CN112513551A - 用于被动式冷却的系统和方法以及用于其的散热器 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了用于被动地冷却水蒸气以能够有效冷凝的系统和方法以及制造这样的系统的方法。一种被动式冷却器可以包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的导热基板、设置在基板的第一侧的至少一部分上的涂层和具有一个或多个隔热壁的外壳。隔热壁可以限定从外壳的入口到出口的蒸气流动通道，使得基板的第二侧暴露于流动通过蒸气流动通道的水蒸气。

Description

用于被动式冷却的系统和方法以及用于其的散热器
关于联邦赞助的研究的声明
本发明是在国家科学基金会授予的第1561917号合同下的政府支持下做出的。政府拥有本发明的某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年4月4日提交的美国临时专利申请第62/652,886号的权益，该申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及用于冷凝器的被动式冷却。
背景技术
淡水是用于维持地球上的生命的最重要元素。用于人类消耗的可用淡水的量取决于河流、湖泊和地下储水层，其为地球上全部水的仅大约1％。当对淡水的全球需求由于人口增长而增加时，可用淡水的量由于增加的人类活动(如工业废物和污水排放)而持续减少。因此，在2015年，将水短缺确定为接下来的十年内最大的全球风险。
大多数当前的集水技术极其需要能量，并且四分之一的全球人口因为他们负担不起这样的技术而面临缺水。在没有额外能量输入的情况下操作的有效的被动式集水的需求是显著并且紧迫的。
处理海水和污水以将它们转化为淡水的一种最原始的方式为蒸馏。这种过程涉及将蒸发的水蒸气冷凝为淡水，并且冷凝速率决定了能够怎样有效地生产淡水。另一方面，在自然界中水蒸气是充足的。太阳辐射将地球上的地表水持续蒸发成水蒸气。人类也为了各种目的(例如，蒸发冷却)而使水蒸发。这些人类活动产生大量的水蒸气。原则上，使这样的环境水蒸气冷凝也能够提供大量淡水。然而，水的有效冷凝需要大量能量，使得其不适用于包括用水最紧张的区域的发展中地区。
投入了大量努力以开发不需要任何能量输入的被动式水收集器。最近，太阳能蒸馏器取得了显著进展，其中利用可免费获得的太阳能以提高蒸发速率。蒸发速率可以高达1.3Lm-2h-1，其中利用几乎88％的太阳辐射以使水蒸发。然而，低的水冷凝速率限制了总的水生产率。大多数现有太阳能蒸馏器使用强制对流作为被动式冷却源，并且平均冷凝速率为仅0.25Lm-2h-1，其为蒸发速率的仅20％。该低蒸发速率成为实现有效的被动式水冷凝器的主要障碍。对用于水冷凝的强力被动式冷却源的需求是显著的。
最近，使用可免费获得的太阳能用于被动式集水取得了显著进展。在这些被动式集水系统中，地表水或从大气捕获的水被阳光加热并且蒸发成水蒸气。为了实现有效蒸发，这些系统中的大多数将热生成定位在水-空气界面以降低热损失。已证明的是，热定位的太阳能蒸发系统能够以～12Lm-2天-1(升每天每平方米)使水蒸发。然而，从这些系统采集的水的量限制在～2.5Lm-2天-1，无论它们生成水蒸气的速度多快。由于该相对低的水生产量，不管基于太阳能蒸发的集水系统的历史多久，其都没有被广泛使用。为了生产足够的淡水以满足个人的每日需要(～4L天-1)，这些集水系统中经常需要大面积的冷凝系统。
自古以来，夜间辐射冷却为众所周知的被动式冷却源。在这样的冷却机制中，因为地球的大气是中红外辐射可部分透过的，热被动地散发至外太空。因此，在夜间，通过在中红外光谱的范围内辐射，面向晴空的黑发射器能够将自身冷却至低于环境温度。利用这种机制以在夜间由湿的空气收集露水。然而，在当太阳辐射能够用于蒸发的白天期间，对被动式冷凝的需求是最大的。
发明内容
在本公开内容中，证明了一种能够显著加快水冷凝的日间辐射冷却方案。通过结合所公开的日间辐射冷却技术与常规的被动式冷凝器，能够显著加快最大冷凝速率—在一些实施方案中，加快～2至5倍。本公开内容提供了一种实验的讨论和描述，实施该实验以证明通过本文中公开的技术能够实现在阳光直射下的改善的水冷凝。
具有辐射冷凝器的被动式集水系统能够以大于8Lm-2天-1生产水，这是常规的被动式冷凝器(～2.5Lm-2天-1)的3倍多。本文中还证明了一种环境温度下的日间被动式冷凝，其在没有辐射冷凝器的情况下是不可能的。
