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Jun 10, 2023

Temperatura

Volumen de comunicaciones de la naturaleza

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 4874 (2022) Citar este artículo

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Reducir las necesidades de calefacción y refrigeración a partir de energía fósil es uno de los mayores desafíos, cuya demanda representa casi la mitad del consumo mundial de energía, lo que genera problemas climáticos y ambientales complicados. En este documento, demostramos un dispositivo de gestión térmica radiativa de modo dual de alto rendimiento, con conmutación automática inteligente y energía cero. Al percibir la temperatura para modular espontáneamente las propias características electromagnéticas, el dispositivo alcanza ~859,8 W m−2 de potencia de calefacción media (~91 % de la eficiencia de conversión solar térmica) en frío y ~126,0 W m−2 de potencia de refrigeración media en caliente, sin ningún consumo de energía externa durante todo el proceso. Un dispositivo tan escalable y rentable podría realizar un control de temperatura bidireccional alrededor de la zona de temperatura cómoda de la vida humana. Una demostración práctica muestra que la fluctuación de temperatura se reduce en ~21 K, en comparación con la placa de cobre. La predicción numérica indica que este dispositivo de gestión térmica de modo dual de energía cero real tiene un enorme potencial para el ahorro de energía durante todo el año en todo el mundo y proporciona una solución factible para alcanzar el objetivo de Net Zero Carbon 2050.

La gestión térmica desempeña un papel importante en las actividades humanas, desde millones de metros cúbicos de estructura hecha por el hombre1 hasta circuitos integrados a escala micro y nanométrica2, y desde naves espaciales que vuelan en el espacio exterior3 hasta sumergibles tripulados en aguas profundas4. Se han desarrollado varias tecnologías de gestión térmica de acuerdo con diferentes requisitos5,6,7. Sin embargo, la mayoría de ellos logran un control de temperatura de alto rendimiento a costa del consumo de energía, eventualmente energía fósil. Los informes han señalado que la demanda mundial total de energía primaria se acerca al equivalente de petróleo de 15 000 millones de toneladas en 20198, y casi el 50 % del consumo de energía se utiliza simplemente para calefacción y refrigeración diarias9. Esto hace que particularmente la creciente crisis energética siga empeorando. Mientras tanto, con el rápido aumento de los gases de efecto invernadero producidos por la combustión de combustibles fósiles, el clima extremo, como el calor intenso y el frío intenso, se han producido cada vez más en todo el mundo en los últimos años10. Por lo tanto, es particularmente importante e imperativo desarrollar varias tecnologías factibles de gestión térmica de alto rendimiento con un consumo de energía bajo o incluso nulo, que sea capaz de reducir la demanda de energía fósil y una mayor emisión de gases de efecto invernadero.

La gestión térmica radiativa se considera una plataforma prometedora para la calefacción y refrigeración sin consumo externo de energía, atrayendo cada vez más la atención11. El problema más desafiante para lograr este objetivo es optimizar el espectro electromagnético único de los materiales de gestión térmica, maximizando la utilización tanto de la fuente de calor radiante inagotable (es decir, el sol, ~5800 K) como de la fuente fría (es decir, el espacio exterior, ~3 K) en la naturaleza. Más concretamente, para un calentamiento solar ideal, los materiales deben tener una alta capacidad de absorción en el rango de longitud de onda de 0,2 a 2,5 μm y una baja emisividad en el rango de longitud de onda >2,5 μm, determinada por el espectro de la luz solar y la ley de radiación del cuerpo negro12. Por el contrario, para un enfriamiento radiativo ideal, especialmente en el enfriamiento radiativo subambiental diurno, se espera que los materiales reflejen de manera eficiente la radiación solar (0,2–2,5 μm) y también tengan una fuerte emisión selectiva de infrarrojo medio en el rango de longitud de onda específico de la radiación atmosférica transparente. ventana (8-13 μm) (fig. 1)13. Tenga en cuenta que una serie de estudios sobre el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo por separado o de forma independiente han realizado grandes esfuerzos para comprender a fondo el mecanismo científico y desarrollar materiales de alta eficiencia14,15,16,17,18,19,20. Sin embargo, en el mundo real, casi todos los escenarios ambientales presentan el desafío de que los objetos se ubican en un entorno bastante dinámico y variable, incluida la fluctuación en los aspectos de espacio, tiempo, día y estación, temperatura, etc. Esto significa que La calefacción solar fija o el enfriamiento radiativo no son completamente adecuados para el ambiente dinámico. Tomando como ejemplo la calefacción solar, la calefacción no deseada aumentará el consumo de energía para refrigeración en caliente e incluso puede compensar el ahorro de energía de calefacción en frío. Lo mismo ocurre con el enfriamiento radiativo. Por lo tanto, para una utilización práctica, se requiere un sistema de gestión térmica que sea capaz de poseer dos espectros electromagnéticos opuestos y cambiar automáticamente/inteligentemente al modo correcto respondiendo al ambiente dinámico.

a Ilustración esquemática del dispositivo de gestión térmica radiativa de modo dual que cambia entre calefacción solar (izquierda) y refrigeración radiativa (derecha) con temperatura. El dispositivo de modo dual (arriba) consta de tres capas funcionales: capa de enfriamiento radiativo, capa de activación sensible a la temperatura y capa de calentamiento solar (no a escala). b Espectro de absorbencia/emisividad de los materiales ideales de calentamiento solar (línea roja) y enfriamiento radiativo (línea azul). El espectro solar global normalizado ASTM G173 (área en rojo claro) y la ventana atmosférica infrarroja transparente (estándar de EE. UU. 1976, área en azul claro) se trazan como referencia. c Flujo de calor neto en función de la temperatura de los materiales ideales de calentamiento solar (rojo) y enfriamiento radiativo (azul). Tenga en cuenta que el flujo de calor se calcula mediante la relación de balance térmico (Nota complementaria 1) en función del espectro solar global (ASTM G173) y la ventana atmosférica transparente típica (estándar de EE. UU. 1976). La temperatura de estado estacionario del material se alcanza cuando el flujo de calor neto es cero. El poder de gestión térmica es la intersección correspondiente a la diferencia de temperatura cero entre el material y el ambiente, donde el flujo de calor positivo y el flujo de calor negativo representan el poder de calentamiento y el poder de enfriamiento, respectivamente.

