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Jun 10, 2023

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Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4874 (2022) Citer cet article

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Réduire les besoins de chauffage et de refroidissement à partir d'énergies fossiles est l'un des plus grands défis, dont la demande représente près de la moitié de la consommation mondiale d'énergie, entraînant par conséquent des problèmes climatiques et environnementaux complexes. Ici, nous démontrons un dispositif de gestion thermique radiative bimode à hautes performances, à commutation automatique intelligente et à énergie nulle. En percevant la température pour moduler spontanément les caractéristiques électromagnétiques elle-même, l'appareil atteint ~859,8 W m−2 de puissance de chauffage moyenne (∼91% de l'efficacité de conversion solaire-thermique) en froid et ~126,0 W m−2 de puissance de refroidissement moyenne en chaud, sans aucune consommation d'énergie externe pendant tout le processus. Un tel dispositif évolutif et rentable pourrait réaliser un contrôle de température bidirectionnel autour d'une zone de température confortable de la vie humaine. Une démonstration pratique montre que la fluctuation de température est réduite d'environ 21 K, par rapport à une plaque de cuivre. La prédiction numérique indique que ce véritable dispositif de gestion thermique bimode à énergie zéro a un énorme potentiel d'économie d'énergie tout au long de l'année dans le monde entier et fournit une solution réalisable pour atteindre l'objectif de Net Zero Carbon 2050.

La gestion thermique joue un rôle important dans les activités humaines, qu'il s'agisse de millions de mètres cubes de structure fabriquée par l'homme1 ou de circuits intégrés à l'échelle micro et nanométrique2, et des engins spatiaux volant dans l'espace extra-atmosphérique3 aux submersibles habités en eaux profondes4. Diverses technologies de gestion thermique ont été développées selon différentes exigences5,6,7. Cependant, la plupart d'entre eux réalisent une régulation thermique performante au prix d'une consommation d'énergie, éventuellement fossile. Des rapports ont souligné que la demande mondiale totale d'énergie primaire est proche de 15 milliards de tonnes d'équivalent pétrole en 20198, et près de 50 % de la consommation d'énergie est simplement utilisée pour le chauffage et le refroidissement quotidiens9. Cela rend particulièrement la crise croissante de l'énergie continuer à s'aggraver. Pendant ce temps, avec l'augmentation rapide des gaz à effet de serre produits par la combustion de combustibles fossiles, des phénomènes météorologiques extrêmes, tels que des chaleurs intenses et des froids intenses, se sont fréquemment produits de plus en plus dans le monde ces dernières années10. Par conséquent, il est particulièrement important et impératif de développer diverses technologies de gestion thermique performantes et réalisables avec une consommation d'énergie faible, voire nulle, capables de réduire la demande d'énergie fossile et les émissions supplémentaires de gaz à effet de serre.

La gestion thermique radiative est considérée comme une plate-forme prometteuse pour le chauffage et le refroidissement sans consommation d'énergie externe, attirant de plus en plus l'attention11. Le problème le plus difficile pour atteindre cet objectif est d'optimiser le spectre électromagnétique unique des matériaux de gestion thermique, en maximisant l'utilisation à la fois de la source de chaleur radiative inépuisable (c'est-à-dire le soleil, ~ 5800 K) et de la source froide (c'est-à-dire l'espace extra-atmosphérique, ~3K) dans la nature. Plus précisément, pour un chauffage solaire idéal, les matériaux doivent avoir une absorptivité élevée dans la plage de longueurs d'onde de 0,2 à 2,5 μm et une faible émissivité dans la plage de longueurs d'onde > 2,5 μm, déterminée par le spectre de la lumière solaire et la loi de rayonnement du corps noir12. Au contraire, pour un refroidissement radiatif idéal, en particulier dans le refroidissement radiatif sous-ambiant diurne, les matériaux devraient refléter efficacement le rayonnement solaire (0,2 à 2,5 μm) et également avoir une forte émission sélective dans l'infrarouge moyen dans la gamme de longueurs d'onde spécifique de l'atmosphère transparente. fenêtre (8–13 μm) (Fig. 1)13. Notez qu'une série d'études sur le chauffage solaire et le refroidissement radiatif séparément/indépendamment ont fait de grands efforts pour bien comprendre le mécanisme scientifique et développer des matériaux à haute efficacité14,15,16,17,18,19,20. Néanmoins, dans le monde réel, presque tous les scénarios ambiants viennent avec le défi que les objets sont situés dans un environnement assez dynamique et variable, y compris la fluctuation des aspects de l'espace, du temps, du jour et de la saison, de la température, etc. Cela signifie que le chauffage solaire fixe ou le refroidissement radiatif ne sont pas tout à fait adaptés à la dynamique ambiante. Prenant le chauffage solaire comme exemple, un chauffage indésirable augmentera la consommation d'énergie pour le refroidissement dans le chaud et peut même compenser l'économie d'énergie du chauffage dans le froid. Il en est de même pour le refroidissement radiatif. Par conséquent, pour une utilisation pratique, un système de gestion thermique, capable de posséder à la fois deux spectres électromagnétiques opposés et de basculer automatiquement/intelligemment sur le bon mode en répondant à la dynamique ambiante, est requis.

