CN111398340B - 辐射制冷材料的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射制冷材料的测量方法及系统，其中，所述系统包括：控制器、电源、测压模块、加热膜和测温模块；测温模块与温度测点电连接；测温模块通过检测温度测点的温度，获取辐射制冷材料的表面温度和环境温度；PWM控制模块用于控制电源的输出功率，对辐射制冷材料进行加热，直至表面温度与环境温度一致；控制器根据表面温度和环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；控制器分别与电源、PWM控制模块、测压模块和测温模块电连接；测压模块用于检测所述电源接入负载时的输出电压；控制器根据所述加热膜的内阻、电源接入负载时的输出电压及PWM信号，获取加热膜的加热功率，进而获得辐射制冷功率，从而解决了辐射制冷材料的测量中准确性低的问题。

Description

辐射制冷材料的测量方法及系统

技术领域

本申请涉及辐射制冷技术领域，特别是涉及一种辐射制冷材料的测量方法及系统。

背景技术

辐射制冷材料具有不消耗能源而使得其降低至环境温度以下的能力，评价辐射制冷材料的降温能力通常用辐射制冷功率来表示，在材料改性和优化过程中，辐射制冷功率作为主要的性能指标之一，为材料改性及优化过程中各种参数的调整提供指导方向。目前辐射制冷材料的辐射制冷功率的大小是根据光谱数据计算出的理论值，这种理论值缺乏验证、准确性低。

针对相关技术中，辐射制冷材料的辐射制冷功率的测量中存在准确性低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中，辐射制冷材料的测量中存在准确性低的问题，本发明提供了一种辐射制冷材料的测量方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种辐射制冷材料的测量系统，所述测量系统包括：控制器、电源、PWM控制模块、测压模块、加热膜和测温模块；

所述测温模块与温度测点电连接；所述温度测点分别设置在所述加热膜的第一侧和系统所处环境的空气中；所述测温模块通过检测所述温度测点的温度，获取辐射制冷材料的表面温度和环境温度；

所述测压模块用于检测所述电源接入负载时的输出电压；所述PWM控制模块用于控制电源的输出功率，即控制所述加热膜的加热功率，对所述辐射制冷材料进行加热，直至所述表面温度与所述环境温度一致；

所述控制器分别与所述电源、所述PWM控制模块、所述测压模块和所述测温模块电连接；所述控制器根据所述表面温度和所述环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；所述控制器根据所述加热膜的内阻、所述电源接入负载时的输出电压及PWM信号，获取所述加热膜的加热功率，进而获得辐射制冷功率。

在其中一个实施例中，所述测量系统还包括金属板；所述金属板设置在所述加热膜和所述辐射制冷材料之间，且所述金属板的板面与所述加热膜的第一侧直接连接；所述金属板用于导热。

在其中一个实施例中，所述测量系统还包括显示模块、时钟模块和/或存储模块；

所述显示模块和所述控制器电连接；所述显示模块接收所述辐射制冷材料的表面温度、所述环境温度、所述电源接入负载时的实际输出电压、所述PWM信号、所述加热膜的加热功率、所述辐射制冷功率进行显示：

所述时钟模块与所述控制器电连接，用于记录测试日期和时刻；

所述存储模块和所述控制器电连接；所述存储模块用于存储测量数据。

在其中一个实施例中，所述测量系统还包括壳体和隔热层；

所述控制器、所述隔热层和所述加热膜以层叠结构布置在所述壳体内部；

所述隔热层设置在所述控制器和所述加热膜之间；所述隔热层和所述控制器之间用隔板隔开。

在其中一个实施例中，所述测温模块以快接口形式安装在所述壳体外部；

所述壳体表面覆盖隔热材料、反射材料或辐射制冷材料。

在其中一个实施例中，所述壳体顶部可拆卸连接有盖子；

所述盖子上设置有窗口；其中，所述窗口边缘采用倒角结构；

所述盖子下表面与放置在所述加热膜上的辐射制冷材料之间保留空隙。

在其中一个实施例中，所述倒角结构的角度范围为15°至30°。

在其中一个实施例中，所述盖子表面覆盖用于透射太阳光和大气窗口波段红外光的透明膜。

在其中一个实施例中，所述测温模块表面覆盖隔热材料或反射材料；

所述测温模块外部设置呈点状分布的通风口。

根据本发明的另一个方面，提供了一种辐射制冷材料的测量方法，所述测量方法包括：

控制器根据表面温度和环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；所述PWM控制模块，控制电源的输出功率即控制加热膜的加热功率，对辐射制冷材料进行加热，直至所述表面温度与所述环境温度一致；

