温度 - 雲南ATMヒーター株式会社

Nature Communications volume 13、記事番号: 4874 (2022) この記事を引用

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5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

化石エネルギーによる冷暖房の需要を減らすことは最大の課題の1つであり、その需要は世界のエネルギー消費のほぼ半分を占めており、その結果、複雑な気候問題や環境問題を引き起こしています。ここでは、高性能、インテリジェントに自動切り替え、ゼロエネルギーのデュアルモード放射熱管理デバイスを実証します。温度を感知して電磁特性自体を自発的に調整することにより、このデバイスは、低温時に約 859.8 W m-2 の平均加熱出力 (太陽熱変換効率の約 91%)、高温時に約 126.0 W m-2 の平均冷却出力を達成します。プロセス全体で外部エネルギーを消費することはありません。このようなスケーラブルで費用対効果の高いデバイスは、人間の生活の快適な温度帯付近で双方向の温度制御を実現できる可能性があります。実際のデモンストレーションでは、銅板と比較して温度変動が約 21 K 低減されることが示されています。数値予測によると、この実質ゼロエネルギーのデュアルモード熱管理デバイスには、世界中で年間を通じてエネルギーを節約できる大きな可能性があり、ネットゼロカーボン 2050 の目標を実現するための実現可能なソリューションが提供されます。

熱管理は、数百万立方メートルの人工構造物 1 からマイクロおよびナノスケールの集積回路 2、宇宙空間を飛行する宇宙船 3 から深海の有人潜水艇 4 に至るまで、人間の活動において重要な役割を果たしています。さまざまな要件に応じて、さまざまな熱管理技術が開発されています5、6、7。しかし、それらのほとんどは、エネルギー消費、最終的には化石エネルギーを犠牲にして高性能の温度制御を実現します。報告書によると、世界の一次エネルギー総需要は 2019 年に石油換算で 150 億トンに近くなり8、エネルギー消費量のほぼ 50% は日々の冷暖房にのみ使用されていると指摘されています9。このことは特に、増大するエネルギー危機をさらに悪化させています。一方、化石燃料の燃焼により発生する温室効果ガスの急増に伴い、近年、世界的に猛暑や厳寒などの異常気象が頻繁に発生するようになっている10。したがって、化石エネルギー需要と温室効果ガスのさらなる排出を削減できる、エネルギー消費が低い、またはゼロの実現可能なさまざまな高性能熱管理技術を開発することが特に重要かつ不可欠です。

放射熱管理は、外部エネルギーを消費せずに冷暖房を実現できる有望なプラットフォームとみなされており、ますます注目を集めています11。この目標を実現するための最も困難な課題は、熱管理材料の固有の電磁スペクトルを最適化し、無尽蔵の放射熱源 (つまり、太陽、約 5800 K) と冷熱源 (つまり、宇宙空間、 ~3 K) 自然界。より具体的には、理想的な太陽熱加熱のためには、太陽光のスペクトルと黒体輻射の法則によって決定される、材料は 0.2 ～ 2.5 μm の波長範囲で高い吸収率と、2.5 μm を超える波長範囲で低い放射率を備えている必要があります12。逆に、理想的な放射冷却、特に日中の周囲以下の放射冷却では、材料は太陽放射 (0.2 ～ 2.5 μm) を効率的に反射し、透明な大気の特定の波長範囲で強力な選択的中赤外線放射も期待されます。窓（8～13μm）（図1）13．太陽熱加熱と放射冷却に関する一連の研究が別々に/独立して行われ、科学的メカニズムを徹底的に理解し、高効率材料を開発するために多大な努力が払われていることに注目してください14、15、16、17、18、19、20。それにもかかわらず、現実世界では、ほとんどすべてのアンビエントシナリオには、空間、時間、日と季節、温度などの側面の変動を含む、非常に動的で変化しやすい環境にオブジェクトが配置されるという課題が伴います。固定太陽熱加熱や放射冷却は、どちらも動的な環境に完全に適しているわけではありません。太陽熱暖房を例にとると、不要な暖房は暑いときの冷房のためのエネルギー消費を増加させ、寒いときの暖房のエネルギー節約を相殺する可能性さえあります。放射冷却も同様です。したがって、実用化するには、上記の 2 つの相反する電磁スペクトルの両方を備え、動的な周囲に応答して適切なモードに自動的に/インテリジェントに切り替えることができる熱管理システムが必要です。

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>