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Aug 16, 2023

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 en consecuencia genera complicados problemas climáticos y ambientales. En este documento, demostramos un dispositivo de gestión térmica radiativa de modo dual de alto rendimiento, con conmutación automática inteligente y de energía cero. Al percibir la temperatura para modular espontáneamente las características electromagnéticas, el dispositivo alcanza ~859,8 W m-2 de potencia de calefacción promedio (~91% de la eficiencia de conversión solar-térmica) en frío y ~126,0 W m-2 de potencia de enfriamiento promedio 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 confortable 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 real de gestión térmica de modo dual y energía cero tiene un enorme potencial para ahorrar energía durante todo el año en todo el mundo y proporciona una solución viable 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 estructuras artificiales1 hasta circuitos integrados a micro y nanoescala2, y desde naves espaciales que vuelan en el espacio ultraterrestre3 hasta sumergibles tripulados en aguas profundas4. Se han desarrollado diversas tecnologías de gestión térmica según diferentes requisitos5,6,7. Sin embargo, la mayoría de ellos consiguen un control de temperatura de alto rendimiento a costa del consumo de energía, eventualmente de energía fósil. Los informes han señalado que la demanda mundial total de energía primaria se acerca a los 15 mil millones de toneladas equivalentes de petróleo en 20198, y casi el 50% del consumo de energía se utiliza simplemente para calefacción y refrigeración diarias9. Esto hace que 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, en los últimos años se han producido con mayor frecuencia en todo el mundo condiciones climáticas extremas, como calor intenso y frío severo10. Por lo tanto, es particularmente importante e imperativo desarrollar varias tecnologías viables de gestión térmica de alto rendimiento con un consumo de energía bajo o incluso nulo, que sean capaces 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 la refrigeración sin consumo de energía externa, lo que atrae cada vez más atención11. La cuestión más difícil para lograr este objetivo es optimizar el espectro electromagnético único de los materiales de gestión térmica, maximizando la utilización tanto de la fuente inagotable de calor radiativo (es decir, el sol, ~5800 K) como de la fuente fría (es decir, el espacio exterior, ~3 K) en la naturaleza. Más específicamente, para un calentamiento solar ideal, los materiales deben tener una alta absortividad 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 subambiente durante el día, se espera que los materiales reflejen eficientemente 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 atmósfera transparente. ventana (8–13 μm) (Fig. 1)13. Tenga en cuenta que una serie de estudios sobre calentamiento solar y enfriamiento radiativo por separado o de forma independiente han hecho 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 están ubicados en un entorno bastante dinámico y variable, incluida la fluctuación en los aspectos de espacio, tiempo, día y estación, temperatura, etc. La calefacción solar fija o la refrigeración radiativa no son completamente adecuadas para el ambiente dinámico. Tomando como ejemplo la calefacción solar, el calentamiento no deseado aumentará el consumo de energía para enfriar en épocas cálidas e incluso puede compensar el ahorro de energía de la calefacción en épocas frías. Lo mismo ocurre con el enfriamiento radiativo. Por lo tanto, para una utilización práctica, se requiere un sistema de gestión térmica que pueda poseer dos espectros electromagnéticos opuestos y cambiar automática/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 la temperatura. El dispositivo de modo dual (arriba) consta de tres capas funcionales: capa de enfriamiento radiativo, capa de accionamiento sensible a la temperatura y capa de calentamiento solar (no a escala). b Espectro de absortividad/emisividad de materiales ideales para calefacción solar (línea roja) y enfriamiento radiativo (línea azul). Se trazan como referencia el espectro solar global ASTM G173 normalizado (área de color rojo claro) y la ventana atmosférica infrarroja transparente (norma estadounidense 1976, área de color azul claro). 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 equilibrio térmico (Nota complementaria 1) basada en el espectro solar global (ASTM G173) y la ventana atmosférica transparente típica (norma estadounidense 1976). La temperatura de estado estacionario del material se alcanza cuando el flujo de calor neto es cero. La potencia 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 la potencia de calefacción y la potencia de refrigeración, respectivamente.

