Температура - Юньнаньская компания обогревателей для банкоматов, ООО

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4874 (2022) Цитировать эту статью

7212 Доступов

25 цитат

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Сокращение потребностей в отоплении и охлаждении за счет ископаемой энергии является одной из самых больших проблем, спрос на которую составляет почти половину мирового потребления энергии, что приводит к сложным климатическим и экологическим проблемам. Здесь мы демонстрируем высокопроизводительное двухрежимное устройство радиационного управления температурой с интеллектуальным автоматическим переключением и нулевым потреблением энергии. Воспринимая температуру для самопроизвольной модуляции электромагнитных характеристик, устройство достигает средней мощности нагрева ~859,8 Вт/м2 (~91% эффективности преобразования солнечной энергии) в холодном состоянии и средней мощности охлаждения ~126,0 Вт/м2 в горячем, без какого-либо внешнего потребления энергии в течение всего процесса. Такое масштабируемое и экономичное устройство могло бы обеспечить двусторонний контроль температуры вокруг комфортной температурной зоны проживания человека. Практическая демонстрация показывает, что колебания температуры уменьшаются на ~ 21 К по сравнению с медной пластиной. Численный прогноз показывает, что это реальное двухрежимное устройство терморегулирования с нулевым потреблением энергии имеет огромный потенциал для круглогодичной экономии энергии по всему миру и обеспечивает реальное решение для реализации цели Net Zero Carbon 2050.

Управление температурным режимом играет важную роль в деятельности человека: от миллионов кубических метров искусственных сооружений1 до микро- и нано-интегральных схем2, от космических кораблей, летающих в космическом пространстве3, до глубоководных обитаемых подводных аппаратов4. В соответствии с различными требованиями были разработаны различные технологии управления температурным режимом5,6,7. Однако большинство из них достигают высокоэффективного контроля температуры за счет потребления энергии, в конечном итоге ископаемой энергии. В отчетах указывается, что общий мировой спрос на первичную энергию в 2019 году близок к 15 миллиардам тонн нефтяного эквивалента, и почти 50% потребления энергии используется просто для ежедневного отопления и охлаждения9. В частности, это приводит к дальнейшему усугублению растущего энергетического кризиса. Между тем, в связи с быстрым увеличением выбросов парниковых газов, образующихся в результате сжигания ископаемого топлива, в последние годы во всем мире все чаще наблюдаются экстремальные погодные явления, такие как сильная жара и сильный холод10. Поэтому особенно важно и необходимо разработать различные осуществимые высокоэффективные технологии управления температурным режимом с низким или даже нулевым потреблением энергии, которые способны снизить спрос на ископаемую энергию и дальнейшие выбросы парниковых газов.

Радиационный термальный менеджмент рассматривается как многообещающая платформа для отопления и охлаждения без внешнего потребления энергии, привлекающая все больше и больше внимания11. Наиболее сложной задачей для реализации этой цели является оптимизация уникального электромагнитного спектра материалов терморегулирования, максимальное использование как неиссякаемого источника лучистого тепла (т. е. солнца, ~5800 К), так и источника холода (т. е. космического пространства, ~3 К) в природе. В частности, для идеального солнечного нагрева материалы должны иметь высокую поглощающую способность в диапазоне длин волн 0,2–2,5 мкм и низкую излучательную способность в диапазоне длин волн >2,5 мкм, определяемую спектром солнечного света и законом излучения черного тела12. Напротив, для идеального радиационного охлаждения, особенно при радиационном охлаждении в дневное время, материалы должны эффективно отражать солнечное излучение (0,2–2,5 мкм), а также иметь сильное селективное излучение в среднем инфракрасном диапазоне в определенном диапазоне длин волн прозрачной атмосферы. окно (8–13 мкм) (рис. 1)13. Обратите внимание, что серия исследований по солнечному нагреву и радиационному охлаждению отдельно/независимо приложила большие усилия для полного понимания научного механизма и разработки высокоэффективных материалов14,15,16,17,18,19,20. Тем не менее, в реальном мире почти все сценарии окружающей среды сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что объекты расположены в довольно динамичной и изменчивой среде, включая колебания пространства, времени, дня и сезона, температуры и т. д. Это означает, что фиксированное солнечное отопление или радиационное охлаждение не полностью подходят для динамичной окружающей среды. Если взять в качестве примера солнечное отопление, то нежелательный нагрев увеличит потребление энергии на охлаждение в жару и даже может свести на нет экономию энергии при обогреве в холод. То же самое относится и к радиационному охлаждению. Следовательно, для практического использования требуется система управления температурным режимом, способная обладать как двумя противоположными электромагнитными спектрами, так и автоматически/интеллектуально переключаться в правильный режим, реагируя на динамическую окружающую среду.

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>