Jun 15, 2023
온도
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Nature Communications 13권, 기사 번호: 4874(2022) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
화석 에너지로부터 냉난방 수요를 줄이는 것은 가장 큰 과제 중 하나입니다. 이 수요는 전 세계 에너지 소비의 거의 절반을 차지하며 결과적으로 복잡한 기후 및 환경 문제를 초래합니다. 여기서는 고성능, 지능적으로 자동 전환되는 제로 에너지 이중 모드 복사 열 관리 장치를 시연합니다. 온도를 인지해 전자기적 특성 자체를 자발적으로 조절함으로써, 이 장치는 추운 곳에서는 ~859.8Wm−2의 평균 가열 전력(태양열 변환 효율 ~91%), 더운 곳에서는 ~126.0Wm−2의 평균 냉각 전력을 달성합니다. 전체 과정에서 외부 에너지 소비가 없습니다. 이러한 확장 가능하고 비용 효율적인 장치는 인간 생활의 편안한 온도 영역에서 양방향 온도 제어를 실현할 수 있습니다. 실제 시연에서는 구리판에 비해 온도 변동이 ~21K 감소함을 보여줍니다. 수치적 예측은 이 실제 제로 에너지 이중 모드 열 관리 장치가 전 세계적으로 연중 내내 에너지를 절약할 수 있는 엄청난 잠재력을 갖고 있으며 Net Zero Carbon 2050의 목표를 실현할 수 있는 실행 가능한 솔루션을 제공한다는 것을 나타냅니다.
열 관리는 인간이 만든 수백만 입방미터의 구조물1부터 마이크로 및 나노 규모의 집적 회로2, 우주 공간을 비행하는 우주선3부터 심해 유인 잠수정4까지 인간 활동에서 중요한 역할을 합니다. 다양한 요구 사항5,6,7에 따라 다양한 열 관리 기술이 개발되었습니다. 그러나 대부분은 에너지 소비, 결국 화석 에너지를 희생하면서 고성능 온도 제어를 달성합니다. 보고서에 따르면 20198년 전 세계 총 1차 에너지 수요는 석유 환산량 150억 톤에 가깝고, 에너지 소비의 거의 50%가 일일 난방 및 냉방에만 사용되는 것으로 나타났습니다9. 이는 특히 증가하는 에너지 위기를 계속 악화시키고 있습니다. 한편, 최근 전 세계적으로 화석연료 연소에 따른 온실가스의 급격한 증가로 인해 폭염, 극한 등 기상 이변이 빈번하게 발생하고 있습니다10. 따라서 화석 에너지 수요를 줄이고 온실가스 배출을 추가로 줄일 수 있는 에너지 소비가 적거나 심지어 0인 다양한 실현 가능한 고성능 열 관리 기술을 개발하는 것이 특히 중요하고 필수적입니다.
복사열 관리는 외부 에너지 소비 없이 난방 및 냉방을 위한 유망한 플랫폼으로 간주되어 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다11. 이 목표를 실현하기 위한 가장 어려운 문제는 열 관리 재료의 고유한 전자기 스펙트럼을 최적화하여 무진장 복사열원(즉, 태양, ~5800K)과 냉각원(즉, 우주 공간, ~3K) 자연에서. 보다 구체적으로, 이상적인 태양열 난방을 위해 재료는 햇빛 스펙트럼 및 흑체 복사 법칙12에 의해 결정되는 0.2-2.5μm의 파장 범위에서 높은 흡수율과 >2.5μm의 파장 범위에서 낮은 방사율을 가져야 합니다. 반대로, 이상적인 복사냉각, 특히 주간 대기온도 이하의 복사냉각을 위해 이 소재는 태양복사(0.2~2.5μm)를 효율적으로 반사하고 투명 대기의 특정 파장 범위에서 강력한 선택적 중적외선 방출을 가질 것으로 예상됩니다. 창(8~13μm)(그림 1)13. 태양열 가열과 복사 냉각에 대한 일련의 연구는 개별적으로/독립적으로 과학적 메커니즘을 철저히 이해하고 고효율 재료를 개발하기 위해 많은 노력을 기울여 왔습니다 14,15,16,17,18,19,20. 그럼에도 불구하고 현실 세계에서 거의 모든 주변 시나리오에는 물체가 공간, 시간, 요일 및 계절, 온도 등의 측면의 변동을 포함하여 매우 역동적이고 가변적인 환경에 위치해야 한다는 과제가 있습니다. 고정형 태양열 난방이나 복사 냉각은 모두 동적 환경에 완전히 적합하지 않습니다. 태양열 난방을 예로 들면, 원하지 않는 난방은 더울 때 냉방을 위한 에너지 소비를 증가시키고 심지어 추운 곳에서 난방을 위한 에너지 절약을 상쇄할 수도 있습니다. 복사냉각의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 실용화를 위해서는 위의 두 가지 반대 전자기 스펙트럼을 모두 보유하고, 동적 환경에 반응하여 자동/지능적으로 올바른 모드로 전환할 수 있는 열 관리 시스템이 필요하다.
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>
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