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Nature Communications volume 13, numero articolo: 4874 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Ridurre il fabbisogno di riscaldamento e raffreddamento tramite energia fossile è una delle sfide più grandi, la cui domanda rappresenta quasi la metà del consumo energetico globale, con conseguenti complicate questioni climatiche e ambientali. Qui dimostriamo un dispositivo di gestione termica radiativa a doppia modalità ad alte prestazioni, con commutazione automatica intelligente e a energia zero. Percependo che la temperatura modula spontaneamente le caratteristiche elettromagnetiche stesse, il dispositivo raggiunge ~859,8 W m−2 di potenza di riscaldamento media (∼91% dell'efficienza di conversione solare-termica) a freddo e ~126,0 W m−2 di potenza di raffreddamento media a caldo, senza alcun consumo di energia esterna durante l'intero processo. Un dispositivo così scalabile ed economico potrebbe realizzare un controllo della temperatura bidirezionale attorno alla zona termica confortevole della vita umana. Una dimostrazione pratica mostra che la fluttuazione della temperatura è ridotta di ~21 K rispetto alla piastra in rame. Le previsioni numeriche indicano che questo vero dispositivo di gestione termica a doppia modalità a energia zero ha un enorme potenziale per il risparmio energetico durante tutto l’anno in tutto il mondo e fornisce una soluzione fattibile per realizzare l’obiettivo di Net Zero Carbon 2050.

La gestione termica svolge un ruolo importante nelle attività umane, dai milioni di metri cubi di strutture create dall'uomo1 ai circuiti integrati su scala micro e nano2, e dai veicoli spaziali che volano nello spazio3 ai sommergibili con equipaggio nelle profondità marine4. Sono state sviluppate varie tecnologie di gestione termica in base a requisiti diversi5,6,7. Tuttavia, la maggior parte di essi raggiunge un controllo della temperatura ad alte prestazioni a scapito del consumo di energia, eventualmente di energia fossile. I rapporti hanno sottolineato che la domanda globale totale di energia primaria è vicina a 15 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio nel 20198 e quasi il 50% del consumo energetico viene utilizzato esclusivamente per il riscaldamento e il raffreddamento quotidiano9. Ciò fa sì che la crescente crisi energetica continui a peggiorare. Nel frattempo, con il rapido aumento dei gas serra prodotti dalla combustione di combustibili fossili, negli ultimi anni si sono verificati con frequenza crescente in tutto il mondo condizioni meteorologiche estreme, come caldo intenso e freddo intenso10. Pertanto, è particolarmente importante e imperativo sviluppare varie tecnologie fattibili di gestione termica ad alte prestazioni con un consumo energetico basso o addirittura nullo, in grado di ridurre la domanda di energia fossile e ulteriori emissioni di gas serra.

La gestione termica radiativa è considerata una piattaforma promettente per il riscaldamento e il raffreddamento senza consumo di energia esterna, attirando sempre più attenzione11. La questione più impegnativa per realizzare questo obiettivo è ottimizzare lo spettro elettromagnetico unico dei materiali di gestione termica, massimizzando l'utilizzo sia dell'inesauribile fonte di calore radiativo (cioè il sole, ~5800 K) sia della fonte fredda (cioè lo spazio esterno, ~3 K) in natura. Più in particolare, per un riscaldamento solare ideale, i materiali dovrebbero avere un elevato assorbimento nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 0,2 e 2,5 μm e una bassa emissività nell’intervallo di lunghezze d’onda > 2,5 μm, determinata dallo spettro della luce solare e dalla legge sulla radiazione del corpo nero12. Al contrario, per un raffreddamento radiativo ideale, specialmente nel raffreddamento radiativo subambientale diurno, ci si aspetta che i materiali riflettano efficientemente la radiazione solare (0,2–2,5 μm) e abbiano anche una forte emissione selettiva nel medio infrarosso nello specifico intervallo di lunghezze d'onda dell'atmosfera trasparente. finestra (8–13 μm) (Fig. 1)13. Si noti che una serie di studi sul riscaldamento solare e sul raffreddamento radiativo separatamente/indipendentemente hanno compiuto grandi sforzi per comprendere a fondo il meccanismo scientifico e sviluppare materiali ad alta efficienza14,15,16,17,18,19,20. Tuttavia, nel mondo reale, quasi tutti gli scenari ambientali presentano la sfida che gli oggetti si trovano in un ambiente piuttosto dinamico e variabile, inclusa la fluttuazione negli aspetti di spazio, tempo, giorno e stagione, temperatura, ecc. Ciò significa che Il riscaldamento solare fisso o il raffrescamento radiativo non sono entrambi del tutto adatti all'ambiente dinamico. Prendendo come esempio il riscaldamento solare, il riscaldamento indesiderato aumenterà il consumo di energia per il raffreddamento nella stagione calda e potrebbe addirittura compensare il risparmio energetico del riscaldamento nella stagione fredda. Lo stesso vale per il raffreddamento radiativo. Pertanto, per l'utilizzo pratico, è necessario un sistema di gestione termica, in grado di possedere entrambi i due spettri elettromagnetici opposti e di passare automaticamente/intelligentemente alla modalità corretta rispondendo all'ambiente dinamico.