Hasta ahora, se han diseñado varios enfoques para regular dinámicamente las características espectrales de la gestión térmica de modo dual en la literatura (Tabla complementaria 1)21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 . Sin embargo, existe un mayor o menor costo de energía externa para cambiar entre los modos de calefacción y refrigeración, como el uso de energía mecánica o energía eléctrica. En otras palabras, estos diseños son de gestión térmica de modo dual de energía cuasi-cero, aunque no hay costo de energía externa durante el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo.

Aquí, desarrollamos un dispositivo inteligente de gestión térmica de modo dual con cambio automático y energía cero, que puede cambiar espontáneamente entre los modos de calefacción y refrigeración al percibir la temperatura ambiente. La gestión térmica de energía cero se basa en las dos propiedades electromagnéticas de alta selectividad pero diferentes correspondientes a las capas de calentamiento solar y enfriamiento radiativo, respectivamente. Y el cambio de energía cero entre dos modos diferentes se realiza mediante la actuación automática del dispositivo, a partir de la falta de coincidencia de la forma entre la capa de enfriamiento radiativo y la capa de actuación con el cambio de temperatura. Los resultados de la prueba de campo muestran que el dispositivo tiene una potencia de calentamiento solar promedio de ~859,8 W m−2 (que corresponde a una eficiencia de conversión solar térmica de ~91 %) y una potencia de enfriamiento radiativo promedio de ~126,0 W m−2, ambos de los cuales son comparables con la calefacción solar de última generación y los materiales de enfriamiento radiativo por sí solos. El excelente rendimiento de la gestión térmica y la capacidad de cambiar automáticamente hacen que el dispositivo permita elegir el modo correcto para lograr los mejores resultados de control de temperatura. La predicción numérica revela el gran potencial de este dispositivo de modo dual en términos de ahorro de energía global. Tal gestión térmica de energía cero podría contribuir a la consecución del objetivo de Net Zero Carbon 2050.

Como se muestra en la Fig. 1a, el dispositivo de gestión térmica de modo dual consta de tres capas funcionales, que están en el siguiente orden: capa de enfriamiento radiativo, capa de activación sensible a la temperatura y capa de calentamiento solar. La esencia de la estrategia de gestión térmica radiativa de modo dual de energía cero se basa en la transformación de las diferentes características espectrales de alta selectividad requeridas en el sistema de control de temperatura (Fig. 1b). Cuando se requiere el modo de calefacción, la capa de enfriamiento radiante se enrolla automáticamente para maximizar la capa de calefacción solar descubierta. Debido a la alta capacidad de absorción solar y la baja emisividad infrarroja de la capa de calentamiento solar, la mayor parte de la radiación solar se absorbe y se convierte en calor, y la pérdida de calor por radiación infrarroja se reduce al mínimo. Para el modo de enfriamiento, la capa de enfriamiento radiativo desplegada automáticamente cubre completamente la capa de calentamiento solar, donde la alta reflexión solar de la capa de enfriamiento radiativo sobre la luz solar reduce la absorción solar tanto como sea posible, evitando así el aumento de la energía interna de la radiación solar. Mientras tanto, la alta emisión de infrarrojo medio en el rango de longitud de onda específico (8–13 μm) transfiere calor directamente a través de la ventana atmosférica transparente hacia el espacio exterior mediante radiación térmica de máxima potencia, lo que reduce la entrada de radiación infrarroja no deseada del aire y el entorno circundante. La temperatura de estado estacionario del dispositivo de modo dual está determinada por la relación de equilibrio térmico entre cuatro componentes clave: la radiación solar absorbida del sol (Psun), el calor emitido por el dispositivo (Pdevice), la radiación de calor absorbida de la atmósfera (Patm), y el calor parásito (Pparasitic) caracterizado por un coeficiente de transferencia de calor (hc) (Ec. (1) y Nota complementaria 1)14. El flujo de calor neto (Pnet) es una función de la temperatura del dispositivo (Tdevice).

Aquí, fijamos la temperatura ambiente (Tamb) en 25 °C y usamos el espectro solar global universal (ASTM G173) y la ventana atmosférica típica (estándar de EE. UU. 1976). Cuando el flujo de calor neto es cero, se alcanza la temperatura de estado estable del dispositivo y la potencia de gestión térmica (negativo representa refrigeración, positivo representa calefacción) es la intersección correspondiente a la temperatura del dispositivo igual a la del ambiente ( Figura 1c). El primero es sensible al calor parásito. Tomando el modo de enfriamiento como ejemplo, la temperatura de estado estable del dispositivo se acerca gradualmente a la temperatura ambiente (de I a II) con un aumento del coeficiente de transferencia de calor (de 0 a 10 W m−2 K−1). A diferencia de la temperatura de estado estacionario, el poder de enfriamiento radiativo es independiente del calor parásito (III). Este análisis también es adecuado para el modo de calefacción.

El mecanismo de cambio automático se basa en el ajuste morfológico espontáneo del dispositivo de modo dual que responde al cambio de temperatura ambiente (Fig. 1a). La longitud de la capa de actuación es sensible a la temperatura, pero la longitud de la capa de enfriamiento por radiación casi no cambia en las mismas condiciones. Cuando está caliente, la capa de actuación se contrae. Para eliminar la tensión interna en la interfaz entre la capa de enfriamiento por radiación y la capa de actuación, la capa de enfriamiento por radiación se despliega gradualmente hasta cubrir completamente la capa de calentamiento solar para enfriamiento. Cuando hace frío, la capa de actuación responde de manera opuesta para exponer la capa de calentamiento solar tanto como sea posible. Más importante aún, el estímulo que desencadena el cambio de los modos de gestión térmica es la temperatura, que es la cantidad física que determina los requisitos de la gestión térmica. Esto significa que el dispositivo de modo dual es inteligente y puede seleccionar un modo apropiado según la temperatura ambiente, sin ningún consumo de energía externa durante todo el proceso de conmutación.