附图说明
为了更完全地理解本公开内容的本性和目的，应参考与附图结合的下列详细描述，其中：
图1为根据本公开内容的一个实施方案的被动式冷却器的示意图；
图2为一般的冷凝系统的示意图；
图3示出了以下示意图：(a)对流冷凝器中的冷却机制；和(b)辐射冷凝器中的冷却机制；
图4为示出了对流冷凝器(黑色)和辐射冷凝器(红色)的冷凝速率的理论上界的图表(环境温度固定在20℃)；
图5为常规的太阳能蒸馏器的示意图；
图6为示出了使用对流冷凝器(黑色柱)和辐射冷凝器(红色柱)的多个太阳能蒸馏器的每日水生产量的图表；
图7示出了以下示意图：(a)选择性辐射冷凝器；和(b)接近理想的辐射冷凝器(选择性辐射冷凝器仅辐射至外太空，并且接近理想的冷凝器辐射至外太空和环境空气)；
图8为示出了选择性辐射冷凝器和接近理想的辐射冷凝器的发射光谱的图表(灰色区域指示典型的大气透射光谱)；
图9为示出了选择性辐射冷凝器和接近理想的辐射冷凝器的冷却功率和对应的冷凝速率的图表；
图10为根据本公开内容的另一实施方案的辐射冷凝器的示意图，其中辐射冷却器包括放置在由聚苯乙烯泡沫制成的隔热箱内部的100μm厚的PDMS层，150nm厚的银层和1mm厚的铝板，隔热箱的开口由聚乙烯膜的薄层遮盖，并且箱的外表面由铝箔胶带遮盖；
图11为根据本公开内容的另一实施方案的日间辐射发射器和测量的发射光谱的示意图。发射器由100μm厚的PDMS层、150nm厚的银层和1mm厚的铝板组成；
图12为根据本公开内容的一个实施方案的被动式冷却器的实验装置的照片；
图13为示出了图12的实验装置的阳光直射下的日间冷却功率的图表(一整天内冷凝器的温度比环境温度低约8℃，对应于80Wm-2的冷却功率)；
图14包含示出了室外的实验装置的两张照片，其中各种设计的冷凝器在阳光直射下被放置在停车场的顶层；
图15a为示出了本公开的辐射冷却器(红色线)、商用辐射冷却器(蓝色线)和黑体辐射冷却器(黑色线)的实时冷凝速率的图表。测量从3月10日进行至11日(出于简化的目的，仅示出日间数据)。负的冷凝速率指示水被蒸发。可以看出，本公开的辐射冷却器无论什么时候都使水冷凝，而与太阳辐射无关。相比之下，商用辐射冷却器和黑体辐射冷却器在日间的大部分时间期间不会使水冷凝；
图15b为图15a的图表的子集，示出了3月11日的9:00至13:00期间本公开的辐射冷却器(红色线)、商用辐射冷却器(蓝色线)和黑体辐射冷却器(黑色线)的实时冷凝速率；
图16示出了3月11日中午时每个测试的冷凝器的冷凝表面的照片。仅能够在日间辐射冷凝器上看见可见的水滴；
图17示出了该装置与商用夜间冷凝器生产的水的量之间的视觉对比；
图18为示出了在不同的两天测量的每日水生产量的图表。在每种情况下，本公开的辐射冷凝器(红色柱)比商用辐射冷凝器(蓝色柱)和黑体辐射冷凝器(黑色柱)生产的水多得多；和
图19示出了透明辐射冷凝器：(a)透明辐射冷凝器的结构和其透射光谱(红色线)和发射光谱(黑色线)的示意图。透明辐射冷凝器包括玻璃基板顶部上的具有100μm的厚度的PDMS层。(b)透明的冷凝器能够容易地在现有太阳能蒸馏器中实施。
具体实施方式
本公开内容可以被实施为能够在宽的光谱波段下利用辐射冷却的潜力的被动式冷却器10(参见，例如图1)。本冷却器10的实施方案可有利地用于例如太阳能蒸馏器中的冷凝器以使水蒸气冷凝。参考图1，冷却器100可以具有导热基板12，导热基板12具有第一侧14和与第一侧相对的第二侧16。通过热传导，预期的是，合适的基板12可以具有至少3Wm-2K-1的传导传热系数。在一个非限制性的实施方案中，基板12可以为具有0.1cm的厚度的铝板。其他实施方案可以使用其他材料(诸如，例如玻璃、金属等)和/或其他厚度(更大或更小)。在一些实施方案中，基板的厚度可以小于3mm。
基板12的第一侧14可以具有高的太阳能反射率。例如，在一些实施方案中，该太阳能反射率可以为至少95％。在一些实施方案中，基板12可以具有第一侧14上的反射层18，使得反射层18将太阳能反射率提供给基板12。在图1的非限制性的实施方案中，铝基板12可以具有银反射层18，银反射层18具有150nm的厚度。这里再次地，其他实施方案的反射层可以使用其他材料(诸如，例如金等)和/或其他厚度。例如，在一些实施方案中，反射层可以具有至少100nm的厚度。在一些实施方案中，反射层可以不是必要的，这是因为基板的第一侧可以具有合适的太阳能反射率，而无需反射层。