2.39) than that of PMP32. The large difference of refractive index is a condition required for multiple scattering and internal reflection in the composite matrix. As corroborated by finite difference time domain (FDTD) simulation, the smaller TiO2 NPs are more capable of redirecting incident light (Fig. 3c). On the other hand, the scattering center wavelength shows a red-shift trend with the increase in diameter of TiO2 NPs (Fig. 3d). As scattering center with high refractive index, TiO2 NPs with broad size distribution are able to produce the required scattering wavelength range covering the entire solar radiation, because of the collective effect of multiple Mie resonances (Fig. 3d and Supplementary Fig. 3). In addition, large amounts of infrared absorption peaks from various characteristics bonds in DOP-modified PMP, TiO2 NPs, adhesive, and even shape memory polymer (materials for temperature-sensitive actuating layer), provide enough infrared radiation for transferring heat into outer space (Supplementary Fig. 4). The optimized RC tape can reflect >90% of solar radiation and have high absorptivity/emissivity of ~96% in the mid-infrared atmospheric window (8–13 μm) (Supplementary Fig. 4)./p>850 W m−2. Considering the reduced ambient thermal radiation and the inevitable heat convection and conduction (Supplementary Note 4), the measuring heating flux data of dual-mode devices in both heating and cooling modes outdoors matches well with the indoor experimental results. These results demonstrate that our dual-mode device could achieve rather high-efficiency thermal management performance repeatedly in both solar heating and radiative cooling modes, and automatically switch between them according to the temperature. During the whole process, including working and switching, zero external energy is required. The dual-mode device is feasible to work in the real world throughout different seasons of the entire year. As far as we know, the design of this dual-mode thermal management device with these features combined together, including two thermal management modes, zero-energy consumption, and intelligent and free switching, has not been reported in the literature (Supplementary Table 1)./p>0.15 GJ m−2), thanks to its high solar-thermal conversion efficiency, although the total solar radiation is very low. The cooling capacity is mainly determined by temperature, less affected by the solar radiation. The peak reaches 0.24 GJ m−2 in July and August, just corresponding to the hot summer. The year-round accumulated energy saving exceeds 2.9 GJ m−2 in prediction. The maximum energy saving for heating in January will happen at αsolar = 100% and εinfrared = 0%, and that for cooling in July occurs at αsolar = 0% and εinfrared = 100% (Fig. 5c, d). It agrees well with our proposed two ideal high-selectivity electromagnetic spectrums (Fig. 1b). Compared with temperature-responding thermal management devices (including windows and coatings) reported in the literature30, 33,34,35,36,37,38, our dual-mode device could reach 91% of solar absorptivity and 8% of infrared emissivity for heating, and 90% of solar reflectivity and 97% of infrared emissivity for cooling, which is very close to the ideal electromagnetic spectrums. This great improvement of spectral selectivity puts our device in a different operational space and sets a new mark for dual-mode radiative thermal management. Some cities are selected to represent typical terrestrial climatic zones around the world (Supplementary Fig. 25 and Supplementary Table 3). It can be seen that the dual-mode device has significant effects of energy saving in almost all climate zones, whether in heating mode or cooling mode. We assumed that the dividing temperature between heating and cooling modes is 17 °C, which is approximately equal to the average temperature of Beijing in spring and autumn. The corresponding energy-saving map is shown in Fig. 5e. In January, the weather is cold in most areas north of the Tropic of Cancer, and the dual-mode device works in heating mode. In general, the closer to the Tropic of Cancer, the more energy for heating can be saved from solar-thermal conversion of dual-mode device. It is consistent with the change of solar radiation as a function of the latitude. In contrast, the weather, in most areas located in the south of the Tropic of Cancer, is warm or even hot in January. Dual-mode device in cooling mode achieves good effect of energy saving for cooling, especially in the area near the Tropic of Capricorn, where it is in summer. The above analysis describes the great potential of the dual-mode device in terms of global thermal management and energy saving./p>