Resumimos que la realización exitosa de un dispositivo de gestión térmica de modo dual inteligente y de energía cero requiere tres características típicas (Fig. 2): (a) El dispositivo debe tener un espectro electromagnético de alta selectividad en los modos de calefacción y refrigeración para obtener dual -modo alto rendimiento de gestión térmica. (b) El dispositivo tiene la capacidad de cambiar entre los modos de calefacción y refrigeración utilizando el cambio en sus propias propiedades físico-químicas. Este es un factor clave para lograr una gestión térmica de energía cero. (c) El interruptor automático reversible del modo de gestión térmica debe activarse por temperatura. La combinación de estas tres características no solo le daría al dispositivo de modo dual "inteligencia" para elegir un modo apropiado al percibir el ambiente automáticamente con una entrada de energía cero, sino que también conduciría a una alta eficiencia en los modos de calefacción y refrigeración para nuestro modo dual. dispositivo de gestión térmica.

Tres criterios del dispositivo de modo dual: gestión térmica de modo dual (calefacción solar/refrigeración por radiación), interruptor automático reversible, consumo de energía para el interruptor.

Para la gestión térmica de modo dual, un aspecto importante de las partes funcionales del dispositivo es lograr diferentes espectros electromagnéticos con la alta selectividad requerida para el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo. La figura 3a ilustra la estructura de un dispositivo de gestión térmica de modo dual. Aquí, presentamos una placa de aluminio recubierta con polvos de óxido de nanocromo (placa de Al negro nano-Cr) en el diseño del dispositivo de gestión térmica de modo dual para la capa de calentamiento solar. Los polvos de óxido de nanocromo distribuidos uniformemente actúan como un agente absorbente y espejo para garantizar una alta absorción solar y una baja emisión de infrarrojos (recuadro en la Fig. 3a). Debido a las resonancias de plasmón, la luz solar sufre una amortiguación no radiante en polvos de óxido de cromo y se transforma en calor12 con alta eficiencia.

a Ilustración estructural del dispositivo de gestión térmica de modo dual. La placa Nano-Cr black Al es el colector solar con un espectro electromagnético cercano al ideal para la calefacción solar. La capa funcional para el enfriamiento radiativo en la cinta RC está compuesta por una matriz PMP modificada con DOP y rellenos de NP de TiO2. La capa adhesiva asegura la integración de la interfaz entre la cinta RC y el actuador sensible a la temperatura durante el proceso de deformación complejo y repetido. Una pieza de cinta VHB estrecha, utilizada como única pieza de unión entre las capas de calefacción solar y refrigeración por radiación, reserva el área efectiva máxima para la gestión térmica de modo dual. El recuadro de la imagen SEM muestra que los polvos de óxido de nanocromo se distribuyen uniformemente en la placa de aluminio. b Imágenes ópticas del dispositivo de modo dual en los modos de calefacción y refrigeración. c Vista transversal de un campo de luz (magnitud del componente de luz de campo eléctrico normalizado) alrededor de una esfera de TiO2 de rutilo con diferentes diámetros (d). La longitud de onda de la luz incidente es de 475 nm, correspondiente a la máxima densidad de energía de la radiación solar (ASTM G173). El campo eléctrico de la luz incidente y el vector de onda de la luz incidente se representan simbólicamente por E y k, respectivamente. d Espectros de sección transversal de dispersión simulados de esferas de TiO2 con diferentes diámetros en matriz PMP. e Absorción/emisividad (α/ε) del dispositivo de gestión térmica de modo dual en los modos de calefacción y refrigeración, respectivamente.

El enfriamiento radiativo en el dispositivo de gestión térmica de modo dual se logra principalmente mediante una cinta de enfriamiento radiativo estirable hecha en casa (cinta RC) con un rendimiento excelente. La capa funcional para el enfriamiento radiativo en la cinta RC está hecha de poli(4-metil-1-penteno) (PMP) modificado con ftalato de dioctilo (DOP) que encapsula nanopartículas de dióxido de titanio de rutilo (NP de TiO2) (Fig. 1 complementaria). El PMP es un excelente polímero solar transparente con un índice de refracción independiente de la longitud de onda de 1,46 desde el rango visible hasta el infrarrojo cercano (Fig. 2 complementaria), mientras que el índice de refracción de las NP de TiO2 de rutilo es mucho mayor (>2,39) que el de PMP32. La gran diferencia del índice de refracción es una condición necesaria para la dispersión múltiple y la reflexión interna en la matriz compuesta. Como lo corrobora la simulación de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD), las NP de TiO2 más pequeñas son más capaces de redirigir la luz incidente (Fig. 3c). Por otro lado, la longitud de onda del centro de dispersión muestra una tendencia de desplazamiento hacia el rojo con el aumento del diámetro de las NP de TiO2 (Fig. 3d). Como centro de dispersión con alto índice de refracción, las NP de TiO2 con una amplia distribución de tamaño pueden producir el rango de longitud de onda de dispersión requerido que cubre toda la radiación solar, debido al efecto colectivo de múltiples resonancias de Mie (Fig. 3d y Fig. 3 complementaria). Además, grandes cantidades de picos de absorción infrarroja de varios enlaces característicos en PMP modificado con DOP, TiO2 NP, adhesivo e incluso polímero con memoria de forma (materiales para la capa de actuación sensible a la temperatura), proporcionan suficiente radiación infrarroja para transferir calor al espacio exterior ( Figura complementaria 4). La cinta RC optimizada puede reflejar >90 % de la radiación solar y tener una alta capacidad de absorción/emisividad de ~96 % en la ventana atmosférica del infrarrojo medio (8–13 μm) (Fig. 4 complementaria).

La placa de aluminio con revestimiento negro Nano-Cr es negra para absorber la luz solar y la cinta RC es de color blanco brillante para reflejar la luz solar. Beneficiado de esto, el dispositivo muestra una diferencia drástica en la apariencia visual entre los modos de calefacción y refrigeración (Fig. 3b). Como se muestra en la Fig. 3e, el dispositivo en modo calefacción puede absorber ~91 % de la radiación solar y casi no hay emisión de infrarrojo medio (~8 %) en el rango de longitud de onda de 8 a 13 μm. Una diferencia tan grande en las características espectrales del dispositivo en los dos modos sienta las bases para el dispositivo inteligente de gestión térmica de modo dual de energía cero (Figura 5 complementaria).