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

Aquí, desarrollamos un dispositivo inteligente de gestión térmica de modo dual con conmutación automática y energía cero, que es capaz de cambiar espontáneamente entre los modos de calefacción y refrigeración al percibir la temperatura ambiente. La gestión térmica de energía cero se basa en 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 el accionamiento automático del dispositivo, debido al desajuste de la forma entre la capa de enfriamiento radiativo y la capa de accionamiento 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 (correspondiente 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 únicamente con los materiales más modernos de calefacción solar y refrigeración radiativa. El excelente rendimiento de 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 energético global. Esta gestión térmica de energía cero podría contribuir a la realización del objetivo de Carbono Neto Cero 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 accionamiento 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 radiativo se enrolla automáticamente hasta alcanzar el máximo de la capa de calentamiento solar descubierta. Debido a la alta absortividad 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 de la radiación infrarroja se suprime 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 al espacio exterior mediante radiación térmica de máxima potencia, reduciendo la radiación infrarroja de entrada no deseada del aire y el entorno circundante. La temperatura en estado estable 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 función de la temperatura del dispositivo (Tdevice).

Aquí, fijamos la temperatura ambiente (Tamb) en 25 °C y utilizamos el espectro solar global universal (ASTM G173) y la ventana atmosférica típica (norma estadounidense 1976). Cuando el flujo de calor neto es cero, se alcanza la temperatura de estado estable del dispositivo y la potencia de gestión térmica (negativa representa refrigeración, positiva 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 en estado estacionario 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 en estado estacionario, el poder de enfriamiento radiativo es independiente del calor parásito (III). Este análisis también es adecuado para el modo calefacción.

El mecanismo de cambio automático se basa en el ajuste morfológico espontáneo del dispositivo de modo dual en respuesta al cambio de temperatura ambiente (Fig. 1a). La longitud de la capa de accionamiento es sensible a la temperatura, pero la longitud de la capa de enfriamiento radiativo casi no cambia en las mismas condiciones. Cuando hace calor, la capa de accionamiento se contrae. Para eliminar la tensión interna en la interfaz entre la capa de enfriamiento radiativo y la capa de accionamiento, la capa de enfriamiento radiativo se despliega gradualmente hasta cubrir completamente la capa de calentamiento solar para enfriamiento. Cuando hace frío, la capa actuadora 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 doble -Modo de 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 cambio automático reversible del modo de gestión térmica debe activarse en función de la 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 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 radiativa), 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 necesaria para la calefacción solar y la refrigeración radiativa. La Figura 3a ilustra la estructura de un dispositivo de gestión térmica de modo dual. Aquí, introdujimos una placa de aluminio recubierta con polvos de óxido de nanocromo (placa de Al negro de nano-Cr) en el diseño del dispositivo de gestión térmica de modo dual para la capa de calefacción 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 radiativa en polvos de óxido de cromo y además se transforma en calor de manera altamente eficiente12.

a Ilustración estructural de un 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 calefacción solar. La capa funcional para el enfriamiento radiativo en la cinta RC está compuesta por una matriz de 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. Un trozo de cinta estrecha VHB, utilizada como única pieza de unión entre las capas de calefacción solar y refrigeración radiativa, reserva el área efectiva máxima para la gestión térmica de modo dual. El recuadro de la imagen SEM muestra que los polvos de nanoóxido de cromo están distribuidos uniformemente en la placa de aluminio. b Imágenes ópticas del dispositivo de modo dual en modos de calefacción y refrigeración. c Vista transversal de un campo de luz (magnitud del componente de campo eléctrico normalizado de la luz) alrededor de una esfera de TiO2 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 mediante E y k, respectivamente. d Espectros de sección transversal de dispersión simulada de esferas de TiO2 con diferentes diámetros en matriz PMP. e Absortividad/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 (cinta RC) hecha en casa 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 rutilo (NP de TiO2) (Figura complementaria 1). 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 al infrarrojo cercano (Figura complementaria 2), mientras que el índice de refracción de las NP de rutilo TiO2 es mucho mayor (>2,39) que el de PMP32. La gran diferencia de índice de refracción es una condición necesaria para la dispersión múltiple y la reflexión interna en la matriz compuesta. Como lo corrobora la simulación en el dominio del tiempo de diferencias finitas (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 al 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 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 diversos enlaces característicos en PMP modificado con DOP, NP de TiO2, adhesivos e incluso polímeros con memoria de forma (materiales para la capa de accionamiento 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 absortividad/emisividad de ~96% en la ventana atmosférica del infrarrojo medio (8–13 μm) (Figura complementaria 4).