所述控制器根据所述加热膜的内阻、测压模块获取的电源接入负载时的输出电压及PWM信号，获取所述加热膜的加热功率，进而获取辐射制冷功率；

其中，测温模块与温度测点电连接；所述温度测点设置在所述加热膜的第一侧和系统所处环境的空气中；所述测温模块通过检测所述温度测点的温度，获取所述表面温度和环境温度。

通过本发明，采用一种辐射制冷材料的测量方法及系统，其中，所述系统包括：控制器、电源、测压模块、加热膜和测温模块；测温模块与温度测点电连接；温度测点分别设置在加热膜的第一侧和系统所处环境的空气中；测温模块通过检测温度测点的温度，获取辐射制冷材料的表面温度和环境温度；测压模块用于检测所述电源接入负载时的输出电压；PWM控制模块用于控制电源的输出功率，即控制加热膜的加热功率，对辐射制冷材料进行加热，直至表面温度与环境温度一致；控制器分别与电源、PWM控制模块、测压模块和测温模块电连接；控制器根据表面温度和环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；控制器根据所述加热膜的内阻、电源接入负载时的输出电压及PWM信号，获取加热膜的加热功率，进而获得辐射制冷功率，从而解决了辐射制冷材料的测量中准确性低的问题。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种测量系统的应用场景的示意图；

图2为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图一；

图3为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图二；

图4为根据本发明实施例的一种测量系统外观的示意图；

图5为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图三；

图6为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量方法的流程图一；

图7为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量方法的流程图二。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，提供了一种辐射制冷材料的测量系统的应用场景，图1为根据本发明实施例的一种测量系统的应用场景的示意图，如图1所示，测试系统中壳体110内部的下层用于放置控制器102，同时内部空气层可作为良好的隔热层104，上层放置加热膜，在加热膜106和辐射制冷材料114之间设置1mm金属板112用于导热；该壳体110顶部连接有盖子116；此外，测温模块108可作为配件，在测试时以快接口形式与装置主体进行电连接；该快接口可以为快插接头；采用控制器102对加热膜106进行加热；其中，辐射制冷功率P_rad,cool如公式1所示：

P_rad,cool＝P_film-P_atm-P_solar 公式1

其中P_film为辐射制冷材料114的辐射功率，P_atm为辐射制冷材料114吸收的来自大气的辐射，P_solar为辐射制冷材料114吸收的来自太阳的辐射。

实测净制冷功率P_net,cool如公式2所示：

P_net,cool＝P_rad,cool+P_conv 公式2

其中P_conv为辐射制冷材料114与环境的对流换热功率，P_conv可以通过公式3计算获得：

P_conv＝h(T_s-T_amb) 公式3

其中，T_s表示控制辐射制冷材料114的表面温度；在控制辐射制冷材料114表面温度T_s与环境温度T_amb一致的情况下，有P_conv＝0，则实测制冷功率结果如公式4所示：

P_net,cool＝P_rad,cool+P_conv＝P_rad,cool 公式4

在本实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量系统，图2为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图一，如图2所示，该系统包括：控制器102、电源22、PWM控制模块26、测压模块24、加热膜106和测温模块108；

该测温模块108与温度测点连接；该温度测点分别设置在该加热膜106的第一侧和系统所处环境的空气中；其中，该测温模块108与温度测点的连接方式可以为：通过在测温模块108和温度测点之间布置导线进行电连接；或者，该连接方式也可以为：通过直接将温度测点设置在该测温模块108上进行电连接。该测温模块108通过检测该温度测点的温度，获取辐射制冷材料114的表面温度和环境温度；其中，该测温模块108可以为热电偶测温模块或其他温度传感器。

该测压模块24用于检测该电源22接入负载时的输出电压；该PWM控制模块26用于控制电源22的输出功率，即控制加热膜的加热功率，对辐射制冷材料进行加热，直至该表面温度与该环境温度一致。

该控制器102分别与该电源22、该PWM控制模块、该测压模块24和该测温模块108进行电连接；该控制器102根据该表面温度与该环境温度，通过PID(Proportional、Integral、Differential)反馈算法输出PWM信号，通过改变脉冲信号的宽度或占空比进行调压，从而实现了对电源22输出电压的精确控制；该控制器102根据该加热膜的内阻、该电源22接入负载时的输出电压及PWM信号，获取加热膜的加热功率，进而获得辐射制冷功率；其中，该控制器102可以为单片机。