Para realizar completamente un dispositivo de gestión térmica de modo dual inteligente y automático, debe haber un mecanismo de conmutación automática aplicado al dispositivo. Esto se logra con un interruptor automático inteligente activado por temperatura que utiliza una capa sensible a la temperatura con memoria de forma reversible intercalada entre las capas de calefacción y refrigeración. El mecanismo central de esta actuación es minimizar la tensión interna en la interfaz entre la capa de enfriamiento radiativo y la capa de actuación, durante la evolución de la forma reversible de la capa de actuación con la temperatura. Aquí, el polímero con memoria de forma bidireccional (2 W SMP) es el material clave para la realización del interruptor inteligente activado por temperatura, que se puede sintetizar fácilmente mediante una reacción de esterificación en un solo paso de tres monómeros (politetrahidrofurano (PTHF), policaprolactona (PCL ), y diisocianato de hexametilen (HDI)) en un catalizador (dilaurato de dibutilestaño (DBTDL)) con un rendimiento de casi el 100% (Fig. 6 complementaria). La aparición del grupo uretano típico en el producto de reacción confirma la síntesis exitosa del prepolímero de poliuretano (Fig. 7 complementaria). Luego, el producto de reacción se transfiere directamente a una placa de Petri de acero inoxidable para evaporar completamente el solvente a temperatura ambiente y obtener la película SMP de 2 W tal como se preparó para la preparación posterior de la capa de actuación.

El rendimiento de la memoria de forma reversible activada por temperatura se logra después de un proceso de programación (Fig. 8 complementaria). Durante los ciclos de calentamiento-enfriamiento, hay un cambio de longitud espontáneo y reversible entre la contracción y el alargamiento como se esperaba, que es causado por el proceso reversible de fusión-cristalización de segmentos parciales en el polímero (Fig. 4a). Sorprendentemente, el SMP de 2 W programado en la dirección de estiramiento se contrae cuando se calienta y se expande cuando se enfría. Se podría formar un laminado apretado uniendo un trozo de cinta RC del mismo tamaño al SMP de 2 W programado en el estado de contracción. Gracias a la enorme diferencia de longitud a lo largo de la dirección de programación entre la cinta RC y la SMP de 2 W programada provocada por el comportamiento de contracción anormal de la SMP de 2 W programada, el laminado podría doblarse hacia el lado de la cinta RC cuando se enfría. Como se muestra en la Fig. 4b, el laminado enrollado se despliega gradualmente hasta quedar completamente plano a medida que aumenta la temperatura. En particular, el ángulo de flexión comienza a reducirse lentamente en el proceso de calentamiento. Una vez que la temperatura es más alta que la temperatura de activación, el ángulo de flexión disminuye bruscamente. Este cambio de ángulo agudo está determinado por la fusión de la estructura cristalina parcial en SMP de 2 W programado (Fig. 4a). Esto garantiza que el laminado RC tape-2W SMP se mantenga enrollado a baja temperatura cuando se necesita calefacción y desplegado a alta temperatura cuando se necesita refrigeración sin doblarse excesivamente hacia el lado SMP de 2 W programado, logrando la conmutación automática y activada por temperatura diseñada. Existe una histéresis del ángulo de flexión durante un ciclo de calentamiento-enfriamiento, que es de la diferencia entre la temperatura de fusión y la temperatura de cristalización del SMP de 2 W programado. La temperatura de activación del laminado RC tape-2W SMP podría ajustarse por el peso molecular (Mw) de los monómeros PCL, de acuerdo con los requisitos del escenario práctico (Figs. 9 y 10 complementarias). Para PCL con Mw = 10,000, la temperatura de activación está en el rango de 23 a 24 °C, alrededor de la zona de temperatura cómoda para la vida humana (Fig. 4b). Además, el laminado RC tape-2W SMP exhibe una excelente ciclabilidad durante el proceso repetido de calentamiento y enfriamiento, lo que indica una buena estabilidad en la operación a largo plazo (Película complementaria 1 y Figura complementaria 11).

a Espectros de difracción de rayos X de 2 W SMP programados en los modos de calefacción y refrigeración, respectivamente. b Rendimiento de deformación por flexión del laminado RC tape-2W SMP en función de la temperatura de la placa de calentamiento. El peso molecular del monómero PCL es 10.000. El recuadro de imágenes ópticas muestra que la cinta RC-2W SMP está enrollada a baja temperatura y desplegada a alta temperatura. c Deformación de flexión reversible de la matriz de película RC tape-2W SMP en el dispositivo de modo dual en función del número de ciclos entre los modos de calefacción y refrigeración.

Luego, varios laminados RC tape-2W SMP se colocan uno al lado del otro y se unen para formar una película de gran tamaño que cubre exactamente la placa de nano-Cr black Al (Nota complementaria 2 y Figura complementaria 21). Un trozo de cinta VHB angosta, como única parte conjunta entre las capas de calentamiento solar y enfriamiento radiativo, reserva el área efectiva máxima para la gestión térmica de modo dual. También demostramos la solidez del dispositivo de modo dual que cambia repetidamente entre los modos de calefacción y refrigeración (Fig. 4c). Brevemente, la transformación de forma reversible del laminado RC tape-2W SMP logra el porcentaje máximo de área activa en el dispositivo de modo dual, lo que conduce a lograr el mejor efecto de gestión térmica en los modos de calefacción y refrigeración, respectivamente. Y el mecanismo de activación sensible a la temperatura hace posible que los dispositivos de modo dual cambien de manera inteligente y libre entre dos modos de gestión térmica sin ningún consumo de energía externo (Película complementaria 2).