a Illustration schématique du dispositif de gestion thermique radiative bimode commutant entre le chauffage solaire (à gauche) et le refroidissement radiatif (à droite) avec la température. Le dispositif bimode (en haut) se compose de trois couches fonctionnelles : une couche de refroidissement radiative, une couche d'actionnement sensible à la température et une couche de chauffage solaire (pas à l'échelle). b Spectre d'absorptivité/émissivité des matériaux idéaux de chauffage solaire (ligne rouge) et de refroidissement radiatif (ligne bleue). Le spectre solaire global normalisé ASTM G173 (zone rouge clair) et la fenêtre atmosphérique infrarouge transparente (norme américaine 1976, zone bleu clair) sont tracés à titre de référence. c Flux de chaleur net en fonction de la température des matériaux idéaux de chauffage solaire (rouge) et de refroidissement radiatif (bleu). Notez que le flux de chaleur est calculé par la relation d'équilibre thermique (note complémentaire 1) basée sur le spectre solaire global (ASTM G173) et la fenêtre atmosphérique transparente typique (norme américaine 1976). La température d'équilibre du matériau est atteinte lorsque le flux de chaleur net est nul. La puissance de gestion thermique est l'intersection correspondant à une différence de température nulle entre le matériau et l'environnement, où le flux de chaleur positif et le flux de chaleur négatif représentent respectivement la puissance de chauffage et la puissance de refroidissement.

Jusqu'à présent, plusieurs approches ont été conçues pour réguler dynamiquement les caractéristiques spectrales de la gestion thermique bimode dans la littérature (tableau supplémentaire 1)21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 . Cependant, il y a plus ou moins de coût énergétique externe pour basculer entre les modes de chauffage et de refroidissement, comme l'utilisation d'énergie mécanique ou d'énergie électrique. En d'autres termes, ces conceptions sont une gestion thermique bimode à énergie quasi nulle, bien qu'aucune énergie externe ne soit consommée pendant le chauffage solaire et le refroidissement radiatif.

Ici, nous développons un dispositif intelligent de gestion thermique bi-mode à commutation automatique et à énergie nulle, qui est capable de basculer spontanément entre les modes de chauffage et de refroidissement en percevant la température ambiante. La gestion thermique à énergie nulle repose sur les deux propriétés électromagnétiques à haute sélectivité mais différentes correspondant respectivement aux couches de chauffage solaire et de refroidissement radiatif. Et la commutation à énergie nulle entre deux modes différents est réalisée par l'actionnement automatique du dispositif, à partir de l'inadéquation de la forme entre la couche de refroidissement radiative et la couche d'actionnement avec changement de température. Les résultats de l'essai sur le terrain montrent que l'appareil a une puissance de chauffage solaire moyenne d'environ 859,8 W m−2 (correspondant à une efficacité de conversion solaire-thermique d'environ 91 %) et une puissance de refroidissement radiative moyenne d'environ 126,0 W m−2, les deux qui sont comparables aux seuls matériaux de pointe de chauffage solaire et de refroidissement radiatif. D'excellentes performances de gestion thermique et la possibilité de basculer automatiquement permettent à l'appareil de choisir le bon mode pour obtenir les meilleurs résultats de contrôle de la température. La prédiction numérique révèle le grand potentiel de ce dispositif bi-mode en termes d'économie d'énergie globale. Une telle gestion thermique à énergie zéro pourrait contribuer à la réalisation de l'objectif de Net Zero Carbon 2050.