通过控制器102控制加热膜106对辐射制冷材料114进行自动温度控制，使样品表面温度和环境温度实时保持一致，从而消除对流换热的影响；通过加热功率可换算测试样品的辐射制冷功率，如公式5所示。

其中，m_c，m_h，m_f分别为金属板112、加热膜106和待测辐射制冷材料114的质量，c_pc，c_ph，c_pf分别为金属板112、加热膜06和待测辐射制冷材料114的比热容，A为盖子窗口面积，P_rad,cool为辐射制冷功率，P_h表示加热功率。

此外，在加热膜106停止加热的情况下，通过对温度测点处测得的表面温度与环境温度进行比较，可以获得辐射制冷材料114的降温能力。

通过上述实施例，控制器102通过PID反馈算法输出PWM信号，并控制加热膜106的加热功率，对辐射制冷材料114进行加热，使得辐射制冷材料114表面温度与环境温度一致，从而避免了环境空气与超材料之间的对流和传导热量交换引起的测量不定性，实现了对辐射冷却功率的准确评估，解决了辐射制冷材料114的测量中准确性低的问题；同时加热膜106加热功率随温差发生变化，减小温差，提高结果准确性；此外，在辐射制冷材料114的测量系统中采用集成控制，无需额外采集设备及计算机，有效降低了测量系统的成本，提高了辐射制冷材料114测量的便捷性。

在一个实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量系统，该系统还包括金属板112；该金属板112设置在该加热膜106和该辐射制冷材料114之间，且该金属板112的板面与该加热膜106的第一侧直接连接；该金属板112用于导热；其中，该金属板112厚度可以为1mm，该金属板112可以设置为铜板。

在一个实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量系统，图3为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图二，如图3所示，该系统还包括显示模块42；该显示模块42和该控制器102进行电连接；该显示模块42接收该辐射制冷材料114的表面温度、环境温度、电源22接入负载时的实际输出电压、PWM信号、加热膜的加热功率、辐射制冷功率进行显示；此外，该显示模块42还可以显示加热电压等相关测量数据，从而便于测试人员实时掌握辐射制冷材料的测量数据。

在一个实施例中，该系统还包括壳体110和隔热层104；图4为根据本发明实施例的一种测量系统外观的示意图，如图4所示，该测量系统的主要外部结构包括盖子116、隔热层104、隔板52和壳体110。其中，该壳体110内部以层叠结构布有该控制器102、该隔热层104和该加热膜106；该隔热层104设置在该控制器102和该加热膜106之间；该隔热层104和该控制器102之间用隔板52隔开。

该壳体110顶部可拆卸连接有盖子116；该盖子116设置有尺寸大于该辐射制冷材料114的窗口，且该盖子116下表面与放置在该加热膜106上的辐射制冷材料114之间保留较小空隙，从而减少太阳光角度变化过程中进入测量系统中腔体的量，同时减少漏热；其中，该窗口边缘采用倒角结构；该倒角结构的角度范围为15°至30°，以便增大该辐射制冷材料114的天空可视角度。

在一个实施例中，该盖子116表面覆盖对太阳光及大气窗口波段红外(7μm至14μm)具有较高透射率的透明膜，进一步减少对流和热传导，同时提高温度稳定性；其中，该透明膜可以为聚乙烯膜(Polyethylene film，简称为PE膜)。此外，该壳体110表面覆盖反射膜等隔热材料、反射材料或辐射制冷材料，从而减少测试系统中壳体110表面太阳得热。

在一个实施例中，该测温模块108以快接口形式安装在该壳体110外部，便于在测量过程中进行操作。该测温模块108表面覆盖高隔热材料或反射材料，避免该测温模块108表面因太阳直射而升温；同时该测温模块108外部设置呈点状分布的通风口，确保空气流通，从而确保环境温度的准确性，此外该结构有助于提高温度稳定性。

在一个实施例中，该系统还包括时钟模块；该时钟模块和该控制器102电连接；该时钟模块用于记录测试日期和时刻，并将该测试日期和时刻发送给显示装置进行显示。

在一个实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量系统，图5为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量系统的结构框图三，如图5所示，该系统还包括存储模块62；该存储模块62和该控制器102电连接；该存储模块62用于存储测量数据，以便测试人员对测量结果进行查询。

在本实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量方法，图6为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量方法的流程图一，如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤S602，控制器102根据表面温度和环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；PWM控制模块26，控制电源22的输出功率即控制加热膜106的加热功率，对辐射制冷材料114进行加热，直至该表面温度与该环境温度一致。