Para estimar la eficiencia de trabajo de este dispositivo de modo dual para los modos de calefacción y refrigeración, se diseñó un sistema de medición basado en calefacción Joule para monitorear el flujo de calor (Figura complementaria 18). El dispositivo Peltier combinado con un ventilador se utiliza como fuente de frío estable en el sistema. Primero se ha llevado a cabo un experimento en interiores con el simulador solar (AM 1.5) antes de la prueba de campo en exteriores. La potencia de calentamiento solar y la potencia de enfriamiento radiativo del dispositivo de modo dual se prueban durante cinco ciclos (Fig. 19c complementaria). Para la calefacción solar, el flujo de calor promedio del dispositivo de modo dual alcanza 933,6 ± 13,7 W m−2, que es casi consistente con el valor teórico del dispositivo de modo dual en modo calefacción, aproximadamente igual al 94 % de la radiación solar (ASTM G173 ) (Fig. 3e). De manera similar, para el enfriamiento por radiación, el flujo de calor promedio es −94,4 ± 42,8 W m−2, que es ~55 % del valor teórico en el modo de enfriamiento. Tanto una cierta diferencia como una fluctuación pueden deberse a un contacto térmico insuficiente entre la película RC tape-2W SMP y la placa nano-Cr black Al. En la Nota complementaria 3 se describen más detalles sobre el cálculo del modelo teórico. Además, el dispositivo de modo dual cambia espontáneamente entre los modos de calefacción y refrigeración en respuesta a la temperatura, sin consumo de energía externa. Después de cambios repetidos, ya sea en modo de calefacción o en modo de refrigeración, el rendimiento de la gestión térmica no sufre una degradación evidente.

Además, realizamos un experimento de campo diario en escenarios del mundo real al aire libre para probar su rendimiento de gestión térmica verdaderamente práctico en un entorno real (ubicado en el campus de la Universidad de Nankai en Tianjin (38.99 N, 117.34E), China) (Nota complementaria 5). Dos mismos sistemas se configuran en paralelo para comparar (Fig. 18 complementaria). Una placa de cobre (Cu) está cubierta por nuestro dispositivo de modo dual, y la otra está cubierta por una lámina de aluminio (Al) del mismo tamaño como grupo de control, porque su absorción solar y emisión infrarroja son cercanas a cero (Fig. 13). El calentador en el sistema para el dispositivo de modo dual está conectado a una fuente de corriente constante, y el otro está conectado a un programa de control de retroalimentación para mantener la temperatura de la lámina de Al igual que la del dispositivo de modo dual (Fig. . 23). En la Fig. 5a se muestran las tres curvas de flujo de calor registradas para el dispositivo de modo dual de radiación solar en los modos de calefacción y refrigeración, respectivamente. La potencia de calentamiento solar continúa aumentando y alcanza cerca de 958,7 W m−2 con una radiación solar cada vez más fuerte, donde la eficiencia de conversión solar térmica en tiempo real siempre se mantiene alrededor del 91%. Además, la potencia de enfriamiento radiativa promedio alrededor del mediodía alcanza los 126,0 W m−2 bajo la radiación solar de incidencia normal > 850 W m−2. Teniendo en cuenta la radiación térmica ambiental reducida y la inevitable convección y conducción de calor (Nota complementaria 4), los datos de medición del flujo de calefacción de los dispositivos de modo dual en los modos de calefacción y refrigeración al aire libre coinciden bien con los resultados experimentales en interiores. Estos resultados demuestran que nuestro dispositivo de modo dual podría lograr un rendimiento de gestión térmica bastante eficiente repetidamente en los modos de calefacción solar y refrigeración por radiación, y cambiar automáticamente entre ellos según la temperatura. Durante todo el proceso, incluido el funcionamiento y la conmutación, no se requiere energía externa. El dispositivo de modo dual es factible de funcionar en el mundo real durante las diferentes estaciones del año. Hasta donde sabemos, el diseño de este dispositivo de gestión térmica de modo dual con estas características combinadas, incluidos dos modos de gestión térmica, consumo de energía cero y conmutación inteligente y libre, no se ha informado en la literatura (Tabla complementaria 1 ).

a Potencia de calefacción solar continua resuelta en el tiempo (línea roja) y potencia de refrigeración radiativa (línea azul) medidas en una prueba de campo. La eficiencia de conversión solar térmica (ηsolar-thermal) fluctúa alrededor del ~91 % (línea discontinua roja) de acuerdo con la radiación solar en tiempo real (línea naranja). b Modelado mensualmente de todo el ahorro de energía del dispositivo de modo dual en los modos de calefacción (rojo) y enfriamiento (azul) en Tianjin durante 1 año y ahorro de energía durante todo el año (verde). Se asume que la temperatura crítica para dividir los modos de calefacción y refrigeración es de 17 °C, que es aproximadamente igual a la temperatura promedio de Beijing en primavera y otoño. Modo calefacción: enero–abril, octubre–diciembre. Modo de refrigeración: mayo-septiembre. c, d Los efectos de la absorción solar (αsolar) y la emisividad infrarroja (εinfrared) en (c) el ahorro de energía de calefacción en enero y (d) el ahorro de energía de refrigeración en julio en Tianjin. La absorbencia solar con la emisividad infrarroja correspondiente del dispositivo de modo dual (estrella) se compara con la del dispositivo que responde a la temperatura (dióxido de vanadio dopado (VO2), cuadrado; hidrogel, círculo; polímero de cambio de fase, triángulo; otros materiales, hexágono) en la literatura. e Mapa modelado de ahorro de energía (radio del círculo) para algunas ciudades con dispositivo de modo dual en modo calefacción (círculo rojo) o modo refrigeración (círculo azul) en enero. f Diferencia de temperatura en tiempo real (ΔT = Tmuestra − placa TCu) del dispositivo de modo dual (Tmuestra, línea negra) en comparación con una placa de Cu de 200 μm de espesor (placa TCu, línea discontinua azul) bajo radiación solar (Isun, línea naranja) ). A medida que la potencia de calentamiento de Joule se enciende y apaga, el dispositivo de modo dual cambia entre el modo de enfriamiento y el modo de calefacción al percibir la temperatura.