La placa de Al con revestimiento negro de 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 de gestión térmica inteligente de modo dual de energía cero (Figura complementaria 5).

Para realizar plenamente un dispositivo de gestión térmica de modo dual tan inteligente y automático, debe aplicarse un mecanismo de conmutación automática 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 calentamiento y enfriamiento. 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 reversible de la forma de la capa de actuación con la temperatura. En este caso, el polímero con memoria de forma bidireccional (2 W SMP) es el material clave para la realización de un interruptor inteligente activado por temperatura, que puede sintetizarse fácilmente mediante una reacción de esterificación de un solo paso de tres monómeros (politetrahidrofurano (PTHF), policaprolactona (PCL). ), y diisocianato de hexametileno (HDI)) sobre un catalizador (dilaurato de dibutilestaño (DBTDL)) con casi un rendimiento del 100 % (Figura complementaria 6). La aparición de un grupo uretano típico en el producto de reacción confirma la síntesis exitosa del prepolímero de poliuretano (Figura complementaria 7). Luego, el producto de la reacción se transfiere directamente a una placa de Petri de acero inoxidable para evaporar completamente el solvente a temperatura ambiente para obtener la película SMP de 2 W preparada requerida para la preparación adicional de la capa de accionamiento más adelante.

El rendimiento de la memoria de forma reversible activado por temperatura se logra después de un proceso de programación (Figura complementaria 8). Durante los ciclos de calentamiento-enfriamiento, hay un cambio de longitud espontáneo y reversible entre contracción y 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 el SMP de 2 W programado, causada por el comportamiento de contracción anormal del SMP de 2 W programado, 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 durante el proceso de calentamiento. Una vez que la temperatura es superior a la temperatura de activación, el ángulo de flexión disminuye drásticamente. Este cambio brusco de ángulo 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 en estado enrollado a baja temperatura cuando se necesita calentamiento y en estado desplegado a alta temperatura cuando se necesita enfriamiento sin doblarse excesivamente hacia el lado SMP de 2 W programado, logrando la conmutación automática diseñada y activada por temperatura. Existe una histéresis del ángulo de flexión durante un ciclo de calentamiento-enfriamiento, que se debe a 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 mediante el peso molecular (Mw) de los monómeros de PCL, de acuerdo con los requisitos del escenario práctico (Figuras complementarias 9 y 10). 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 el funcionamiento a largo plazo (Película complementaria 1 y Figura complementaria 11).

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

Luego, se colocan varios laminados RC tape-2W SMP uno al lado del otro y se unen para formar una película de gran tamaño que cubre exactamente la placa de Al negro nano-Cr (Nota complementaria 2 y Figura complementaria 21). Un trozo de cinta estrecha VHB, como única pieza de unión entre las capas de calefacción solar y refrigeración radiativa, 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 un 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 disparo sensible a la temperatura hace posible que los dispositivos de modo dual cambien de forma inteligente y libre entre dos modos de gestión térmica sin ningún consumo de energía externa (Película complementaria 2).