冷却器10可以进一步包括设置在基板12的第一侧14的至少一部分上的涂层20。涂层20可以为太阳辐射可透过的。例如，涂层20可以具有至少95％的太阳能透射率。在具有从4μm至25μm的波长的大部分光谱波段下，涂层20可以具有大于0.95的发射率(即，发射超过95％的能量)。在一个示例性的实施方案中，涂层20可以为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)。涂层20可以具有至少50μm的厚度。例如，在一个非限制性的实施方案中，PDMS涂层可以具有100μm的厚度。
冷却器10可以进一步包括具有一个或多个隔热壁32的外壳30。隔热壁32与基板12一起形成从外壳30的入口36至外壳30的出口38的蒸气流动通道34。在图1示出的实施方案中，三个隔热壁32形成四面的蒸气流动通道34的三个侧面并且基板12形成第四个侧面。这样，基板12的第二侧16将暴露于流动通过通道34的蒸气。在一些实施方案中，外壳30的每个隔热壁32具有外表面33，外表面33可以反射太阳辐射。例如，在一个非限制性的实施方案中，每个隔热壁34可以具有由箔制成的外表面32。在一些实施方案中，冷却器10可以进一步包括在基板12的第一侧14上方并且与第一侧14间隔开的透明盖40。这样，可以阻止或极大地减少基板的第一侧上(即，涂层上)的冷凝物的形成。盖40可以为例如聚乙烯膜(“PE”)。可以使用其他材料，并且根据本公开内容其他材料将是明显的。
在另一实施方案中，本公开内容可以为用于冷凝器的散热器。散热器可以具有导热基板，导热基板具有第一侧和与第一侧相对的第二侧。通过热传导，预期的是，合适的基板可以具有至少3Wm-2K-1的传导传热系数。在一个非限制性的实施方案中，基板可以为具有0.1cm的厚度的玻璃板。其他实施方案可以使用其他材料(诸如，例如铝、其他金属等)和/或其他厚度(更大或更小)。在一些实施方案中，基板的厚度可以小于3mm。
基板的第一侧可以具有高的太阳能反射率。例如，在一些实施方案中，太阳能反射率可以为至少95％。在一些实施方案中，基板可以具有第一侧上的反射层，使得反射层使将太阳能反射率提供给基板。这里再次地，一些实施方案的反射层可以使用诸如例如金、银等的材料。在一些实施方案中，反射层可以具有至少100nm的厚度。在一些实施方案中，反射层可以不是必要的，这是因为基板的第一侧可以具有合适的太阳能反射率，而无需反射层。
散热器可以进一步包括设置在基板的第一侧的至少一部分上的涂层。涂层可以为太阳辐射可透过的。例如，涂层可以具有至少95％的太阳能透射率。在具有从4μm至25μm的波长的大部分光谱波段下，涂层可以具有大于0.95的发射率(即，发射超过95％的能量)。在一个示例性的实施方案中，涂层可以为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)。涂层可以具有至少50μm的厚度。例如，在一个非限制性的实施方案中，PDMS涂层可以具有100μm的厚度。
在特定应用中，这样的散热器可以用于如图5中示出的太阳能蒸馏器，如以下进一步描述的。
在另一方面，本公开内容可以被实施为一种使水冷凝的方法。该方法包括提供本文中描述的任何一种实施方案的被动式冷却器。使水蒸气穿过所提供的被动式冷却器的蒸气流动通道。例如，水蒸气可以为穿过蒸气流动通道的环境空气的一部分。这样，至少一部分水蒸气冷凝在被动式冷却器的基板的第二侧上。
在另一方面，本公开内容可以被实施为一种制造被动式冷却器的方法。通过提供具有第一侧和第二侧(与第一侧相对)的导热基板形成辐射冷却板。第一侧具有至少95％的太阳能反射率。将涂层施加在第一侧上。涂层是太阳辐射可透过的或基本上可透过的并且在4与25μm之间的大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率。导热基板包括第一侧上的反射层。涂层可以为例如基于硅的有机聚合物，诸如，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
该方法进一步包括将辐射冷却板放置在隔热外壳的开口内。冷却板被布置为使得来自辐射冷却板的第一侧的发射经由开口离开隔热外壳。进一步地，冷却板被布置为使得冷却板的第二侧暴露于外壳的蒸气流动通道。
在一些实施方案中，该方法包括用与基板的第一侧间隔开的透明盖遮盖开口。透明盖可以为例如聚合物膜，诸如，例如聚乙烯膜。在一些实施方案中，该方法包括用反射层遮盖外壳的外表面。反射层可以为例如反射胶带，诸如，例如铝箔胶带。
另外的讨论