Con referencia a los datos meteorológicos históricos, calculamos el calor y el frío producidos mensualmente por el dispositivo de modo dual en los modos de calefacción y refrigeración, respectivamente, para predecir cuantitativamente el impacto potencial del dispositivo de modo dual en el ahorro de energía (Nota complementaria 6). Con el cambio periódico de posición relativa entre la tierra y el sol, las capacidades de calefacción y refrigeración del dispositivo de modo dual en diferentes meses muestran cierta regularidad. Tomando como ejemplo a Tianjin, una ciudad típica de clima monzónico continental, la radiación solar total y la temperatura promedio aumentan primero y luego disminuyen juntas en 1 año (Fig. 5b y Tabla complementaria 2). Incluso en inviernos más fríos, el dispositivo de modo dual todavía puede producir calor considerable (>0,15 GJ m−2), gracias a su alta eficiencia de conversión solar térmica, aunque la radiación solar total es muy baja. La capacidad frigorífica está determinada principalmente por la temperatura, menos afectada por la radiación solar. El pico alcanza los 0,24 GJ m−2 en julio y agosto, justo lo que corresponde al caluroso verano. El ahorro de energía acumulado durante todo el año supera los 2,9 GJ m−2 en la predicción. El máximo ahorro de energía para calefacción en enero ocurrirá en αsolar = 100 % y εinfrarrojo = 0 %, y el de refrigeración en julio ocurrirá en αsolar = 0 % y εinfrarrojo = 100 % (Fig. 5c, d). Concuerda bien con nuestros dos espectros electromagnéticos ideales de alta selectividad propuestos (Fig. 1b). En comparación con los dispositivos de gestión térmica que responden a la temperatura (incluidas ventanas y revestimientos) informados en la literatura30, 33,34,35,36,37,38, nuestro dispositivo de modo dual podría alcanzar el 91 % de la absorción solar y el 8 % de la emisividad infrarroja para calefacción, y 90% de reflectividad solar y 97% de emisividad infrarroja para refrigeración, que está muy cerca de los espectros electromagnéticos ideales. Esta gran mejora de la selectividad espectral coloca a nuestro dispositivo en un espacio operativo diferente y establece una nueva marca para la gestión térmica radiativa de modo dual. Algunas ciudades se seleccionan para representar las zonas climáticas terrestres típicas de todo el mundo (Figura complementaria 25 y Tabla complementaria 3). Se puede ver que el dispositivo de modo dual tiene efectos significativos de ahorro de energía en casi todas las zonas climáticas, ya sea en modo de calefacción o modo de refrigeración. Asumimos que la temperatura divisoria entre los modos de calefacción y refrigeración es de 17 °C, que es aproximadamente igual a la temperatura promedio de Beijing en primavera y otoño. El mapa de ahorro de energía correspondiente se muestra en la Fig. 5e. En enero, el clima es frío en la mayoría de las áreas al norte del Trópico de Cáncer y el dispositivo de modo dual funciona en modo de calefacción. En general, cuanto más cerca del Trópico de Cáncer, más energía para calefacción se puede ahorrar a partir de la conversión solar térmica del dispositivo de modo dual. Es consistente con el cambio de la radiación solar en función de la latitud. Por el contrario, el clima, en la mayoría de las áreas ubicadas en el sur del Trópico de Cáncer, es cálido o incluso caluroso en enero. El dispositivo de modo dual en modo de enfriamiento logra un buen efecto de ahorro de energía para enfriamiento, especialmente en el área cercana al Trópico de Capricornio, donde se encuentra en verano. El análisis anterior describe el gran potencial del dispositivo de modo dual en términos de gestión térmica global y ahorro de energía.

En la Fig. 5f se muestra una demostración en tiempo real del control de temperatura de alto rendimiento del dispositivo de modo dual al aire libre. Con la aplicación y eliminación alternativa de una potencia de calefacción de Joule constante, el dispositivo de modo dual cambia espontáneamente entre el modo de refrigeración y el modo de calefacción al percibir la temperatura (Fig. 27 complementaria). Una placa de Cu desnuda con un espectro electromagnético casi invariable se utiliza como grupo de control. Como era de esperar, la placa de Cu cubierta por el dispositivo de modo dual en el modo de calefacción es obviamente ~6 K más alta que la placa desnuda bajo la radiación solar, cuando hace frío. Y cuando hace calor, el dispositivo de modo dual en modo de refrigeración realiza una reducción de temperatura cercana a los 15 K. Incluso en la noche oscura, el dispositivo de modo dual también podría conservar el calor debido a la baja emisión de infrarrojos en el modo de calefacción, y aún así produce enfriamiento de manera eficiente en el modo de enfriamiento (Fig. 28 complementaria). Una reducción total de ~21 K de la fluctuación de temperatura muestra fuerte y visualmente la capacidad de controlar la temperatura para el dispositivo de modo dual.

En resumen, informamos sobre un dispositivo de gestión térmica radiativa de modo dual inteligente y de energía cero con dos conjuntos de características espectrales cercanas a los espectros ideales para la calefacción solar y la refrigeración radiativa, que puede cambiar automáticamente al modo correcto según el ambiente. temperatura. En el mundo real, el dispositivo puede alcanzar una potencia de calentamiento promedio de ~859,8 W m−2 (que corresponde a una eficiencia de conversión solar térmica promedio de ~91 %) en frío y una potencia de enfriamiento promedio de ~126,0 W m−2 en caliente. , porque tiene dos características espectrales de alta selectividad diferentes. Debido al interruptor automático reversible activado por temperatura, el dispositivo podría elegir inteligentemente un modo apropiado para obtener los mejores resultados de control de temperatura. Este diseño de dispositivo de modo dual maximiza la ventaja de energía cero del calentamiento solar y el enfriamiento radiativo en la gestión térmica, que no se ha informado en la literatura hasta donde sabemos.