Para estimar la eficiencia de trabajo de este dispositivo de modo dual para los modos de calefacción y refrigeración, se diseña 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 llevó a cabo un experimento en interiores con el simulador solar (AM 1.5) antes de la prueba de campo en exteriores. La potencia de calefacción solar y la potencia de enfriamiento radiativo del dispositivo de modo dual se prueban durante cinco ciclos (Figura complementaria 19c). Para la calefacción solar, el flujo de calor promedio del dispositivo de modo dual alcanza 933,6 ± 13,7 W m-2, lo 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 ) (Figura 3e). De manera similar, para el enfriamiento radiativo, 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 cinta RC-película SMP de 2W y la placa de Al negro nano-Cr. 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 respondiendo a la temperatura, sin consumo de energía externa. Después de cambios repetidos, ya sea en modo calefacción o modo 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, 117,34 E), China) (Nota complementaria 5). Dos sistemas iguales se colocan en paralelo para comparar (Figura complementaria 18). 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 (Figura complementaria). 13). El calentador en el sistema para 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 (Figura complementaria .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 calefacción solar sigue aumentando y alcanza cerca de 958,7 W m-2 con una radiación solar cada vez más intensa, donde la eficiencia de conversión solar-térmica en tiempo real siempre se mantiene en torno al 91%. Además, la potencia de enfriamiento radiativa promedio alrededor del mediodía alcanza los 126,0 W m-2 bajo una radiación solar de incidencia normal >850 W m-2. Teniendo en cuenta la reducción de la radiación térmica ambiental y la inevitable convección y conducción del calor (Nota complementaria 4), los datos de medición del flujo de calefacción de dispositivos de modo dual en los modos de calefacción y refrigeración en exteriores 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 tanto en los modos de calefacción solar como de enfriamiento radiativo, 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 puede funcionar en el mundo real durante 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 gratuita, 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 enfriamiento radiativo (línea azul) medidas en una prueba de campo. La eficiencia de conversión solar-térmica (ηsolar-térmica) fluctúa alrededor de ~91% (línea discontinua roja) según la radiación solar en tiempo real (línea naranja). b Modeló mensualmente todo el ahorro de energía del dispositivo de modo dual en los modos de calefacción (rojo) y refrigeración (azul) en Tianjin durante 1 año y el ahorro de energía durante todo el año (verde). Se supone 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 absortividad solar (αsolar) y la emisividad infrarroja (εinfrarroja) sobre (c) el ahorro de energía de calefacción en enero y (d) el ahorro de energía de refrigeración en julio en Tianjin. La absortividad solar con la correspondiente emisividad infrarroja 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 calefacción Joule se repite para estar encendida y apagada, el dispositivo de modo dual cambia entre el modo de refrigeración y el modo de calefacción al percibir la temperatura.

Con referencia a 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 la 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 Tianjin, una típica ciudad con 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 invierno más frío, el dispositivo de modo dual sigue siendo capaz de producir un 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 0,24 GJ m-2 en julio y agosto, justo lo que corresponde al caluroso verano. Según las predicciones, el ahorro energético acumulado durante todo el año supera los 2,9 GJ m-2. El máximo ahorro de energía para calefacción en enero se producirá en αsolar = 100% y εinfrarrojo = 0%, y el de refrigeración en julio se producirá 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 absortividad solar y el 8% de la emisividad infrarroja para calefacción, y 90% de reflectividad solar y 97% de emisividad infrarroja para refrigeración, lo 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 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 calefacción o modo refrigeración. Supusimos 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 zonas al norte del Trópico de Cáncer y el dispositivo de modo dual funciona en modo calefacción. En general, cuanto más cerca del Trópico de Cáncer, más energía se puede ahorrar para calefacción gracias a la conversión solar-térmica de un dispositivo de modo dual. Es consistente con el cambio de la radiación solar en función de la latitud. En cambio, en la mayoría de las zonas situadas al sur del Trópico de Cáncer el clima es cálido o incluso caluroso en enero. El dispositivo de modo dual en modo refrigeración logra un buen efecto de ahorro de energía para la refrigeración, especialmente en la zona 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 mediante el dispositivo de modo dual en exteriores. Con la aplicación y eliminación alternativa de una potencia de calentamiento Joule constante, el dispositivo de modo dual cambia espontáneamente entre el modo de enfriamiento y el modo de calentamiento al percibir la temperatura (Figura complementaria 27). Como grupo de control se utiliza una placa de Cu desnuda con un espectro electromagnético casi invariable. Como era de esperar, la placa de Cu cubierta por el dispositivo de modo dual en 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 refrigeración logra 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 refrigeración de manera eficiente en el modo de refrigeración (Figura complementaria 28). Una reducción total de ~21 K en la fluctuación de temperatura muestra de manera fuerte y visual la capacidad de controlar la temperatura para el dispositivo de modo dual.