辐射被动式冷凝的理论上界。大体上，当水蒸气与被动式冷凝器相互作用(图2)时，热可以从水蒸气传递至冷凝器。因为冷凝器将热散发至周围环境并且保持在低于水蒸气的温度的温度，其可以使水蒸气和淡水的液滴冷凝在冷凝器的表面上(图2)。
冷凝器能够以两种主要的方式散热：强制对流和辐射。在大多数常规的被动式冷凝器中，强制对流可以是首要的冷却机制。冷凝器的温度T冷凝器通常高于环境温度T环境，但是低于水蒸气的温度T蒸气。当环境空气流动通过冷凝器的顶表面上方(图3(a))时，热可以从冷凝器对流地传递至环境空气，提供冷凝所需的冷却功率。因此，冷凝速率可以由对流冷却功率
Figure BDA0002816548460000062
近似地定量，其中A为冷凝物-空气界面的表面积。对流传热系数hc取决于冷凝器的顶表面处的风速，对于0至10mph的风速而不考虑表面摩擦力时，对流传热系数hc通常在3至10Wm-2K-1的范围内。典型地，对流冷却功率可以为非常有限的。当没有风时，在环境温度(T环境＝20℃)下对于100℃的水蒸气，冷却功率可以为仅240Wm-2，其能够仅以0.38Lm-2小时-1(图4中的黑色虚线)使水冷凝。
此外，由于实际冷凝系统中的热损失，获得100℃的水蒸气是非常难的。大部分现有的被动式冷凝系统中的水蒸气的温度可能低于60℃。结果是，即使在hc＝10Wm-2K-1的刮风天，冷凝速率可以为仅0.63Lm-2小时-1(图4中的黑色实线)。这样的低冷凝速率最终限制了人们能够被动采集的水的量。
辐射冷凝器可以具有克服以上才描述的瓶颈的极大潜力。除对流之外，辐射冷凝器还通过辐射散热(图3(b))。这里出于简化的目的，可以假定辐射可以完全透过大气并且可以完全抑制冷凝器上的太阳辐射。因此，来自辐射的最大冷却功率可以由黑体发射的总功率来估算，即
Figure BDA0002816548460000061
其中σB为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。对于100℃的水蒸气，来自辐射的冷却功率高达～1100Wm-2，超过了没有冷凝的太阳能通量(1000Wm-2)。因此，辐射冷凝器理想地能够以2至2.9Lm-2小时-1(图4中的红色线)使水冷凝，超过理想的太阳能蒸发速率(1.6Lm-2小时-1)。另一方面，如图4所示，常规的对流冷凝器不能使环境温度的水蒸气(T蒸气＝T环境＝20℃)冷凝，这是因为没有冷却功率，即P对流＝0。形成极大对比的是，辐射冷凝器理想地能够以0.58Lm-2小时-1(图4中的红色线)使水冷凝。即使没有太阳能蒸发，其可以具有满足用于生存的最小个人饮水需求(～1.2L)的潜力。
为了进一步证明辐射冷凝器的潜力，可以分析基于太阳能蒸发的多个现有被动式集水系统。所有多个现有被动式集水系统中的冷凝器为常规的对流冷凝器。如图6中的黑色柱所示，这些系统中的测量的每日水生产率为仅0.832、2.5和4Lm-2天-1，其中水蒸气的温度分别为40、48和60℃。形成极大对比的是，辐射冷凝器能够使每日水生产率显著提高至6.2、9.1和15.2Lm-2天-1，如图6中的红色柱所示的。在一些实施方案中，辐射冷凝器能够使每日水生产量提高三倍多。
以上分析提供了辐射冷凝的理论上界。接下来，将讨论通向以下情况的途径：在日间的实际情况中实现有效的辐射被动式冷凝。
日间辐射被动式冷凝。对于其中大气是可部分透过的实际情况，可以进行图7至9所示的理论分析。图8中的灰色区指示所考虑的典型的大气透射光谱。可以考虑两种不同的辐射冷凝器：选择性辐射冷凝器(图7(a))和接近理想的辐射冷凝器(图7(b))。选择性辐射冷凝器在8至13μm的波长范围下的大气透明窗内具有统一发射率并且在外面具有零的发射率(图8中的黑色虚线)。优化的辐射冷却器在从4至25μm的波长下发射。形成极大对比的是，接近理想的辐射冷凝器在0.3至4μm的波长范围内的太阳辐射光谱下具有零的发射率并且在高于4μm的波长下具有统一发射率(图8中的红色实线)。
选择性冷凝器与接近理想的冷凝器之间的发射率的不同引起不同的散热途径。选择性冷凝器仅能散热至外太空(图7(a))，而接近理想的冷凝器与外太空和环境空气换热(图7(b))。从冷凝器至环境空气的辐射提供了用于冷凝的大量冷却能量，特别是在水蒸气是热的时。