Como un diseño de energía cero, el dispositivo de gestión térmica de modo dual aprovecha al máximo la energía renovable en la naturaleza, el calor solar y el espacio frío, por lo que es muy adecuado para áreas abiertas, como techos de edificios a gran escala. La energía térmica generada podría utilizarse como fuente directa para el control de la temperatura del espacio mediante la disposición de una gran cantidad de dispositivos en el techo, pero esta es una selección de baja eficiencia y solo puede regular la temperatura donde el espacio está cerca del techo. En referencia a los estudios informados, la aplicación de la gestión térmica radiativa al control de la temperatura inicial del fluido de transferencia de calor en los sistemas de gestión térmica activa mejorará significativamente la eficiencia en el uso de la energía térmica. En general, esta idea representa un enfoque a nivel de sistema para la generación y eficiencia de energía renovable en el futuro. En lo que respecta a un dispositivo individual, la máxima prioridad es cómo mejorar aún más su rendimiento de gestión térmica y resistencia a la intemperie en el escenario real. Sin embargo, un dispositivo de modo dual de energía cero real de este tipo tendría un gran potencial práctico para la gestión térmica global y el ahorro de energía, y proporciona una plataforma renovable de energía cero para alcanzar el objetivo de Net Zero Carbon 2050.

La cinta de enfriamiento radiativo (cinta RC) se preparó mediante revestimiento de cuchillas múltiples. En primer lugar, se disolvieron 0,5 g de partículas de poli-4-metil-1-penteno (PMP) (Mitsui Chemicals, MX002) en 20 ml de disolvente de ciclohexano (Aladdin, AR 99,5 %) agitando a 60 °C. Luego, 1,355 g de nanopartículas de dióxido de titanio de rutilo (NP de TiO2) (Shanghai Yaoyi alloy material Co. Ltd) y 0,148 g de ftalato de dioctilo (DOP) (Aladdin, AR 99,0 %) se mezclaron con solución de PMP en proporción mediante ultrasonicación en la punta (500 W, 30 min) para hacer una solución precursora. La solución de PMP-DOP-TiO2 se recubrió con cuchilla sobre un sustrato de acero inoxidable limpio para fabricar la película líquida uniforme entre dos espaciadores de cinta transparente, que se coloca en una placa de calentamiento a 80 °C inmediatamente para evaporar rápidamente el solvente. El grosor de la cinta RC (75 μm) se determinó mediante el número repetido de procesos de secado y revestimiento de cuchillas. Pegamento soluble en agua (Wen Ding adhesivo Co. Ltd, #803) se revistió con cuchilla sobre la película compuesta preparada para formar la capa adhesiva. Después de calentar a 80 °C para eliminar el solvente residual, la cinta RC se eliminó fácilmente del sustrato. La película de cinta RC se puede adaptar a la forma deseada y luego fabricarse en diversos productos.

El polímero con memoria de forma bidireccional (2 W SMP) se sintetizó mediante reacciones de esterificación entre monómeros en el catalizador (Fig. 6 complementaria). En primer lugar, se disolvieron por completo politetrahidrofurano (PTHF, Mw promedio = 2900, Sigma-Aldrich) y policaprolactona (PCL, Mw promedio = 10 000/36 000, Aladdin) (o policaprolactona-diol (PCL-diol, Mw promedio = 2000, Aladdin)). en triclorometano (CHCl3, AR, Tianjin Bohua Chemical Reagents Co., Ltd) en proporción mediante agitación a temperatura ambiente. Luego, se añadieron secuencialmente a la solución diisocianato de hexametilen (HDI, 99 %, Aladdin) y dilaurato de dibutilestaño (DBTDL, 95 %, Aladdin), que se agitó constantemente durante 3,5 ha temperatura ambiente. La relación molar de tres monómeros (nPTHF:nPCL:nHDI) fue 9:1:20. La cantidad de catalizador DBTDL fue del 1% del peso total de los tres monómeros. Durante el proceso, los monómeros se polimerizaron gradualmente para formar un SMP de 2 W. El producto de la reacción de esterificación se vertió en una placa petri horizontal de acero inoxidable. Después de la volatilización completa del solvente a temperatura ambiente, quedó una película de SMP de 2 W en el fondo de la placa de Petri, que se puede cortar en cualquier forma según se requiera.

Se eligió como ejemplo 2 W SMP sintetizado por monómero similar a PCL con un peso molecular de 36.000. Una tira de SMP de 2 W tal como se preparó se estiró hasta cinco veces su longitud a 90 °C (temperatura de programación) y se bloqueó hasta que se enfrió a temperatura ambiente (temperatura baja). Luego, la tira de SMP de 2 W estirada se encogió hasta cierto punto a lo largo de la dirección de estiramiento a 55 °C (alta temperatura) para finalizar el tratamiento de programación. Se adjuntó un trozo de cinta RC del mismo tamaño a la tira SMP de 2 W programada a 55 °C. Este laminado RC tape-2W SMP se enrolló a temperatura ambiente y se desplegó a 55 °C. Varios laminados RC tape-2W SMP se colocaron uno al lado del otro a 55 °C y se unieron con algunos trozos de cinta transparente estrecha para formar una película de tamaño significativo. Esta película se fijó en una placa de aluminio del mismo tamaño recubierta con polvos de óxido de nanocromo (placa de nano-Cr black Al, KNEAR) con un trozo de cinta VHB estrecha para preparar un dispositivo de modo dual (Fig. 3a).

La reflectancia (R) del dispositivo de modo dual en diferentes modos se midió utilizando un espectrofotómetro ultravioleta-visible-infrarrojo cercano (UV-NIR) (Agilent, Cary 5000) con una esfera integradora y un infrarrojo transformado de Fourier (FT -IR) (Perkin Elmer, Frontier Optica) con esfera integradora [PIKE, MCT Mid-IR Integrated sphere]. La absorbancia/emisividad (α/ε) se calculó usando 100%-R (0% de transmisividad determinada por placa de Al). La morfología de la superficie se observó utilizando un microscopio electrónico de barrido (JEOL, JSM-7800). Los datos de difracción de rayos X se obtuvieron mediante un instrumento de difracción de rayos X en polvo (Rigaku Smart Lab SE).