步骤S602，该控制器102根据所述加热膜106的内阻、测压模块24获取的电源22接入负载时的输出电压及PWM信号，获取加热膜106的加热功率，进而获取辐射制冷功率；其中，测温模块108与温度测点电连接；该温度测点设置在该加热膜106的第一侧；该测温模块108通过检测该温度测点的温度，获取该表面温度。

通过上述步骤S602至步骤S604，控制器102通过PID反馈算法，使得辐射制冷材料114表面温度与环境温度一致，从而避免了环境空气与超材料之间的对流和传导热量交换引起的测量不确定性，实现了对辐射冷却功率的准确评估，解决了辐射制冷材料114的测量中准确性低的问题；同时加热膜106加热功率随温差发生变化，减小温差，提高结果准确性；此外，在辐射制冷材料114的测量系统中采用集成控制，无需额外采集设备及计算机，有效降低了测量系统的成本，提高了辐射制冷材料114测量的便捷性。

在一个实施例中，提供了一种辐射制冷材料114的测量方法，图7为根据本发明实施例的一种辐射制冷材料的测量方法的流程图二，如图7所示，该方法包括如下步骤：

步骤S702，通过脉冲宽度调制，对电源22提供的电压进行控制；根据该表面温度和该环境温度，控制该电源22，从而对加热膜106进行加热，使得该加热膜106的表面温度和该环境温度保持一致。

步骤S704，根据该加热膜106加热功率可计算辐射制冷材料的辐射制冷功率。其中，该加热膜106加热功率可以通过加热膜106内阻和加热电压计算得到，该加热电压即为控制器102对电源22的输出电压进行PWM调制后的电压。

应该理解的是，虽然图6至图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图6至图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种辐射制冷材料的测量方法，其特征在于，应用于辐射制冷材料的测量系统，所述测量系统包括：控制器、电源、PWM控制模块、测压模块、加热膜和测温模块；所述测量系统还包括金属板、壳体和隔热层；所述金属板设置在所述加热膜和所述辐射制冷材料之间，且所述金属板的板面与所述加热膜的第一侧直接连接；所述控制器、所述隔热层和所述加热膜以层叠结构布置在所述壳体内部；所述壳体顶部可拆卸连接有盖子；所述测压模块用于检测所述电源接入负载时的输出电压；所述测量方法包括：

所述控制器根据辐射制冷材料的表面温度和环境温度，通过PID反馈算法输出PWM信号；其中，所述PWM控制模块控制电源的输出功率，即控制所述加热膜的加热功率，对辐射制冷材料进行加热，直至所述表面温度与所述环境温度一致；

所述控制器控制加热膜对辐射制冷材料进行自动温度控制，并根据所述加热膜的内阻、测压模块获取的电源接入负载时的输出电压及所述PWM信号，获取所述加热膜的加热功率，进而获取辐射制冷功率；其中，通过加热功率计算辐射制冷功率的公式如下所示：

其中，m_c，m_h，m_f分别为金属板、加热膜和待测辐射制冷材料的质量，c_pc，c_ph，c_pf分别为金属板、加热膜和待测辐射制冷材料的比热容，A为盖子窗口面积，P_rad,cool为辐射制冷功率，P_h表示加热功率；

其中，所述测温模块与温度测点电连接；所述温度测点分别设置在所述加热膜的第一侧和系统所处环境的空气中；所述测温模块通过检测所述温度测点的温度，获取所述表面温度和环境温度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述金属板用于导热。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量系统还包括显示模块、时钟模块和/或存储模块；

所述显示模块和所述控制器电连接；所述显示模块接收所述辐射制冷材料的表面温度、所述环境温度、所述电源接入负载时的实际输出电压、所述PWM信号、所述加热膜的加热功率、所述辐射制冷功率进行显示：

所述时钟模块与所述控制器电连接，用于记录测试日期和时刻；

所述存储模块和所述控制器电连接；所述存储模块用于存储测量数据。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述隔热层设置在所述控制器和所述加热膜之间；所述隔热层和所述控制器之间用隔板隔开。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述测温模块以快接口形式安装在所述壳体外部；

所述壳体表面覆盖隔热材料、反射材料或辐射制冷材料。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述盖子上设置有窗口；其中，所述窗口边缘采用倒角结构；

所述盖子下表面与放置在所述加热膜上的辐射制冷材料之间保留空隙。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述倒角结构的角度范围为15°至30°。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述盖子表面覆盖用于透射太阳光和大气窗口波段红外光的透明膜。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测温模块表面覆盖隔热材料或反射材料；

所述测温模块外部设置呈点状分布的通风口。

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