一种用于建筑集成光伏天窗的综合性光子冷却设计，该设计结合了热电发电装置

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A comprehensive photonic cooling design for building integrated photovoltaic skylights combined with thermoelectric power devices

　　

林莉|王博实|张凯华|李龙飞|刘玉芳|于坤

中国河南省师范大学物理学院红外材料与光谱测量及应用重点实验室，新乡453007

摘要

建筑物消耗了全球最终能源的30%以上，并产生了大约20%的温室气体排放。建筑集成光伏（BIPV）天窗通过现场发电提供了一种有前景的解决方案，但面临一些关键限制：（1）显著的热辐射效应导致光伏效率降低和室内过热；（2）缺乏有效利用废热进行额外能量收集的策略，限制了其全天能量输出的潜力。尽管辐射冷却（RC）技术已经得到了广泛研究，但将其与BIPV天窗协同集成以实现有效热管理，并结合热电生成（TEG）设备实现24小时发电的研究仍不充分。

在这里，我们提出了一种创新的BIPV天窗系统，该系统将光子冷却器（PC）与TEG设备集成在一起，以克服这些限制并实现连续24小时发电。所制造的光子冷却器在0.38–1.1 μm范围内具有高透射率（90%），用于光伏发电；在1.1–2.5 μm范围内具有高亚带隙反射率，以减少热量吸收；并且具有94.38%的大气窗口发射率，以实现高效辐射冷却。实验结果表明，用这种冷却器改造玻璃后，面板温度降低了6.84℃，室内环境温度降低了4.64℃，同时转换效率提高了0.6%。关键的是，集成的BIPV天窗-TEG系统在白天实现了7.3℃的显著温差，在夜间实现了3.4℃的温差，相应的输出功率分别为1516.9 mW/m2和206.0 mW/m2。此外，在PC上应用商业自组装单层涂层提供了优异的自清洁性能，以减轻灰尘和污染物的污染。这项研究为提高建筑能源系统的可持续性和脱碳提供了创新解决方案。

引言

建筑物占全球最终能源使用的30%以上，以及大约20%的温室气体排放，这带来了重大的环境和经济挑战[1]、[2]。作为回应，近零能耗建筑（nZEBs）因其能够自行产生大量能源而受到重视[3]。建筑集成光伏（BIPV）系统，特别是在屋顶[4]和立面[6]上，通过将建筑表面转化为能源生成元素，提供了一种有前景的解决方案。在BIPV应用中，天窗在公共基础设施中得到广泛应用[7]，并且可以集成各种类型的光伏（PV）电池，包括常见的基于硅的电池[8]、[9]。然而，PV电池的性能会因运行过程中的加热而大幅下降[10]、[11]、[12]，因此有效热管理至关重要。

辐射冷却（RC）作为一种从光伏和热电发电机（TEGs）等能量转换系统中散发多余热量的方法，已经显示出很大的潜力[13]、[14]、[15]。通过大气透明窗口（8–13 μm）发射红外辐射，RC设备即使在直射阳光下也能实现低于环境温度的冷却[16]、[17]。最近的研究越来越多地关注将RC应用于光伏冷却。例如，朱等人引入了一种可见光透明的光子结构，既能增强阳光吸收又能实现辐射热损失[18]。同样，李等人设计了一种多层堆叠结构，可以反射不可吸收的太阳辐射并增强中红外辐射，有效降低电池温度并提高效率[19]。实验工作进一步证实，RC可以显著降低光伏的工作温度并提高转换效率[20]、[21]、[22]、[23]。对于BIPV天窗来说，在管理热量的同时保持高效率至关重要。尽管普等人提出的柔性RC薄膜在降低室内温度和太阳得热方面显示出潜力，但它们通常会以降低发电量为代价[22]。因此，在不牺牲转换效率的情况下实现有效热管理仍然是一个关键挑战。

