用于透明系统被动式太阳能控制的具有光谱选择性的涂层的几何激活技术

《ENERGY AND BUILDINGS》：Geometric activation of spectrally selective coatings for passive solar control in transparent systems

　　摘要：本研究探讨了作为一种被动式太阳能控制方案的透明WO?/Au/WO?热反射镜，重点研究了其光学截止波长的角度蓝移现象以及如何通过屋顶结构利用这一效应。在相同的达兰晴天条件下，对比了三种案例：普通透明玻璃平顶屋、热反射镜平顶屋以及倾角为10°至70°的热反射镜帐篷式屋顶。通过测量所制热反射镜在350–2000纳米波长范围内及最大70°入射角度下的透光率和反射率，将其直接应用于瞬态光热模型中。研究结果表明，仅使用热反射镜就能相比透明玻璃显著降低热量，使板面峰值温度降低约13%，每日吸收的太阳能减少约61%。当该涂层与帐篷式结构结合时，效果更为显著。表现最佳的70°倾角热反射镜帐篷式屋顶，其板面峰值温度相比普通透明玻璃平顶屋降低了约46%，相比热反射镜平顶屋则降低了约38%。这种现象的光学原因在于涂层的角度蓝移：随着入射角度的增加，反射率峰值向较短波长移动，因此在这种倾斜阳光条件下，屋顶能阻挡更多携带热量的近红外辐射。在研究的各个倾角范围内，将屋顶倾角从10°增至70°可使板面峰值温度降低约36%，而每日需处理的热量则从大约6.8×103增加到7.4×103千焦/平方米·天。这些研究结果表明，透明热反射镜屋顶的隔热性能不仅取决于多层光谱选择性，还与屋顶形状如何创造更有利的角度光学条件有关。

引言：在全球范围内，建筑依然是能源消耗最大的领域之一，而且这一压力还在不断加剧。根据国际能源署的数据，建筑约占全球最终能源需求的30%，而在建筑能源消耗中，空间降温领域的增长速度最快，2022年的增长率超过了3%。在温暖和炎热的气候条件下，透明建筑围护结构加剧了这一问题，因为它们虽然能让建筑师和使用者获得所需的自然光照，但同时也让大量太阳热量进入室内。在地面层，太阳光谱中只有约42%–43%是可见光，而大约52%–55%属于近红外波段，正是这一波段带来了大部分不必要的热量负荷。因此，核心工程问题不仅仅是如何传输光线，而是如何选择合适的光线成分，同时阻挡那些会提升室内温度、增加冷却负荷并降低舒适度的热辐射波长。解决这一问题的最巧妙方法之一就是太阳光束分离技术。这种技术并非将阳光视为单一波段，而是将入射光谱分解成不同部分，根据具体应用需求分别进行引导、传输、反射或吸收。在此背景下，热反射镜和冷反射镜则是两种极为重要的波长选择性元件。热反射镜通常会让大部分可见光透过，同时反射近红外光，因此非常适合用于太阳能控制、玻璃制品以及被动式热管理。而冷反射镜则功能相反，它能反射可见光，让红外光透过，因此在混合光伏/热能系统以及光伏/热电系统中十分有用，因为在这些系统中，可见光会被引导至光伏电池，而热辐射波长则被引导到其他地方。这一区别至关重要：在发电系统中，冷反射镜更具优势，因为它能优先让可见光到达光伏电池；而在透明建筑围护结构中，热反射镜往往更适用，因为其目标是抑制热量吸收，同时保留自然光照。在建筑玻璃相关研究中，人们早已认识到透明热反射镜能够实现这种平衡。Al-Kuhaili等人[1]指出，通过热蒸发法制备的WO?/Au/WO?多层膜可作为节能型透明热反射镜，他们发现最佳的金层厚度为36纳米，此时该材料的峰值光谱透光率为84%。后来，他们还将这一概念应用到WO?/Au/WO?多层膜上，发现25/16/25纳米厚的多层膜具有67微欧姆·厘米的电导率、10.2欧姆的方阻、75%的平均可见光透光率，而且当太阳光穿过玻璃窗时，能使温度降低14摄氏度[2]。Nur-E-Alam等人[3]也展示了低辐射涂层玻璃的改造价值，他们发现这种涂层仅会使可见光透光率降低8%–10%，却仍能保持较低的熱辐射率。与此同时，人们在兼具光学选择性和热管理功能的多功能透明薄膜方面也取得了进展。Feng等人[4]制备了一种柔性ITO/Ag/ITO多层膜，其在550纳米波长处的透光率为87.5%，电磁屏蔽效果为36.5分贝；由于采用了双面对称设计，屏蔽效果提升到了67.5分贝，但透光率仍保持在85.7%。