La Fig. 18 complementaria muestra el aparato para estimar cuantitativamente la capacidad de gestión térmica, incluido el calentamiento solar y el enfriamiento radiativo. De arriba a abajo, involucra un dispositivo de modo dual, una placa de cobre (Cu) (longitud: 40 mm, ancho: 40 mm, espesor: 0,2 mm), un calentador, un dispositivo Peltier y un ventilador. Se aplica cinta de doble cara para garantizar una buena estabilidad mecánica entre el dispositivo de modo dual, la placa de Cu, el calentador, el dispositivo Peltier y el ventilador. Se adjunta al ventilador un PET revestido con papel de aluminio (Al) con una abertura cuadrada de 40 mm × 40 mm en el centro para evitar la degradación de la capacidad de disipación de calor bajo la radiación solar. El experimento interior se realizó con el simulador solar (AM 1.5). Durante todo el experimento, el dispositivo Peltier en funcionamiento combinado con el ventilador se utilizó como fuente de frío estable en el aparato. Bajo la luz solar simulada, se encendió y apagó alternativamente una potencia de calefacción de Joule constante, lo que resultó en el cambio automático entre el modo de refrigeración y el modo de calefacción para el dispositivo de modo dual. Luego, en la oscuridad, el calentador conectado con un programa de diferenciación de integración proporcional (PID) controló el dispositivo de modo dual a la misma temperatura que bajo la luz solar simulada, incluidos los modos de calefacción y refrigeración. La temperatura de estado estable del dispositivo de modo dual en la oscuridad coincidía bien con la de la luz solar simulada, sin importar los modos de calefacción y refrigeración (Figura complementaria 19a). La diferencia de la potencia de calentamiento de Joule entre dos escenas fue la potencia de calentamiento solar correspondiente (flujo de calor positivo) y la potencia de enfriamiento radiativo (flujo de calor negativo) bajo la luz solar simulada (Fig. 19b complementaria). La temperatura ambiente fue relativamente estable durante todo el proceso experimental. Para estimar el rendimiento de la gestión térmica del dispositivo en dos modos, elegimos SMP de 2 W con una temperatura de transición más alta (sintetizado por un monómero similar a PCL con un peso molecular de 36 000, en lugar de 10 000).

El aparato para medir la potencia de calentamiento solar (flujo de calor positivo) y la potencia de refrigeración por radiación (flujo de calor negativo) es el mismo que se utiliza en las escenas simuladas. Para registrar los datos de flujo de calor en tiempo real, los mismos dos aparatos se configuraron en paralelo. Una placa de Cu estaba cubierta por un dispositivo de modo dual, la otra estaba cubierta por una lámina de Al del mismo tamaño, como grupo de control, debido a su fuerte reflexión de la radiación solar y la radiación infrarroja (Fig. 13 complementaria). El calentador en el aparato para el dispositivo de modo dual se conectó con una fuente de corriente constante, y el otro se conectó con un sistema de calentamiento controlado por retroalimentación para mantener siempre la temperatura de la lámina de Al a la misma temperatura que el dispositivo de modo dual. Debido a que la lámina de Al tiene una pequeña absorción solar (la absortividad solar promedio ponderada de ~ 6.5 % estimada a partir del espectro simulado (Fig. 13 complementaria)), el flujo de calor (Φq) debe calibrarse en función de esta conversión solar térmica adicional. La potencia de calentamiento solar (flujo de calor positivo) o la potencia de refrigeración por radiación (flujo de calor negativo) se calcula mediante \({\varPhi }_{q}={P}_{Al}-{P}_{device}+{\alpha }_{Al}{I}_{sol}\), donde PAl es la potencia de calentamiento en julios por área aplicada sobre la lámina de aluminio, Pdispositivo es la potencia de calentamiento en julios por área aplicada sobre el dispositivo, αAl es la absorción solar promedio ponderada de la lámina de aluminio y Isun es la intensidad de la radiación solar. Para la calefacción solar, los dispositivos Peltier y los ventiladores combinados con ellos operaron en las mismas condiciones para mantener una temperatura más baja, lo que dota al dispositivo de modo dual en modo calefacción. Para el enfriamiento radiativo, los dispositivos Peltier y los ventiladores todavía estaban en funcionamiento. Mediante el calentador, se aplicó una potencia de calentamiento de Joule constante apropiada en el dispositivo de modo dual para hacer que el dispositivo cambiara al modo de enfriamiento. Se colocó una estación meteorológica cerca del aparato para registrar las condiciones climáticas en la posición de prueba. Debido a que el experimento se realizó en verano y la temperatura ambiente fue relativamente estable durante todo el proceso experimental, elegimos SMP de 2 W con una temperatura de transición más alta (sintetizada por un monómero similar a PCL con un peso molecular de 36 000, en lugar de 10 000) para mostrar dual- Modo de rendimiento de la gestión térmica.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Programa Nacional de I+D clave de China (2020YFA0711500 (RM) y 2020YFA0711501 (RM)), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51973095 (RM) y 52011540401 (RM)).

Estos autores contribuyeron igualmente: Quan Zhang, Yiwen Lv.

Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Instituto Nacional de Materiales Avanzados, Universidad de Nankai, Tongyan Road 38, Tianjin, 300350, PR China

Quan Zhang, Yiwen Lv, Yufeng Wang, Shixiong Yu y Rujun Ma

State Key Laboratory and Institute of Elemento-Organic Chemistry, Center of Nanoscale Science and Technology and Key Laboratory of Functional Polymer Materials, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin, 300071, PR China

Chenxi Li y Yongsheng Chen

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QZ, RM e YC concibieron y diseñaron los experimentos; QZ preparó cinta RC y llevó a cabo la simulación de FDTD; QZ, YL y YW sintetizaron SMP de 2 W y prepararon cinta RC-película SMP de 2 W; QZ, YL, YW y SY fabricaron la configuración experimental y realizaron las mediciones; QZ, YL, YW, SY, CL, RM y YC analizaron e interpretaron los datos; El manuscrito fue preparado principalmente por QZ, YL, RM y YC y todos los autores participaron en la preparación del manuscrito y comentaron el manuscrito. RM y YC supervisaron el trabajo.

Correspondencia a Rujun Ma o Yongsheng Chen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a Anna Marszal-Pomianowska y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, Q., Lv, Y., Wang, Y. et al. Dispositivo de gestión térmica de modo dual dependiente de la temperatura con energía neta cero para ahorrar energía durante todo el año. Nat Comun 13, 4874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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Recibido: 08 marzo 2022

Aceptado: 04 agosto 2022

Publicado: 19 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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