此外，即使应用了RC，BIPV天窗之间仍然存在相当大的温差——这是一个尚未充分利用的热资源。热电发电机（TEG）模块可以通过塞贝克效应直接将热量转化为电能，非常适合收集这种废热[24]。最近的进展表明，将RC与TEG集成以实现连续发电是可行的。拉曼等人使用了一种辐射冷却器，在夜间实现了25 mW/m2的发电量[25]，而吕等人和吴等人开发了结合太阳吸收（SA）和RC的混合系统来驱动TEG[26]、[27]。后续研究对SA-RC-TEG系统进行了系统分析和前瞻性探讨[28]、[29]。最近的实验工作在真实条件下展示了高功率输出[30]、[31]、[32]。梁等人开发了一种自供电的多模态健康监测手环，与柔性TEG集成，实现了人体手腕上88.9 μW/cm2的显著功率密度[30]。同时，康等人展示了一种结合SA、RC和菲涅尔透镜的集成TEG系统，实现了白天4.1 mW/cm2和夜间0.2 mW/cm2的可持续全天供电[31]。此外，匡等人展示了一种通过双功能薄膜利用太阳辐射和辐射冷却的自维持TEG系统，实现了白天4761.0 mW/m2和夜间66.4 mW/m2的卓越输出[32]。然而，TEG与BIPV天窗系统的集成尚未得到充分探索。

在这里，我们提出并展示了一种创新的BIPV天窗系统，该系统将光子冷却器与TEG设备集成在一起，以实现连续24小时发电。这种光子冷却器由多层介质和PDMS制成，能够在保持高光伏转换效率的同时提供有效的热管理。TEG利用天窗固有的温度梯度来产生额外的电力。自组装单层涂层增强了冷却器的疏水性和自清洁能力。最后，评估了基于光子冷却器的天窗的整体节能性能。

章节片段

光子冷却器的设计目标和材料

为了优化热管理，光子冷却器必须满足图1中的目标。首先，它需要在太阳波长下具有适当的透射/反射特性。具体来说，在0.38到1.1 μm范围内（光子可以转化为光电流），它应该具有最小的反射率以减少反射损失。其次，在1.1到2.5 μm范围内（亚带隙波长），它必须具有最大的反射率以减少寄生热量。最后，为了增强电池的冷却效果，它必须表现出最大的

基于光子冷却器的BIPV的冷却效果和光电转换

初步实验评估了光子冷却器对PV模块的冷却效果及其对光电转换的影响，在模拟AM1.5G照明（1000 W/m2）的室内条件下进行，如图4(a)所示。室内实验中使用的PV面板是商用c-Si组件，额定电压为5 V，额定功率输出为0.34 W，额定电流为68 mA，直径为60 mm的圆形晶圆配置。图4(b)展示了有效的

结论

总之，开发了一种综合的光子冷却设计，将BIPV天窗与TEG设备集成在一起，以实现连续发电。这种光子冷却器由多层介质堆叠制成，并在顶部覆盖了PDMS层，实现了高光学性能：介质堆叠在0.38到1.1 μm范围内提供了平均90%的透射率，在1.1到2.5 μm范围内提供了平均29.6%的反射率，而PDMS涂层提供了平均

实验部分

光子冷却器的制造。 多层介质堆叠是使用电子束（E-beam）蒸发器（JIASHUO Vacuum Technology, JSD500, 安徽，中国）制造的。多层介质堆叠按以下顺序沉积在玻璃上：MgF₂、ZnS、MgF₂、SiO₂和MgF₂。然后在90°C的加热台上固化PDMS。

SAM涂层。 为了增强表面疏水性，应用了SAM涂层。SAM涂层主要由1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷组成

CRediT作者贡献声明

林莉：撰写——原始草稿，软件，数据管理，概念化。王博实：软件。张凯华：验证。李龙飞：验证。刘玉芳：监督。于坤：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了河南省省（23IRTSTHN013）的创新研究团队（科学技术）计划、河南省自然科学基金（252300423939）和河南省研究生教育改革与质量改进项目（YJS2024JD32）的支持。