建筑物的电力消耗增加了600 TWh（5%），占全球电力需求增长的近60%。这一增长主要是由于对空调的需求增加，以维持室内热舒适度[1]。因此，通过利用可再生能源和被动冷却策略来缓解快速增长的空调电力需求已成为一个关键的研究领域[2]。在各种基于可再生能源的冷却方法中，利用外太空（约3 K）的冷源的被动技术，即辐射天空冷却（RC），已经取得了显著进展，并越来越多地被认为是一种有前景、节能的建筑冷却替代方案[3],[4],[5]。
具体来说，RC技术无需外部能量输入，就可以通过“大气窗口”（光谱范围为8至13 μm）将多余的热量散发到外太空，在夜间表现出优异的冷却性能[6],[7]。然而，在白天，RC发射器的冷却功率密度远低于太阳辐射，并且对环境条件非常敏感[8]。这种敏感性是因为其冷却功率密度（Pcool）不仅取决于发射的热辐射（Pemi），还取决于吸收的太阳辐射（Psol）和天空辐射（Psky）。此外，当RC发射器倾斜或垂直放置时，还需要考虑与周围物体的热交换（Psur）[9]。因此，在实际应用中，有效的RC功率可能会减少一半甚至更多[10]。
为了提高RC技术的白天冷却性能，人们采取了超越进一步优化RC材料光谱特性的方法[11],[12]。特别是，开发了集成不同太阳屏蔽配置的新型RC发射器，如环形阻挡[13]、镜板[14]和聚光器[15],[16],[17]，以防止太阳辐射到达RC发射器。在这些策略中，基于聚光器的配置特别受到关注，因为它们能够同时提供有效的太阳屏蔽和热辐射的方向控制。与传统的太阳聚光器不同，后者旨在收集和增强阳光以进行太阳能收集，而RC系统中的聚光器主要起到太阳阻挡器和热辐射聚光器的作用。通过优先将RC发射器发出的热辐射引导到天顶方向（大气透明度最高的地方[16]），并通过聚光器与RC发射器之间的高度分离提供几何屏蔽，这些系统可以有效抑制来自大于聚光器半接受角（θmax）的大天顶角度（θ）的热辐射和太阳辐射[18]。
基于这一概念，研究了多种聚光器几何形状，以提高RC系统的Pcool，包括抛物面槽[15],[19]、倒金字塔[20]、截断或非截断的倒圆锥[11],[21]、V形槽[17]和复合抛物面聚光器（CPC）[22]。这些设计通过部分限制与天空和周围障碍物的不希望的辐射交换，并限制入射太阳辐射和发射热辐射的角度分布，显著提高了白天的冷却性能。在这些配置中，基于CPC的RC模块表现出特别强的性能，与V形槽和平坦RC模块相比，平均冷却能力分别提高了5.9%和15.3%[23]。
尽管取得了这些进展，但仍有几个限制因素阻碍了集中RC系统在实际应用中的部署。首先，由于聚光器的固有几何光学特性，当太阳入射角落在θmax范围内时，它们预期的太阳阻挡功能可能无法实现，导致太阳辐射集中在RC发射器上。这种效应会显著增加太阳吸收并降低冷却性能，尤其是在中午时分。此外，聚光器结构的引入通常会增加系统的占地面积，可能会减少有效的冷却面积，这对在空间受限的建筑屋顶或立面上进行集成构成了挑战。此外，现有的大多数集中RC系统都是专门为冷却主导的季节设计的，并没有提供利用透射或反射太阳能的途径[14],[24]，导致潜在有价值的太阳能资源被浪费。
为了进一步减少照射在RC发射器上的太阳辐射，同时收集和利用这些太阳能，从而提高整体能源效率并增强模块的季节适应性，本研究提出了一种创新配置，其中透明复合抛物面聚光器与光谱分割膜（SS-TCPC）结合使用，作为光谱-空间分离器，选择性地将短波太阳辐射和长波热辐射重新定向。具体来说，在两个相邻的SS-TCRC模块之间的间隙中安装了光伏（PV）模块，以捕获重新定向的太阳辐射，创建了一个称为CLARITY的混合系统（通过辐射冷却集成光伏进行冷却和发电）。CLARITY的核心创新可以概括为三个方面。首先，光谱-空间分离策略解决了白天RC和太阳能收集之间的固有冲突，使单个设备能够同时进行太阳能利用和辐射天空冷却。其次，与传统将入射阳光反射远离设备的RC发射器不同，CLARITY设计为将RC发射器反射的太阳辐射重新导向光伏模块，从而减少浪费在周围的太阳辐射，同时保持有效的光伏转换收集面积。第三，所提出的数学模型不仅考虑了与太阳和天空的辐射热交换，还考虑了与当地环境（如地面）的辐射热交换，从而提供了更准确的冷却性能评估。
本研究首先通过数值模拟评估了CLARITY的冷却性能，并将其与传统RC设备的性能进行了比较。然后系统地研究了不同SS-TCPC结构设计和RC发射器配置对整个模块性能的影响，旨在最大化PV模块的太阳能捕获量，同时提高RC性能。