为了定量地证明选择性冷凝器与接近理想的冷凝器之间的冷却功率的不同，可以计算不同温度的水蒸气下的冷却功率；结果从图4的图表中可以看出。环境温度可以固定在20℃，并且可以假定水蒸气可以是饱和的。当水蒸气的温度可与环境温度相同时，接近理想的冷凝器与环境空气之间的热通量可以几乎为零。因此，选择性冷凝器和接近理想的冷凝器的冷却功率可以几乎相同。如图9所示，两者能够提供100Wm-2的冷却功率，这指示了0.16Lm-2天-1的冷凝速率。然而，随着水蒸气的温度的升高，冷凝器在高于环境空气的温度下操作。结果是，接近理想的冷凝器将大量能量辐射至环境空气，导致更大的冷却功率和冷凝速率(图9)。对于100℃的水蒸气，接近理想的冷凝器的冷却功率可以为700Wm-2，是选择性冷凝器的冷却功率的2倍大。
更重要地，接近理想的辐射冷凝器可以比选择性辐射冷凝器更容易实现。选择性冷凝器需要难以制作的复杂光子结构，而接近理想的冷凝器可以通过使用低成本并且充足的聚合物材料来实现。因此，能够生产便宜的日间辐射冷凝器并且环境温度的水蒸气的日间冷凝能够得到证明。
日间辐射冷凝的实验验证。基于本公开的辐射冷却方案，可以构造一种成本效益好的辐射冷却器，并且在阳光直射下室温的水蒸气的日间辐射冷凝可以得到实验证明。
如图10(和图11的插图)所示，使用0.1cm厚的铝板作为基板制作本公开内容的成本效益好的示例性辐射冷却器。铝板具有30.48cm×35.56cm的尺寸。将150nm厚的银层沉积在铝板的第一侧上以提高在太阳辐射光谱下的反射率。然后，将100μm厚的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层施加在涂覆有银的板上。PDMS层可以是太阳辐射可透过的，但是在4至25μm下像黑体一样发射(即，在4至25μm下具有良好的发射率)。然后将板放置在隔热的聚苯乙烯泡沫箱的开口内，使得来自辐射冷却板的发射在箱的开口处离开箱。在水蒸气从入口至出口流动通过箱时，水能够在板的底表面(即，第二侧)处冷凝。为了避免在PDMS层的顶表面(即，基板的第一侧)处冷凝，可以用薄的聚乙烯(PE)膜遮盖隔热箱的开口，PE膜可以是来自PDMS层的发射可透过的。PE膜与基板的第一侧间隔开。然后用铝箔胶带遮盖隔热箱的外表面以避免太阳辐射，如图12中的制作的冷凝器的原型的图片所示。
出于对比的目的，在与上述实施方案具有相同尺寸(即，30.48cm×35.56cm×0.1cm)的铝板上制作黑体辐射冷却器和商用辐射冷却器。通过在该板上刷石墨制造黑体冷却器，并且通过将该板用可商购获得的辐射冷却箔遮盖制造商用冷却器。将冷却器也放置于如上所述的隔热箱内部，各个箱具有相同的尺寸并且外表面用铝箔胶带遮盖。对于黑体冷凝器和商用冷凝器，箱的开口都用薄PE膜遮盖以避免在相应冷却器的顶表面处冷凝。还通过将裸的铝板放置在类似的隔热箱内部并且通过用铝箔胶带遮盖该箱的开口来阻挡辐射而制作对流冷凝器。
然后，如图14所示，将所有冷凝器放置在阳光直射下。测量在三月期间在威斯康星州麦迪逊市进行。由于冬季的低的环境温度和相对湿度，使用加湿器以提高局部的相对湿度。然后将加湿的空气以0.9Lh-1的恒定流速泵入所有冷凝器。然后实时记录每个冷凝器的输出空气的温度和相对湿度。因为在室温下对流冷凝器没有使水蒸气冷凝，对于所有其他的冷凝器，对流冷凝器的输出相对湿度用作参考。然后可以由输出湿度之间的差直接计算冷凝速率。
从3月10日至3月11日的日间期间的实时冷凝速率绘制在图15中。负的冷凝速率指示蒸发。在中午阳光直射下(图14)，黑体冷凝器(蓝色线)和商用冷凝器(红色线)没有使水冷凝，甚至使日出之前已冷凝的水蒸发。形成极大对比的是，本公开内容的辐射冷却器(黑色线)能够一整天、甚至在中午使水冷凝。为了清楚地证明该不同，在3月11日中午拍摄用于每个冷凝器的板的底表面的图片。如图16所示，黑体冷凝器和商用冷凝器的板上没有形成水冷凝，而本公开内容的辐射冷凝器的板上形成了可见的水滴。可以通过测量每个冷凝器的重量的变化进一步测量水生产量，并且结果绘制在图18中。在测试的两天中的每一天，来自本公开内容的辐射冷凝器的水生产量大于黑体冷凝器和商用冷凝器的水生产量的2倍。
实验设计和表征。图11示出了设计用于接近该接近理想的冷凝器光谱(黑色虚线)的散热器的示意图。散热器可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)层和银(Ag)层和铝(Al)基板，分别具有100μm、150nm和1mm的厚度。辐射主要从PDMS层产生，并且太阳辐射可以被Ag层反射。Al基板的宽度和长度分别为30.48cm和35.56cm。可以使用傅里叶变换红外光谱法对结构的发射率进行表征，并且测量的发射光谱在图11中以红色实线示出。该发射光谱与接近理想的冷凝器的光谱(黑色虚线)很类似。
