原出并沉积在透明电极上，入射光子频率与金属纳米颗粒的整体振动频率相匹配时，金属纳米颗粒对光子能量产生很强的吸收作用，就会产生局域表面等离激元效应，在光谱上产生强的共振吸收峰；此时，金属纳米沉积层在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率大于0.9，在3～25μm中红外波段反射率大于0.9；正电压条件工作时，透明电极上的金属纳米颗粒被氧化溶解在电解质中；所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒或铅纳米颗粒；
在负电压条件工作时，所述光谱调控器件在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率大于0.85，在3～25μm中红外波段反射率大于0.85；
在正电压条件工作时，所述光谱调控器件在0.3～3μm太阳辐射波段反射率大于0.85，在3～25μm中红外波段发射率大于0.85。
进一步限定的技术方案如下：
透明基底1的材料为厚度小于0.05mm的聚乙烯（PE）薄膜。
所述透明电极为在透明基底1上制备的厚度小于1000nm的微结构铂（Pt）金属薄膜或微结构金（Au）金属薄膜。
所述电解质3由100ml二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，0.85g硝酸银（AgNO3）、0.13g氯化铜（CuCl2）和2.17g溴化锂（LiBr）为溶质，11g聚乙烯醇缩丁醛（PVB）为电解质凝胶，混合均匀形成固态凝胶电解质或由100ml二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，1.65g硝酸铅（Pb(NO3)2)、0.13g氯化铜（CuCl2）和2.17溴化锂（LiBr）为溶质，11g聚乙烯醇缩丁醛（PVB）混合均匀形成的固态凝胶电解质。
所述对电极4为厚度小于300nm的ITO导电膜层。
反射层5为厚度小于0.01mm的银反射层。
下基底6为厚度大于1mm的薄铜板或厚度大于0.01mm的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜。
所述微结构金属薄膜为微结构铂金属薄膜，微结构铂金属薄膜制备操作如下：通过蒸镀工艺在透明基底1上形成一层100nm厚的铂金属薄膜；然后通过光刻胶涂布、曝光、显影、蚀刻和剥膜等步骤获得精细的金属网格，微栅的宽度、间距和厚度分别为10μm、1 mm和100 nm；再蒸镀一层1nm厚的铂金属薄膜。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明在电场主动控制下，光谱调控器件光谱可以动态转换，实现冬季太阳能光热转换和夏季白天辐射制冷结合利用。在负电压条件下（透明电极接电源负极，对电极接电源正极），电解液中的金属离子从透明电极获得电子，形成金属纳米颗粒，金属纳米颗粒吸附在具有微结构的透明电极上。由于金属纳米颗粒的金属性，使得吸附层在中红外波段低发射，由于吸附在具有微结构的透明电极上的金属纳米颗粒的整体振动频率相与入射光子频率匹配时，金属纳米颗粒对光子能量产生很强的吸收作用，就会产生局域表面等离激元效应，在光谱上产生强的共振吸收峰，因此吸附层太阳辐射波段高吸收。此时，器件整体呈太阳辐射波段高吸收、中红外波段低发射的光谱特征，即 PT 光谱特征。在正电压条件下（透明电极接电源正极，对电极接电源负极），透明电极上金属纳米颗粒沉积溶解在电解质中，透明电极在全波段高透过，反射层对太阳波段高反射，电解液在中红外波段高发射。此时，器件整体呈太阳波段高反射、中红外波段高发射的光谱特征，即 RSC 光谱特征。
2.本发明的光谱调控器件结构设计合理，使用方便，可用于建筑物外表面等，节约建筑制热和制冷能耗。本发明用在建筑表面，在冬季，在负电压下，PT模式太阳辐射波段高吸收，中红外波段低发射的光谱特征，使建筑可以吸收太阳辐射能量获得热量，并且降低辐射散热，节省冬季建筑的48.7%制热能耗，同时在无空调***的情况下，室内温度平均高于普通建筑5℃；在夏季，在正电压下，RSC模式太阳辐射波段低吸收中红外波段高发射的光谱特征，使建筑可以反射太阳辐射能量并发射中红外辐射能量获得冷量，节省夏季建筑56.4%制冷能耗，同时在无空调***的情况下，室内温度平均低于普通建筑1.2℃。本发明通过调节光谱特征，可以分别节约冬季的制热能耗和夏季的制冷能耗。也可以根据冷暖需求，主动控制热量得失。
附图说明
图1是基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件示意图。
图2是基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件RSC模式截面图。
图3是基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件PT模式截面图。
图4为实施例节能建筑示意图。
图5为实施例节能建筑截面图。
图6为节能建筑在PT模式的温度模拟图。
图7为节能建筑在RSC模式的温度模拟图。
图8为节能建筑在PT模式的制热能耗模拟图。
图9为节能建筑在RSC模式的制冷能耗模拟图。
上图中序号：透明基底1、透明电极2、电解质3、对电极4、反射层5、下基底6、金属纳米颗粒沉积7、结构墙壁8、双层玻璃窗9、泡沫混凝土墙10、光谱调控器件11、混凝土地板12。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件为面积10cm×10cm的硬质薄板结构；参见图2，从上而下由透明基底1、透明电极2、电解质3、对电极4、反射层5和下基底6依次连接组成。