Zhang等人[5]开发了一种可紫外线固化的纳米WO?涂层，6重量百分比的该涂层即可实现70%的可见光透光率，同时还能阻挡90%的红外光；而8重量百分比的涂层虽然能将红外光阻挡率提升到96%，但会降低材料的光学透明度。Liu等人[6]则研制出一种透明聚合物复合窗膜，该膜能使可见光透光率保持在70%以上，同时阻挡超过90%的紫外线和70%以上的近红外辐射，还能将室内温度降低10摄氏度左右，每年可节省14.1%–31.9%的制冷能耗，最高可节省261兆焦/平方米·年。Yu等人[7]则制造出一种含有CsxWO3/SiO2-SH纳米颗粒的柔性智能窗户，他们发现这种窗户能将可见光透光率调节在0.5%到71.2%之间，同时能阻挡超过75%的近红外辐射，还能使测试房屋之间的室外温度差异保持在7摄氏度左右。在更最新的研究中，这一研究方向又向前迈进了一步，人们开始尝试将热致变色微胶囊与此类材料结合，旨在打造既能控制可见光透光率又能阻挡近红外辐射的柔性智能窗户[8]。Jiang等人[9]则开发出一种热致变色窗户，其在低温状态下的可见光透光率为86.9%，高温状态下则为63.4%，同时还能实现44.0%的近红外光透光率调节能力以及76.5%的中红外辐射发射率调节能力。在户外测试中，这种窗户在夏季白天的温度比普通玻璃低约4摄氏度，冬季白天则高约2摄氏度，春季夜晚的温度则高约1摄氏度。最近的智能窗户研究还表明，人们越来越倾向于通过结合光谱调控和辐射调控策略来实现热控制，而不仅仅依赖可见光/近红外光的选择性控制。2025年有研究报道了一种高可见光透明度的热致变色窗户，它在两种光学状态下的可见光透光率分别为86.9%和63.4%，同时还能实现44.0%的近红外光调节能力和76.5%的中红外辐射发射率调节能力；使用这种窗户，夏季白天的室内温度可降低约4摄氏度，冬季白天的温度则可上升约2摄氏度，相比普通硅玻璃而言[9]。从更广泛的角度来看，最近的综述文章也揭示了该领域正朝着多波段和动态自适应控制方向发展。Kandil等人的综述[10]梳理了从光谱分离到波长选择性滤波器以及混合太阳能系统等各种太阳能光谱适配方案。Gillissen[11]也从数值模拟角度证实了这一趋势，他指出基于等离子体ITO的电致变色材料在近红外波段可实现超过40%的光学对比度，且几乎不会对可见光造成影响；而基于WO?的电致变色材料则能实现高达98%的可见光透光率对比度，其稳定性可超过100,000次着色/褪色循环。这些研究都表明，该领域正逐渐朝着对光和热进行独立且精确控制的方向发展，而这正是实现先进透明屋顶所必需的条件。Wang等人[5]的研究表明，含有6重量百分比纳米WO?的薄膜不仅能实现90%的红外光阻挡率，还能保持70%的可见光透光率。虽然建筑围护结构领域的研究者主要关注低辐射涂层、智能窗户以及红外光阻挡膜，但太阳能领域的研究人员则通过使用热反射镜、冷反射镜、纳米流体过滤器以及光学分光器等手段，将太阳光谱的不同波段引导至不同的转换装置，从而在光束分离技术方面取得了更大进展。Markides[12]为这一领域确立了重要的理论里程碑，他明确了聚焦型光谱分离光伏-热能收集器的效率极限和设计空间，指出其性能上限在很大程度上取决于所选用的光伏材料和光学滤波器。此后，人们开始通过实验研究将这一概念转化为实际的光束分离器。Piarah等人[13]在卤素光源下对TechSpec AOI 50.0毫米见方的热反射镜和冷反射镜进行了性能测试，这些反射镜被用于光伏-热电联产系统。Djafar等人[14]随后直接对比了热反射镜和冷反射镜的性能，发现冷反射镜向光伏侧反射的功率为317.44瓦特/平方米，而热反射镜的反射功率为300.73瓦特/平方米；相应地，使用冷反射镜时的系统输出功率为240.64瓦特/平方米，转化效率为27.0%，而使用热反射镜时的输出功率为228.84瓦特/平方米，转化效率为25.76%。这些结果非常重要，因为它们表明“最佳”反射镜的选择取决于具体应用目标：如果目标是最大化输送到光伏侧的光子量，那么冷反射镜更为合适；而如果是在透明屋顶中降低传递的热量，那么热反射镜可能更佳。