Comme le montre la figure 1a, le dispositif de gestion thermique à double mode se compose de trois couches fonctionnelles, qui sont dans l'ordre suivant : couche de refroidissement radiative, couche d'actionnement sensible à la température et couche de chauffage solaire. L'essence de la stratégie de gestion thermique radiative bimode à énergie nulle est basée sur la transformation des différentes caractéristiques spectrales à haute sélectivité requises dans le système de contrôle de la température (Fig. 1b). Lorsque le mode chauffage est requis, la couche de refroidissement radiative est automatiquement enroulée pour maximiser la couche de chauffage solaire non couverte. En raison de l'absorptivité solaire élevée et de la faible émissivité infrarouge de la couche de chauffage solaire, la majeure partie du rayonnement solaire est absorbée et convertie en chaleur, et la perte de chaleur due au rayonnement infrarouge est réduite au minimum. Pour le mode de refroidissement, la couche de refroidissement radiative dépliée automatiquement recouvre complètement la couche de chauffage solaire, où la réflexion solaire élevée de la couche de refroidissement radiative sur la lumière du soleil réduit autant que possible l'absorption solaire, évitant ainsi l'augmentation de l'énergie interne du rayonnement solaire. Pendant ce temps, l'émission infrarouge moyenne élevée dans la plage de longueurs d'onde spécifique (8–13 μm) transfère directement la chaleur à travers la fenêtre atmosphérique transparente dans l'espace extra-atmosphérique par rayonnement thermique à pleine puissance, réduisant le rayonnement infrarouge d'entrée indésirable de l'air et de l'environnement environnant. La température en régime permanent d'un appareil bimode est déterminée par la relation d'équilibre thermique entre quatre composants clés : le rayonnement solaire absorbé par le soleil (Psun), la chaleur émise par l'appareil (Pdevice), le rayonnement thermique absorbé par l'atmosphère (Patm), et la chaleur parasite (Pparasitic) caractérisée par un coefficient de transfert thermique (hc) (Eq. (1) et Note complémentaire 1)14. Le flux de chaleur net (Pnet) est une fonction de la température de l'appareil (Tdevice).

Ici, nous avons fixé la température ambiante (Tamb) à 25 °C et utilisé le spectre solaire global universel (ASTM G173) et la fenêtre atmosphérique typique (norme américaine 1976). Lorsque le flux de chaleur net est nul, la température de régime permanent de l'appareil est atteinte, et la puissance de gestion thermique (le négatif représente le refroidissement, le positif représente le chauffage) est l'intersection correspondant à la température de l'appareil égale à celle de l'ambiant ( Fig. 1c). Le premier est sensible à la chaleur parasite. En prenant comme exemple le mode refroidissement, la température de régime permanent de l'appareil se rapproche progressivement de la température ambiante (de I à II) avec augmentation du coefficient de transfert de chaleur (de 0 à 10 W m−2 K−1). Différente de la température d'équilibre, la puissance frigorifique radiative est indépendante de la chaleur parasite (III). Cette analyse est également adaptée au mode chauffage.

Le mécanisme d'auto-commutation est basé sur l'ajustement morphologique spontané du dispositif bimode répondant au changement de température ambiante (Fig. 1a). La longueur de la couche d'actionnement est sensible à la température, mais la longueur de la couche de refroidissement radiative est quasiment inchangée dans les mêmes conditions. Lorsqu'il fait chaud, la couche d'actionnement se rétracte. Pour éliminer la contrainte interne à l'interface entre la couche de refroidissement radiative et la couche d'actionnement, la couche de refroidissement radiative se déplie progressivement jusqu'à recouvrir complètement la couche de chauffage solaire à refroidir. Lorsqu'il fait froid, la couche d'actionnement réagit à l'inverse pour exposer au maximum la couche solaire chauffante. Plus important encore, le stimulus déclenchant le basculement des modes de gestion thermique est la température, qui est la grandeur physique qui détermine les exigences de gestion thermique. Cela signifie que l'appareil bimode est intelligent et peut sélectionner un mode approprié en fonction de la température ambiante, sans aucune consommation d'énergie externe pendant tout le processus de commutation.

