微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究

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1、硕士学位论文微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究THERESEARCHONRADIATIONCOOLINGOFMICRO-NANOPARTICLEPOLYMERFILM吕尧兵哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK121学校代码：10213国际图书分类号：536.3密级：公开工学硕士学位论文微纳米粒子聚合物薄膜的辐射制冷研究硕士研究生：吕尧兵导师：裘俊副教授申请学位：工学硕士学科：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:TK121U.D.C:536.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHERESEARCHONRADIATIONCOOLINGOFMICRO-NANOPARTICLEPOLYMERFILMCandidate：LvYaobingSupervisor：A.P.QiuJunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringThermophysicsAffili

3、ation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要对人类生存与社会发展来说，能源是必要的物质基础。伴随着社会的发展和人们对于生活舒适性的不断追求，人类在能源方面的消耗量也越来越大。一方面，人类目前使用的绝大多数的能源，如煤、石油、天然气以及其他各种矿产资源属于不可再生的能源；另一方面，这些化石能源的

4、大量燃烧会造成空气污染、温室效应等生态危害。目前，建筑耗能已占社会总耗能的40%以上，而在建筑耗能中最重要的一项就是空调、冰箱等制冷设备的消耗。辐射制冷在节约能源方面具有重要的作用，它被认为是21世纪最具有吸引力的概念之一。辐射制冷机制广泛地存在于自然界中，然而，对于普通的材料来说，辐射制冷十分低效。为了提高辐射冷技术的效率、降低辐射制冷的应用成本，本文提出了多种具有良好辐射制冷效果的微纳米粒子聚合物薄膜。本文通过米氏散射（Mie理论）计算出粒子的辐射特性，然后利用蒙特卡洛方法（MonteCar

5、loMethod,MCM）来求解微纳米粒子聚合物薄膜中的光路传输问题，在此基础之上，形成了一套微纳米粒子聚合物薄膜辐射特性的计算方法。本文分别对置于非吸收性介质与吸收性介质中的微纳米粒子的辐射特性进行了探讨，计算了非吸收性粒子系与吸收性粒子系的光谱辐射特性，并且分析了相应的辐射制冷功率。本文基于传统的Mie理论与MCM，研究了Al2O3、SiO2、TiO2微纳米粒子置于非吸收性介质中的光谱辐射特性以及相对应的辐射制冷的计算。本文通过模拟0.2~26μm波段的光谱辐射特性，探讨了微纳米粒子的粒径d

6、、体积分数fv以及微纳米粒子聚合物薄膜的厚度h对制冷效果的影响，并对这些参数进行了优化。经优化，得到最具辐射制冷效果的结构是：SiO2+Al2O3微纳米粒子聚合物薄膜，该结构在0.2~4μm波段的平均反射率能达到0.75以上，在8~13μm波段的平均发射率能达到0.95以上，当该结构表面温度为300K时，白天的净功率能达到200.49W/m2，夜晚的净功率能达到204.13W/m2。本文基于广义的Mie理论与MCM，研究了介质的吸收性能对于粒子的辐射特性、吸收性粒子系光谱辐射特性以及辐射制冷的影

7、响。广义Mie理论在一定的吸收指数与尺度参数范围内能够正确计算出吸收性介质中粒子的辐射特性参数。当介质的吸收指数较小时，传统Mie理论与广义Mie理论计算出来的吸收系数、散射系数并没有太大的差别；随着吸收指数的增大，吸收系数、散射系数以及散射相函数将会出现明显的差别。然而，当本文所研究的介质的吸收指数过大（m≥0.05）或者过小（m≤0.001）时，传统Mie理论与广义Mie理11I摘要论计算出来的辐射特性参数对于MCM求解辐射传递方程均无太大的影响；只有当m在0.005~0.01范

8、围时，利用MCM求解得到的光谱辐射特性才会出现较1为明显的差别。关键词：辐射制冷；微纳米粒子；聚合物薄膜；蒙特卡洛方法；米氏散射理论；吸收性介质；IIAbstractAbstractForhumansurvivalandsocialdevelopment,energyisthenecessarymaterialfoundation.WiththedevelopmentofsocietyandPeople'sconstantpursuitoflifecomfort,humanconsumption