2020年后，关于光束分离技术的研究迅速发展，尤其是在光伏/热电联产系统和光伏/热电转换系统中。Kandil等人[15]研究了低浓度光伏系统中的可变截止波长问题，发现最高效率出现在约900纳米波长处，而在最大功率点跟踪条件下，最高总输出功率则出现在约600纳米波长处。在后续的实验/理论研究中，同一研究小组发现，在最大允许工作条件下，采用光束分离技术的光伏/热电联产系统能够在16倍太阳辐照度下正常运行，而如果不采用光束分离技术，则只能在8倍太阳辐照度下运行；在这种条件下，系统的平均输出功率密度从约850瓦特/平方米上升到了1215瓦特/平方米，这意味着系统产生的总电能增加了近43%[16]。他们还在系统中加入了相变材料并采用了二维跟踪技术，发现当截止波长为700纳米时，系统中的可见光部分占比为39.33%，热辐射部分占比为60.66%，此时系统的总发电量再次从大约850瓦特/平方米上升到了1200瓦特/平方米，而且在1000瓦特/平方米的辐照度下，系统的能量利用率甚至可达到0.46[17]。其他近期研究也证实，可以通过多种方式对光谱分离效果进行调控和强化。Peacock等人[18]进一步研究了这一技术，他们发现那种能够将485–860纳米波段的光线引导至光伏吸收器的光束分离器，不仅能产生24%的有用电能和31%的有用热能，而且在马斯喀特，这种光束分离器每平方米每天可产生最多2.1千瓦时的电能；在西班牙，其电力的 Levelized Cost of Energy甚至低至0.10英镑/千瓦时，投资回收期仅为4–5年。这些研究清楚地表明，光谱管理已不再是一种理论上的有趣概念，而是一种实用的设计工具，可用于根据所需的散热和发电目标来重新分配太阳能。Yang等人[19]发现，在截止波长分别为880纳米、990纳米和1100纳米的光束分离器中，880纳米波长的分离器性能最佳，它所产生的电能分别为1.64瓦特，而单独使用光伏电池时的电能仅为1.1瓦特，也就是说，使用这种分离器可使电能产出提高49.1%。他们还发现，将热电转换部分的厚度从1.0毫米增加到1.5毫米，可使系统输出功率提高24.2%；而将聚光比从55提升到146，可使系统总输出功率提高65%，同时热电转换部分在系统总输出功率中所占的比例则从15.2%上升到了37.5%。Fang等人[20]则进一步将这一概念拓展到了聚焦型光伏/热电系统与两级奥尔佐格循环系统的组合架构中，他们发现，随着辐照强度从600瓦特/平方米升高到1000瓦特/平方米，系统的总电能转换效率可从8.98%提升到16.94%，而系统的日电能产出和热能产出则分别可达2.14千瓦时/平方米·天和6.17千瓦时/平方米·天。这些研究都强调了一个重要观点：光谱分离技术已不再是小众的光学技术，而是一种系统级设计工具，可用于根据下游的散热和发电需求来重新分配太阳能。最近，有人采用多目标优化方法对一种多尺度纳米流体光束分离光伏/热电系统进行了优化，优化过程中考虑了纳米颗粒的选择、系统运行条件以及光/热耦合效应[21]。一个完整的光-热-电耦合模型显示，与普通纳米流体相比，经过优化的纳米流体可使系统的电能转换效率提高1.5%以上，同时还能使系统出口处的温度降低1.2摄氏度[22]。Du等人[23]提出了一种二次反射式光谱光束分离光伏/热电系统，他们发现，使用这种系统的光伏电池光电转换效率比普通太阳能电池高出7.3%，而该系统的最高热效率、真空管集热器的热效率以及系统的电能转换效率则分别达到了49.8%、72.7%和15.05%。Li等人[24]则提出了一种结合光谱分离技术与热电转换技术的光伏热能利用方案。Kandil等人[25]则将研究方向转向了基于聚光条件的熵分析，他们强调，只要合理选择操作聚光度，光谱分离技术就能同时提升系统的熵值和整体效率。最近有一项关于聚焦型光束分离光伏/热电系统的瞬态研究，该研究强调了长期动态运行的重要性，而不能仅仅依靠稳态分析来进行评估。Jiwanapurkar等人[26]在户外条件下对TiO2纳米流体分光型光伏/热系统进行了实验验证，结果表明，添加0.04 wt%的TiO2纳米流体过滤器可使光伏面板表面温度降低12–15°C，电能转换效率稳定在7.4%–9.4%之间，热能转换效率则为45%–67%，在高峰时段整体效率可超过70%。