可将散热器放置在由聚苯乙烯制成的隔热箱内部，如图12所示。可以用铝箔胶带遮盖隔热箱的外表面以反射太阳辐射。可以用低密度聚苯乙烯膜遮盖隔热箱的开口以降低对流热损失。
为了对阳光直射下的辐射冷凝器的冷却功率进行表征，如图12中的图片所示，将辐射冷凝器实验地放置在威斯康星大学麦迪逊分校的屋顶上。冷凝器的温度可以通过用导电胶带将热电偶附接在冷凝器的背面的中心来测量。环境空气的温度可以通过将热电偶放置在天气防护罩(weather shield)内部以避阳光和风来测量。测量在一个有晴空的晴天从07:00进行至19:00。图13示出了冷凝器的温度(红色曲线)和环境空气的温度(黑色曲线)以及计算的冷却功率(蓝色曲线)。一整天内冷凝器的温度可以比环境温度低约8℃，指示约80Wm-2的日间冷却功率。
日间冷凝的证明。日间辐射冷凝器的优点可以为，即使在阳光直射下其能够使环境温度的水蒸气冷凝。为了清楚地证明这个效果，制作三个额外的实验设备：没有使水冷凝的一个参考设备、一个黑体冷凝器和一个商用夜间辐射冷凝器。所有装置以与图12所示的日间辐射冷凝器相同的方式配置。
然后，如图14中的图片所示，将所有冷凝器放置在阳光直射下。由于冬季中低的环境相对湿度(～40％)和冷凝器的小的面积(～0.05m2)，很难观察到环境水蒸气的冷凝。因此，可以使用加湿器以提高局部的相对湿度。然后通过空气泵以0.9m3小时-1的恒定流速将加湿的空气泵入所有冷凝器。输出空气的温度和相对湿度可以通过将温度和相对湿度探头直接附接在输出出口处来测量。然后冷凝速率可以通过对比来自冷凝器与参考设备的输出绝对湿度而直接获得。
测量在三月在威斯康星大学麦迪逊分校进行。日间期间的典型测量(图15b)示出了日间辐射冷凝器(红色曲线)、商用夜间冷凝器(蓝色曲线)和黑体冷凝器(黑色曲线)的冷凝速率。证实了，仅反射太阳辐射的日间辐射冷凝器能够在日间使水冷凝。为了使日间冷凝效果进一步可视化，在3月11日中午拍摄所有三种冷凝器的背面的图片。图片示出在图16中。仅能在日间冷凝器的背面看见可见的水滴，证实了其在阳光直射下的日间冷凝。
日间冷凝显著增加了总的水生产量。图18示出了不同的两天中从白天到夜晚的总的水生产量。日间冷凝器的总的水生产量为商用夜间冷凝器的总的水生产量的几乎两倍。此外，由于在日间吸收了太阳辐射，黑体冷凝器使其夜间的水生产全部蒸发，得到几乎为零的水生产量。
用于太阳能蒸馏器的透明辐射冷却器。如前面讨论的，大部分现有的辐射冷却器设计为反射大部分太阳辐射。然而，常规的太阳能蒸馏器中的冷凝器可能必须透明以使太阳辐射到达盆池(图5)。因此，这些现有的辐射冷却器不能用于常规的太阳能蒸馏器。
为了解决这个问题，本公开内容的另一实施方案可以为一种简单的辐射冷却方案，其可以是太阳辐射可透过的。在这样的实施方案中，将例如PDMS的涂层施加在玻璃基板上。PDMS和玻璃都是太阳辐射可高度透过的但是在中红外区域下有效发射的(并且PDMS比玻璃在该区域下发射性更好)。通过将玻璃盖(图5)替换为本公开的实施方案的透明辐射冷却器，冷凝速率可以提高50％多。
用于太阳能蒸馏器的透明辐射冷凝器。大部分现有的辐射冷却系统设计为反射太阳辐射，使得难以将其实施在太阳能蒸发系统中。本文提出了一种透明辐射冷凝器，其可容易地实施在当前的太阳能蒸发系统中。可以使每日水生产量大约提高100％多。
图19a示出了透明辐射冷凝器和其透射光谱(红色曲线)和发射光谱(黑色曲线)的示意图。该透明辐射冷凝器可以包括玻璃基板的顶部上的PDMS层，PDMS层具有100μm的厚度。PDMS和玻璃都是太阳辐射光谱中高度透明的，允许太阳辐射穿过它们(图19b)；并且PDMS在4至30μm的波长范围下具有高的发射性，使如前面所讨论的有效的辐射冷凝成为可能。此外，玻璃是太阳能蒸发系统中最常见的对流冷凝器。可以容易地将PDMS薄层施加在现有的太阳能蒸发系统的玻璃的顶部上，并且通过辐射冷却来加快水冷凝。与纯玻璃盖相比，涂覆有PDMS的玻璃使水生产量提高了约20％。
对于从20至40℃的环境温度，用于使环境空气冷凝的最大冷凝速率可以为0.16至0.32Lm-2小时-1。由于热损失，这个极限难以接近。
下列陈述提供本公开内容的被动式冷却器、用于冷凝器的散热器和制造被动式冷却器的方法的非限制性实施例：