En resumen, presentamos 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 calefacción solar y refrigeración radiativa, que puede cambiar automáticamente al modo correcto dependiendo del ambiente. temperatura. En el mundo real, el dispositivo puede alcanzar una potencia de calefacción media de ~859,8 W m-2 (correspondiente a una eficiencia de conversión solar-térmica media de ~91 %) en frío y una potencia de refrigeración media de ~126,0 W m-2 en caliente. , porque tiene dos características espectrales diferentes de alta selectividad. Gracias al interruptor automático reversible activado por la temperatura, el dispositivo podría elegir de forma inteligente 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 de la calefacción solar y el enfriamiento radiativo en la gestión térmica, algo que, hasta donde sabemos, no se ha informado en la literatura.

Como diseño de energía cero, el dispositivo de gestión térmica de modo dual aprovecha al máximo la energía renovable de la naturaleza, el calor solar y el frío espacial, por lo que es muy adecuado para áreas abiertas, como los techos de edificios de gran escala. La energía térmica generada podría usarse como una fuente directa para el control de la temperatura del espacio colocando 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. Con 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 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 su resistencia a la intemperie en el escenario real. Sin embargo, un dispositivo de modo dual de energía cero real tendría un gran y práctico potencial para la gestión térmica global y el ahorro de energía, y proporcionaría una plataforma renovable de energía cero para lograr el objetivo de Net Zero Carbon 2050.

La cinta de enfriamiento radiativo (cinta RC) se preparó mediante recubrimiento con múltiples cuchillas. Primero, se disolvieron 0,5 g de partículas de poli-4-metil-1-penteno (PMP) (Mitsui Chemicals, MX002) en 20 ml de disolvente ciclohexano (Aladdin, AR 99,5%) mediante agitación a 60 °C. Luego, se mezclaron 1,355 g de nanopartículas de dióxido de titanio rutilo (NP TiO2) (Shanghai Yaoyi Alloy Material Co. Ltd) y 0,148 g de ftalato de dioctilo (DOP) (Aladdin, AR 99,0%) con una solución de PMP en proporción mediante ultrasonicación con punta (500 W, 30 min) para preparar una solución precursora. La solución de PMP-DOP-TiO2 se recubrió con una cuchilla sobre un sustrato de acero inoxidable limpio para fabricar la película líquida uniforme entre dos espaciadores de cinta transparentes, que se coloca inmediatamente sobre una placa calefactora a 80 °C para evaporar rápidamente el disolvente. El espesor de la cinta RC (75 μm) se determinó mediante el proceso repetido de secado del recubrimiento con cuchilla. Se recubrió con una cuchilla pegamento soluble en agua (Wen Ding adhesivo Co. Ltd, n.º 803) sobre la película compuesta preparada para formar la capa adhesiva. Después de calentar a 80 °C para eliminar el disolvente residual, la cinta RC se retiró 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 un catalizador (Figura complementaria 6). Primero, se disolvieron completamente 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 agitando a temperatura ambiente. Luego, se agregaron en secuencia diisocianato de hexametileno (HDI, 99 %, Aladdin) y dilaurato de dibutilestaño (DBTDL, 95 %, Aladdin) a la solución, que se agitó constantemente durante 3,5 h a temperatura ambiente. La relación molar de tres monómeros (nPTHF:nPCL:nHDI) fue de 9:1:20. La cantidad de catalizador DBTDL fue del 1% del peso total de 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 de Petri de acero inoxidable horizontal. Después de la volatilización completa del disolvente a temperatura ambiente, existía una película SMP de 2 W en el fondo de la placa de Petri, que se puede cortar en cualquier forma según sea necesario.