Nous résumons que la réalisation réussie d'un dispositif de gestion thermique bimode intelligent et à énergie nulle nécessite trois caractéristiques typiques (Fig. 2): (a) Le dispositif doit avoir un spectre électromagnétique à haute sélectivité dans les modes de chauffage et de refroidissement pour obtenir une double -mode haute performance de gestion thermique. (b) L'appareil a la capacité de basculer entre les modes de chauffage et de refroidissement en utilisant le changement de ses propres propriétés physico-chimiques. C'est un facteur clé pour réaliser une gestion thermique à énergie zéro. (c) La commutation automatique réversible du mode de gestion thermique doit être déclenchée par la température. La combinaison de ces trois caractéristiques donnerait non seulement à l'appareil bimode "l'intelligence" de choisir un mode approprié en percevant automatiquement l'environnement avec une entrée d'énergie nulle, mais conduirait également à une efficacité élevée dans les modes de chauffage et de refroidissement pour notre bimode dispositif de gestion thermique.

Trois critères de l'appareil bi-mode : gestion thermique bi-mode (chauffage solaire/refroidissement radiatif), auto-commutation réversible, consommation d'énergie pour l'interrupteur.

Pour la gestion thermique bimode, un aspect important des parties fonctionnelles de l'appareil est d'obtenir différents spectres électromagnétiques avec une sélectivité élevée requise pour le chauffage solaire et le refroidissement radiatif. La figure 3a illustre la structure d'un dispositif de gestion thermique bimode. Ici, nous avons introduit une plaque d'aluminium revêtue de poudres d'oxyde de nano-chrome (plaque d'Al noir nano-Cr) dans la conception du dispositif de gestion thermique bimode pour la couche de chauffage solaire. Les poudres d'oxyde de nano-chrome uniformément réparties agissent comme un agent absorbant et miroir pour assurer une absorption solaire élevée et une faible émission infrarouge (encadré sur la Fig. 3a). En raison des résonances plasmoniques, la lumière du soleil subit un amortissement non radiatif dans les poudres d'oxyde de chrome et est ensuite transformée à haut rendement en chaleur12.

a Illustration structurelle d'un dispositif de gestion thermique bimode. La plaque en aluminium noir Nano-Cr est le capteur solaire avec un spectre électromagnétique proche de l'idéal pour le chauffage solaire. La couche fonctionnelle pour le refroidissement radiatif dans la bande RC est composée d'une matrice PMP modifiée par DOP et de charges de TiO2 NPs. La couche adhésive assure l'intégration de l'interface entre la bande RC et l'actionneur sensible à la température lors de processus de déformation complexes et répétés. Un morceau de ruban VHB étroit, utilisé comme seule pièce commune entre les couches de chauffage solaire et de refroidissement radiatif, réserve la surface efficace maximale pour la gestion thermique bimode. L'encart de l'image SEM montre que les poudres d'oxyde de nano-chrome sont uniformément réparties sur la plaque d'aluminium. b Images optiques d'un appareil bimode en modes chauffage et refroidissement. c Vue en coupe d'un champ lumineux (amplitude de la composante de champ électrique normalisé de la lumière) autour d'une sphère de TiO2 rutile de différents diamètres (d). La longueur d'onde de la lumière incidente est de 475 nm, correspondant à la densité d'énergie maximale du rayonnement solaire (ASTM G173). Le champ électrique de la lumière incidente et le vecteur d'onde de la lumière incidente sont représentés symboliquement par E et k, respectivement. d Spectres de section efficace de diffusion simulés de sphères de TiO2 de différents diamètres dans une matrice PMP. e Absorptivité/Emissivité (α/ε) du dispositif de gestion thermique bimode en modes chauffage et refroidissement, respectivement.