陈述1、一种被动式冷却器，包括：本文中描述的导热基板，导热基板具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中第一侧具有至少95％的太阳能反射率；和本文中描述的涂层，涂层设置在基板的第一侧的至少一部分上，涂层是太阳辐射可透过的或基本上可透过的并且在4与25μm之间的大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率；和本文中描述的外壳，外壳具有一个或多个隔热壁，其中隔热壁与基板一起限定从外壳的入口至外壳的出口的蒸气流动通道，使得基板的第二侧暴露于流动通过通道的蒸气；
陈述2、根据陈述1所述的被动式冷却器，其中导热基板具有至少3Wm-2K-1的传导传热系数；
陈述3、根据陈述1或陈述2所述的被动式冷却器，其中基板包括本文中描述的反射层，反射层在第一侧上，其中反射层提供太阳能反射性；
陈述4、根据陈述3所述的被动式冷却器，其中反射层为银；
陈述5、根据前述陈述中任一项所述的被动式冷却器，进一步包括本文中描述的风扇，风扇配置为使蒸气移动通过外壳的蒸气流动通道；
陈述6、根据前述陈述中任一项所述的被动式冷却器，进一步包括本文中描述的透明盖，透明盖与基板的第一侧间隔开；
陈述7、根据陈述6所述的被动式冷却器，其中涂层为至少50μm厚；
陈述8、根据前述陈述中任一项所述的被动式冷却器，其中基板为铝；
陈述9、根据陈述1至7中任一项所述的被动式冷却器，其中基板为玻璃；
陈述10、根据前述陈述中任一项所述的被动式冷却器，其中涂层为基于硅的有机聚合物；
陈述11、根据陈述10所述的被动式冷却器，其中基于硅的有机聚合物为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)；
陈述12、一种用于冷凝器的散热器，包括：本文中描述的导热基板，导热基板具有第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中第一侧具有至少95％的太阳能反射率；本文中描述的涂层，涂层设置在基板的至少一部分上，涂层是太阳辐射可透过的并且在4与25μm之间的大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率；
陈述13、一种制造被动式冷却器的方法，包括：通过提供本文中描述的导热基板形成辐射冷却板，导热基板具有第一侧和第二侧，第一侧具有至少95％的太阳能反射率；和将本文中描述的涂层施加在第一侧上，其中涂层是太阳辐射可透过的或基本上可透过的并且在4与25μm之间大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率；和将辐射冷却板放置在本文中描述的隔热外壳的开口内，使得来自辐射冷却板的第一侧的发射经由开口离开隔热外壳，并且冷却板的第二侧暴露于外壳的蒸气流动通道；
陈述14、根据陈述13所述的方法，进一步包括用与基板的第一侧间隔开的透明盖遮盖开口；
陈述15、根据陈述13至14中任一项所述的方法，进一步包括用反射层遮盖外壳的外表面；
陈述16、根据陈述13至15中任一项所述的方法，其中反射层为箔胶带；
陈述17、根据陈述16所述的方法，其中箔胶带为铝箔胶带；
陈述18、根据陈述13至16中任一项所述的方法，其中导热基板包括第一侧上的反射层；
陈述19、根据陈述13至17中任一项所述的方法，其中涂层是基于硅的有机聚合物；
陈述20、根据陈述19所述的方法，其中基于硅的有机聚合物为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)；
陈述21、一种使水冷凝的方法，包括：提供根据陈述1至11中任一项所述的被动式冷却器；和使水蒸气穿过被动式冷却器的蒸气流动通道，使得水蒸气的至少一部分冷凝在基板的第二侧上以产生冷凝物；和
陈述22、根据陈述20所述的方法，其中基板的第一侧暴露于移动的空气物质，使得被动式冷却器经由对流发射热能。
尽管相对于一个或多个特定实施方案和/或实施例描述了本公开内容，应理解的是，在不脱离本公开内容的范围的情况下可以作出本公开内容的其他实施方案和/或实施例。
本文中公开的多个实施方案和实施例中描述的方法的步骤足够进行本发明的方法。因此，在一个实施方案中，该方法基本上由本文中公开的方法的步骤的组合组成。在另一实施方案中，该方法由这些步骤组成。

Claims (22)

1.一种被动式冷却器，包括：
导热基板，所述导热基板具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第一侧具有至少95％的太阳能反射率；
设置在所述基板的所述第一侧的至少一部分上的涂层，所述涂层是太阳辐射可透过的或基本上可透过的并且在4与25μm之间的大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率；和