最近的综述研究指出，为提升建筑能源效率同时保持自然采光和室内舒适度，先进的玻璃技术正在快速发展[27]。这些技术包括低辐射涂层、光谱选择性涂层、太阳控制膜、智能玻璃、透明隔热材料、热致变色系统以及建筑集成光伏玻璃，它们均通过改进玻璃材料本身来调节太阳热量的吸收[28]。尽管这些技术在热性能和光学性能方面已取得显著提升，但相关综述仍认为需要进一步开发能够同时兼顾热性能、采光效果、能源效率及实际应用性的被动式太阳控制策略[28]。因此，当前的研究越来越重视开发创新性的被动解决方案，以在增强太阳控制效果的同时不损害建筑围护结构的透明度和采光功能[29]。与那些主要通过材料优化来实现太阳控制的方案不同，本研究探讨了如何利用屋顶几何结构来激发光谱选择性热镜涂层的角度依赖性光学特性。该研究并非将屋顶几何结构仅仅视为一种建筑特征，而是将其作为一种被动光学设计参数，从而持续改变涂层在一天中所承受的太阳入射角度。这样一来，热性能的提升便源于实验测得的角度依赖性光学特性与屋顶几何结构之间的相互作用，使得传统的选择性窗口策略不再局限于单纯的材料优化。尽管已有诸多进展，但仍存在一个重要空白：大多数关于透明热镜的研究仍将涂层视为玻璃或窗体元件，重点关注正常入射条件下的光学性能、平均可见光透射率或窗户层面的节能效果；而大多数分光研究则聚焦于光伏/热、光伏/热电发电机、光伏/相变材料或光伏/有机朗肯循环等主动式混合系统，其中的分光器主要用于发电和热能联合产生。很少有研究试图连接这两类研究方向，探究当热镜涂层作为透明屋顶元件在不断变化的室外太阳入射条件下时的表现；更少有研究考虑到，随着入射角度的增加，多层热镜的截止波长会向较短波长偏移，进而改变白天被阻挡的近红外辐射比例。这种蓝移效应对于倾斜屋顶尤为重要，因为在大部分日照时间内，倾斜屋顶的太阳入射角度本就比平屋顶更为倾斜。本研究正是针对这一交叉点展开的。它并未将热镜仅作为窗体涂层或光伏混合系统中的分光器使用，而是将一种经过设计的WO3/Au/WO3透明热镜作为被动式太阳控制屋顶元件进行研究。与传统的光谱选择性窗口不同，后者主要通过优化涂层本身来实现太阳控制效果的提升，而本研究则通过将涂层的角度依赖性光学特性与屋顶几何结构相结合，引入了额外的设计维度。在所提出的概念中，屋顶几何结构并非仅仅被视为建筑特征，而是一种被动光学设计参数，能够持续改变涂层在一天中所承受的太阳入射角度。这样一来，相同的熱镜涂层无需改变其多层结构，就能在更有利的光学条件下工作，从而借助角度蓝移效应实现更强的近红外辐射阻挡。因此，其热性能的提升源于几何结构与实验测得的角度依赖性光学特性之间的相互作用，而非仅依靠材料优化。据作者所知，此前尚无研究在真实的太阳光照条件下，直接结合实验测得的WO?/Au/WO?热镜的角度依赖性光学特性、角度蓝移现象以及屋顶几何结构的动态变化来开展研究：即（i）在70°入射角度下，对所制备涂层在350–2000纳米波长范围内的角度依赖性透射率和反射率进行实验测量；（ii）研究斜入射条件下截止波长的蓝移现象；（iii）对三种屋顶结构进行动态对比分析，分别是参考用的透明玻璃平屋顶、热镜平屋顶以及热镜帐篷屋顶。通过这样的研究，该研究超越了正常入射条件下的光学特性分析以及传统的分光发电应用范畴，展示了如何利用屋顶几何结构本身来实现对太阳光谱的敏感控制。换言之，帐篷屋顶并非仅仅作为一种几何结构上的改动而被引入，而是作为激发热镜更优光学性能的手段。多层光谱选择性、角度蓝移效应与屋顶形态之间的这种耦合，构成了本文的主要科学贡献，也为在保持透明屋顶采光功能的同时减少太阳热量吸收提供了新的被动解决方案。本研究采用了实验表征与数值分析相结合的方法。实验方面，研究人员制备了WO3/Au/WO?热镜涂层，并在350–2000纳米的波长范围内，针对多种入射角度测量了该涂层的角度依赖性透射率和反射率。随后，这些实验测得的光学特性被直接纳入一个瞬态光热模型中，用于在相同的环境条件下比较三种屋顶结构——参考用的透明玻璃平屋顶、热镜平屋顶以及热镜帐篷屋顶——的热性能。