Se eligió como ejemplo SMP 2 W sintetizada por monómero similar a PCL con un peso molecular de 36.000. Una tira SMP de 2 W preparada se estiró cinco veces su longitud a 90 °C (temperatura de programación) y se bloqueó hasta que se enfrió a temperatura ambiente (baja temperatura). Luego, la tira SMP de 2 W estirada se contrajo 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. Esta cinta RC laminada SMP de 2W se enrolló a temperatura ambiente y se desdobló a 55 °C. Se colocaron varios laminados SMP de cinta RC-2W 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 Al negro nano-Cr, KNEAR) mediante 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 usando un espectrofotómetro ultravioleta-visible-infrarrojo cercano (UV-NIR) (Agilent, Cary 5000) con una esfera integradora y un infrarrojo por transformada de Fourier (FT -IR) espectrómetro (Perkin Elmer, Frontier Optica) con una esfera integradora [PIKE, MCT Mid-IR Integratedsphere]. 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 mediante 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 figura complementaria 18 muestra el aparato para estimar cuantitativamente la capacidad de gestión térmica, incluida la calefacción solar y el enfriamiento radiativo. De arriba a abajo, se trata de un dispositivo de modo dual, una placa de cobre (Cu) (largo: 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 recubierto de lámina 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 luz solar simulada, se encendió y apagó alternativamente una potencia de calefacción Joule constante, lo que dio como resultado 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 proporción, integración y diferenciación (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 temperatura bajo la luz solar simulada, sin importar los modos de calefacción y refrigeración (Figura complementaria 19a). La diferencia de potencia de calentamiento 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 luz solar simulada (Figura complementaria 19b). La temperatura ambiente fue relativamente estable durante todo el proceso experimental. Para estimar el rendimiento de gestión térmica del dispositivo en dos modos, 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).

El aparato para medir la potencia de calefacción solar (flujo de calor positivo) y la potencia de refrigeración radiativa (flujo de calor negativo) es el mismo que el utilizado en escenas simuladas. Para registrar los datos del flujo de calor en tiempo real, se colocaron los mismos dos aparatos 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 (Figura complementaria 13). El calentador en el aparato para el dispositivo de modo dual estaba conectado con una fuente de corriente constante, y el otro estaba conectado 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 (Figura complementaria 13)), el flujo de calor (Φq) debe calibrarse en función de esta conversión solar-térmica adicional. La potencia de calefacción solar (flujo de calor positivo) o la potencia de refrigeración radiativa (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 Al, Pdevice es la potencia de calentamiento en Joules por área aplicada en el dispositivo, αAl es la absortividad solar promedio ponderada de la lámina de Al y Isun es la intensidad de la radiación solar. Para la calefacción solar, los dispositivos Peltier y los ventiladores combinados con ellos funcionan en las mismas condiciones para mantener una temperatura más baja, lo que dota al dispositivo de modo dual en modo calefacción. Para la refrigeración radiativa, los dispositivos y ventiladores Peltier todavía estaban en funcionamiento. Mediante el calentador, se aplicó una potencia de calentamiento 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 meteorológicas en el puesto 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 doble- Modo de rendimiento de gestión térmica.

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

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Este trabajo cuenta con el apoyo del Programa Nacional Clave de I+D 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, República Popular China

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

Laboratorio Estatal Clave e Instituto de Química Elemento-Orgánica, Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala y Laboratorio Clave de Materiales Polímeros Funcionales, Facultad de Química, Universidad de Nankai, Tianjin, 300071, República Popular 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 e 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 e YC analizaron e interpretaron los datos; El manuscrito fue preparado principalmente por QZ, YL, RM e YC y todos los autores participaron en la preparación del manuscrito y comentaron el manuscrito. RM e 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 demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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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 Comuna 13, 4874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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Recibido: 08 de marzo de 2022

Aceptado: 04 de agosto de 2022

Publicado: 19 de agosto de 2022

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

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