Le refroidissement radiatif dans le dispositif de gestion thermique bimode est principalement réalisé par une bande de refroidissement radiative extensible faite maison (bande RC) avec d'excellentes performances. La couche fonctionnelle pour le refroidissement radiatif dans la bande RC est constituée de poly(4-méthyl-1-pentène) (PMP) modifié au phtalate de dioctyle (DOP) encapsulant des nanoparticules de dioxyde de titane rutile (NPs de TiO2) (Fig. 1 supplémentaire). Le PMP est un excellent polymère solaire transparent avec un indice de réfraction indépendant de la longueur d'onde de 1,46 du visible au proche infrarouge (Fig. 2 supplémentaire), tandis que l'indice de réfraction des NP de TiO2 rutile est beaucoup plus élevé (> 2,39) que celui du PMP32. La grande différence d'indice de réfraction est une condition requise pour la diffusion multiple et la réflexion interne dans la matrice composite. Comme le corrobore la simulation dans le domaine temporel des différences finies (FDTD), les plus petits NP de TiO2 sont plus capables de rediriger la lumière incidente (Fig. 3c). D'autre part, la longueur d'onde du centre de diffusion montre une tendance au décalage vers le rouge avec l'augmentation du diamètre des NP de TiO2 (Fig. 3d). En tant que centre de diffusion à indice de réfraction élevé, les NP de TiO2 à large distribution de taille sont capables de produire la plage de longueurs d'onde de diffusion requise couvrant l'ensemble du rayonnement solaire, en raison de l'effet collectif de plusieurs résonances de Mie (Fig. 3d et Supplémentaire Fig. 3). De plus, de grandes quantités de pics d'absorption infrarouge provenant de diverses liaisons caractéristiques dans le PMP modifié par DOP, les NP de TiO2, l'adhésif et même le polymère à mémoire de forme (matériaux pour la couche d'actionnement sensible à la température), fournissent suffisamment de rayonnement infrarouge pour transférer la chaleur dans l'espace ( Fig. 4 supplémentaire). La bande RC optimisée peut refléter> 90% du rayonnement solaire et avoir une absorptivité / émissivité élevée d'environ 96% dans la fenêtre atmosphérique infrarouge moyen (8–13 μm) (Fig. 4 supplémentaire).

La plaque en aluminium revêtue de noir Nano-Cr est noire pour absorber la lumière du soleil et le ruban RC est blanc brillant pour refléter la lumière du soleil. Bénéficiant de cela, l'appareil montre une différence drastique d'apparence visuelle entre les modes de chauffage et de refroidissement (Fig. 3b). Comme le montre la Fig. 3e, l'appareil en mode chauffage peut absorber ~ 91 % du rayonnement solaire et il n'y a presque pas d'émission dans l'infrarouge moyen (~ 8 %) dans la plage de longueurs d'onde de 8 à 13 μm. Une telle différence dans les caractéristiques spectrales de l'appareil dans les deux modes jette les bases du dispositif de gestion thermique bimode intelligent à énergie nulle (Fig. 5 supplémentaire).

Pour réaliser pleinement un tel dispositif de gestion thermique bimode intelligent et automatique, un mécanisme de commutation automatique doit être appliqué au dispositif. Ceci est réalisé grâce à un commutateur automatique intelligent déclenché par la température utilisant une couche sensible à la température avec une mémoire de forme réversible prise en sandwich entre les couches de chauffage et de refroidissement. Le mécanisme central de cet actionnement est de minimiser la contrainte interne à l'interface entre la couche de refroidissement radiative et la couche d'actionnement, lors de l'évolution réversible de la forme de la couche d'actionnement avec la température. Ici, le polymère à mémoire de forme bidirectionnel (2 W SMP) est le matériau clé pour la réalisation d'un commutateur intelligent déclenché par la température, qui peut être synthétisé facilement par une réaction d'estérification en une étape de trois monomères (polytétrahydrofurane (PTHF), polycaprolactone (PCL ) et diisocyanate d'hexaméthylène (HDI)) sur un catalyseur (dilaurate de dibutylétain (DBTDL)) avec un rendement de près de 100 % (Fig. 6 supplémentaire). L'apparition d'un groupe uréthane typique dans le produit de réaction confirme la réussite de la synthèse du prépolymère de polyuréthane (Fig. 7 supplémentaire). Le produit de réaction est ensuite transféré directement dans une boîte de Pétri en acier inoxydable pour évaporer complètement le solvant à température ambiante afin d'obtenir le film SMP 2 W tel que préparé pour une préparation ultérieure de la couche d'actionnement.