透明基底1材料为厚度5mm的聚乙烯（PE）薄膜，在0.3～25μm全波段平均透过率为0.94。
透明电极2是在聚乙烯薄膜上制备厚度100nm铂（Pt）金属层的微结构铂（Pt）金属薄膜，在0.3～25μm全波段平均透过率为0.96。
微结构铂金属薄膜的制备操作如下：通过蒸镀工艺在透明基底1上形成一层100nm厚的铂金属薄膜；然后通过光刻胶涂布、曝光、显影、蚀刻和剥膜等步骤获得精细的金属网格，微栅的宽度、间距和厚度分别为10μm、1 mm和100 nm；再蒸镀一层1nm厚的铂金属薄膜。
电解质3由25ml二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，0.85g硝酸银（AgNO3）、0.13g氯化铜（CuCl2）和2.17g溴化锂（LiBr）为溶质，11g聚乙烯醇缩丁醛（PVB）为电解质凝胶，混合均匀形成的固态凝胶电解质；在0.3～3μm太阳辐射波段平均透过率0.95，在3～25μm中红外波段平均发射率为0.96。
对电极4为厚度100nm的ITO导电膜层，在0.3～3.0μm太阳辐射波段平均吸收率为0.04。
反射层5为厚度0.01mm的银反射层，在0.3～3.0μm太阳辐射波段平均反射率为0.98。
下基底6材料为厚度1mm的薄铜板。
银纳米颗粒沉积7为负电压条件下，银从电解液中被还原并沉积在透明电极，银纳米沉积层在0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.93，在3～25μm中红外波段平均反射率0.93，正电压条件工作时，透明电极上的银纳米颗粒被氧化溶解在电解质中。
本实施例光谱调控器件有两个工作模式，参见图3，负电压条件（PT模式），银纳米颗粒沉积7吸附在微结构铂金属薄膜的透明电极2上，在局域表面等离激元共振效应影响下，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.9，在3～25μm中红外波段平均反射率0.91。参见图2，正电压的条件（RSC模式），银纳米颗粒沉积7脱附并溶解在电解质3中，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均反射率0.9，3～25μm中红外波段平均发射率0.91。
实施例2
与实施例1主要不同在于透明电极2不同：透明电极2为厚度100nm的微结构金金属薄膜，在0.3～25μm全波段平均透过率为0.95。
微结构金金属薄膜与实施例1的微结构铂金属薄膜的微结构相同。该变化不会影响银纳米颗粒的沉积，因此并未影响银纳米颗粒沉积7的光谱特性。
本实施例光谱调控器件有两个工作模式，参见图3，负电压条件（PT模式），银纳米颗粒沉积7吸附在微结构金金属薄膜的透明电极2上，在局域表面等离激元共振效应影响下，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.89，在3～25μm中红外波段平均反射率0.9。参见图2，正电压的条件（RSC模式），银纳米颗粒沉积7脱附并溶解在电解质3中，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均反射率0.89，3～25μm中红外波段平均发射率0.9。
实施例3
与实施例1主要不同在于电解质3不同：由100ml二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，1.65g硝酸铅（Pb(NO3)2)、0.13g氯化铜（CuCl2）和2.17溴化锂（LiBr）为溶质，11g聚乙烯醇缩丁醛（PVB）混合均匀形成的固态凝胶电解质。在0.3～3μm太阳辐射波段平均透过率0.95，在3～25μm中红外波段平均发射率为0.96。
铅纳米颗粒沉积7为负电压条件下，铅从电解液中被还原并沉积在透明电极，铅纳米颗粒沉积层在0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.94，在3～25μm中红外波段平均反射率0.93，正电压条件工作时，透明电极上的铅纳米颗粒被氧化溶解在电解质中。
本实施例光谱调控器件有两个工作模式，参见图3，负电压条件（PT模式），铅纳米颗粒沉积7吸附在微结构铂金属薄膜的透明电极2上，在局域表面等离激元共振效应影响下，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.91，在3～25μm中红外波段平均反射率0.9。参见图2，正电压的条件（RSC模式），铅纳米颗粒沉积7脱附并溶解在电解质3中，使得该器件在0.3～3μm太阳辐射波段平均反射率0.9，3～25μm中红外波段平均发射率0.91。
实施例4
与实施例1主要不同在于下基底6不同：将下基地6材料更换为厚度0.1mm的PET薄膜。该改变，可获得柔性薄膜结构的光谱调控器件。
该实施例的光谱调控器件与实施例1的光谱调控器件的工作模式和光谱性能相同。
实施例5
参见图4和图5，一种表面安装本发明光谱调控器件的节能建筑。
节能建筑墙壁8为泡沫混凝土墙2表面安装光谱调控器件11，玻璃窗户9为双层玻璃。设置对照组，普通建筑模型。与节能建筑不同在于，普通建筑泡沫混凝土表面不安装本发明。墙壁和屋顶使用泡沫混凝土材料，地板混凝土材料，窗户用普通硅酸盐玻璃，光谱调控器件不考虑质量。本发明光谱调控器件不同模式的光谱参数设置为：负电压条件（PT模式）时,0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率射率0.91、平均反射率0.09，3～25μm中红外波段平均发射率0.1、平均反射率0.9；正电压的条件（RSC模式）时,0.3～3μm太阳辐射波段平均吸收率0.1、平均反射率0.9，3～25μm中红外波段平均发射率0.91、平均反射率0.09。