具有一个或多个隔热壁的外壳，其中所述隔热壁与所述基板一起限定从所述外壳的入口至所述外壳的出口的蒸气流动通道，使得所述基板的所述第二侧暴露于流动通过所述通道的蒸气。
2.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述导热基板具有至少3Wm-2K-1的传导传热系数。
3.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述基板包括所述第一侧上的反射层，其中所述反射层提供太阳能反射性。
4.根据权利要求3所述的被动式冷却器，其中所述反射层为银。
5.根据权利要求1所述的被动式冷却器，进一步包括风扇，所述风扇配置为使蒸气移动通过所述外壳的所述蒸气流动通道。
6.根据权利要求1所述的被动式冷却器，进一步包括与所述基板的所述第一侧间隔开的透明盖。
7.根据权利要求6所述的被动式冷却器，其中所述涂层为至少50μm厚。
8.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述基板为铝。
9.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述基板为玻璃。
10.根据权利要求1所述的被动式冷却器，其中所述涂层为基于硅的有机聚合物。
11.根据权利要求10所述的被动式冷却器，其中所述基于硅的有机聚合物为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)。
12.一种用于冷凝器的散热器，包括：
导热基板，所述导热基板具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述第一侧具有至少95％的太阳能反射率；
设置在所述基板的至少一部分上的涂层，所述涂层是太阳辐射可透过的并且在4与25μm之间的大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率。
13.一种制造被动式冷却器的方法，包括：
通过提供具有第一侧和第二侧的导热基板形成辐射冷却板，所述第一侧具有至少95％的太阳能反射率；并且将涂层施加在所述第一侧上，其中所述涂层是太阳辐射可透过的或基本上可透过的并且在4与25μm之间大部分光谱波段下具有大于0.95的发射率；和
将所述辐射冷却板放置在隔热外壳的开口内，使得来自所述辐射冷却板的所述第一侧的发射经由所述开口离开所述隔热外壳并且所述冷却板的所述第二侧暴露于所述外壳的蒸气流动通道。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括用与所述基板的所述第一侧间隔开的透明盖遮盖所述开口。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括用反射层遮盖所述外壳的外表面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述反射层为箔胶带。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述箔胶带为铝箔胶带。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述导热基板包括所述第一侧上的反射层。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述涂层是基于硅的有机聚合物。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述基于硅的有机聚合物为聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)。
21.一种使水冷凝的方法，包括：
提供根据权利要求1至11中任一项所述的被动式冷却器；和
使水蒸气穿过所述被动式冷却器的所述蒸气流动通道，使得所述水蒸气的至少一部分冷凝在所述基板的所述第二侧上以产生冷凝物。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述基板的所述第一侧暴露于移动的空气物质，使得被动式冷却器经由对流发射热能。
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