节能建筑长8m、宽6m、高2.7m。泡沫混凝土墙厚0.12m，导热率0.6W/（m·K），密度1600kg/m3，比热900J/（kg·K），0.3～3.0μm太阳辐射波段平均吸收率0.6，3～25μm中红外波段平均发射率0.85。混凝土地板厚0.12m，导热率1.6W/（m·K），密度2240kg/m3，比热900J/（kg·K），0.3～3.0μm太阳辐射波段平均吸收率0.6，3～25μm中红外波段平均发射率0.85。玻璃窗户9在建筑东墙上，为双层玻璃。单层玻璃长3m、高2m、厚6mm。双层玻璃为两个同一规格玻璃夹3mm空气。玻璃为普通硅酸盐玻璃，导热率0.9W/（m·K），0.3～3.0μm太阳辐射波段平均透过率0.775、平均反射率0.142，3～25μm中红外波段平均发射率0.84、平均透过率0。
对建筑模型进行温度和能耗模拟。温度模拟是在无空调***的状态下进行，模拟合肥地区1月1日和7月1日的室内气温。能耗模拟在空调***作用下，设置室内温度维持在25℃-24℃，模拟合肥地区全年的建筑制热和制冷能耗。
分别选取合肥地区1月1日和7月1日进行该节能建筑模型的温度模拟。在合肥地区1月1日， 参见图6，PT工作模式下，节能建筑室温平均高于环境温度14℃和高于普通建筑室温5℃。在合肥地区7月1日，参见图7，RSC工作模式下，节能建筑室温平均低于环境温度2℃和低于普通建筑1.2℃。
对合肥地区进行节能建筑全年能耗模拟。如图8，PT工作模式下，节能建筑比普通建筑节约48.7%的制热能耗；如图9，在RSC工作模式下，节能建筑比普通建筑节约78.9%制冷能耗。全年节能建筑的制热和制冷总能耗比普通建筑节约56.4%。
本领域的技术人员容易理解，以上实施例1-5仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述光谱调控器件为硬质薄板或柔性薄膜结构，从上而下由透明基底、透明电极、电解质、对电极、反射层和下基底依次连接组成；
所述透明基底为在0.3～25μm全波段透过率均大于0.9的薄膜；
所述透明电极为全波段透过的微结构导电层，微结构导电层的材料为在0.3～25μm全波段透过率均大于0.9的微结构金属薄膜；
所述电解质为在0.3～3μm太阳辐射波段透过率大于0.9，在3～25μm中红外波段发射率大于0.9的固态混合物；所述固态混合物为凝胶电解质；
所述对电极为在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率小于0.08的ITO导电膜层；
所述反射层为在0.3～3μm太阳辐射波段反射率大于0.95的银镀膜；
所述下基底材料为薄铜板或PET薄膜，提供支撑作用；
负电压条件工作时，金属纳米颗粒从电解液中被还原出并沉积在透明电极上，入射光子频率与金属纳米颗粒的整体振动频率相匹配时，金属纳米颗粒对光子能量产生很强的吸收作用，就会产生局域表面等离激元效应，在光谱上产生强的共振吸收峰；此时，金属纳米沉积层在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率大于0.9，在3～25μm中红外波段反射率大于0.9；正电压条件工作时，透明电极上的金属纳米颗粒被氧化溶解在电解质中；所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒或铅纳米颗粒；
在负电压条件工作时，所述光谱调控器件在0.3～3μm太阳辐射波段吸收率大于0.85，在3～25μm中红外波段反射率大于0.85；
在正电压条件工作时，所述光谱调控器件在0.3～3μm太阳辐射波段反射率大于0.85，在3～25μm中红外波段发射率大于0.85。
2.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：透明基底（ 1） 的材料为厚度小于0.05mm的聚乙烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述透明电极为在透明基底上制备的厚度小于1000nm的微结构铂金属薄膜或微结构金金属薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述电解质由二甲基亚砜、硝酸银、氯化铜、溴化锂、聚乙烯醇缩丁醛混合均匀形成的固态凝胶电解质或由二甲基亚砜、硝酸铅、氯化铜、溴化锂、聚乙烯醇缩丁醛混合均匀形成的固态凝胶电解质。
5.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述对电极为厚度小于300nm的ITO导电膜层。
6.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述反射层为厚度小于0.01mm的银反射层。
7.根据权利要求1所述的基于太阳热辐射和太空冷辐射的光谱调控器件，其特征在于：所述下基底材料为厚度大于1mm的薄铜板或厚度大于0.01mm的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜。
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