La performance de la mémoire de forme réversible déclenchée par la température est obtenue après un processus de programmation (Fig. 8 supplémentaire). Au cours des cycles de chauffage-refroidissement, il se produit un décalage de longueur spontané et réversible entre le retrait et l'allongement comme prévu, qui est causé par le processus réversible de fusion-cristallisation de segments partiels dans le polymère (Fig. 4a). Remarquablement, le SMP 2 W programmé dans la direction d'étirement se rétrécit lorsqu'il est chauffé et se dilate lorsqu'il est refroidi. Un stratifié serré pourrait être formé en attachant un morceau de ruban RC de même taille au SMP 2 W programmé à l'état de rétrécissement. Grâce à l'énorme différence de longueur le long de la direction de programmation entre la bande RC et le SMP 2 W programmé causée par le comportement de rétrécissement anormal du SMP 2 W programmé, le stratifié pourrait se plier du côté de la bande RC lorsqu'il est refroidi. Comme le montre la figure 4b, le stratifié enroulé se déplie progressivement jusqu'à ce qu'il soit complètement plat à mesure que la température augmente. Notamment, l'angle de courbure commence à diminuer lentement dans le processus de chauffage. Une fois que la température est supérieure à la température de déclenchement, l'angle de flexion diminue fortement. Ce changement d'angle aigu est déterminé par la fusion de la structure cristalline partielle dans un SMP 2 W programmé (Fig. 4a). Cela garantit que le stratifié RC tape-2W SMP reste à l'état enroulé à basse température lorsque le chauffage est nécessaire et à l'état déplié à haute température lorsque le refroidissement est nécessaire sans flexion excessive vers le côté SMP 2 W programmé, réalisant la commutation automatique et déclenchée par la température. Une hystérésis de l'angle de courbure existe pendant un cycle de chauffage-refroidissement, qui provient de la différence entre la température de fusion et la température de cristallisation du SMP 2 W programmé. La température de déclenchement du stratifié RC tape-2W SMP pourrait être ajustée par le poids moléculaire (Mw) des monomères PCL, selon les exigences du scénario pratique (Figs. 9 et 10 supplémentaires). Pour PCL avec Mw = 10 000, la température de déclenchement se situe dans la plage de 23 à 24 ° C, autour de la zone de température confortable pour la vie humaine (Fig. 4b). De plus, le stratifié RC tape-2W SMP présente une excellente cyclabilité pendant le processus de chauffage-refroidissement répété, indiquant une bonne stabilité en fonctionnement à long terme (Supplémentaire Film 1 et Supplémentaire Fig. 11).

a Spectres de diffraction des rayons X d'un SMP programmé de 2 W en modes de chauffage et de refroidissement, respectivement. b Performance de déformation en flexion du stratifié RC tape-2W SMP en fonction de la température de la plaque chauffante. Le poids moléculaire du monomère PCL est de 10 000. L'encart d'images optiques montre que la bande RC-2W SMP est à l'état enroulé à basse température et à l'état déplié à haute température. c Déformation par flexion réversible de la matrice de films RC tape-2W SMP dans le dispositif bimode en fonction du nombre de cycles entre les modes de chauffage et de refroidissement.

Ensuite, plusieurs stratifiés RC tape-2W SMP sont placés côte à côte et collés ensemble pour former un film de grande taille recouvrant exactement la plaque nano-Cr black Al (Note complémentaire 2 et Fig. 21 complémentaire). Un morceau de ruban VHB étroit, en tant que seule pièce commune entre les couches de chauffage solaire et de refroidissement radiatif, réserve la surface efficace maximale pour la gestion thermique bimode. Nous avons également démontré la robustesse d'un dispositif bimode commutant de manière répétée entre les modes de chauffage et de refroidissement (Fig. 4c). En bref, la transformation de forme réversible du stratifié RC tape-2W SMP réalise le pourcentage maximal de surface active dans un dispositif bimode, ce qui permet d'obtenir le meilleur effet de gestion thermique dans les modes de chauffage et de refroidissement, respectivement. Et le mécanisme de déclenchement sensible à la température permet aux appareils bimodes de basculer intelligemment et librement entre deux modes de gestion thermique sans aucune consommation d'énergie externe (Supplementary Movie 2).

Pour estimer l'efficacité de fonctionnement de cet appareil bimode pour les modes de chauffage et de refroidissement, un système de mesure basé sur le chauffage Joule est conçu pour surveiller le flux de chaleur (Fig. 18 supplémentaire). Le dispositif Peltier associé à un ventilateur est utilisé comme source froide stable dans le système. Une expérimentation en intérieur a d'abord été réalisée avec le simulateur solaire (AM 1.5) avant un test terrain en extérieur. La puissance de chauffage solaire et la puissance de refroidissement radiative du dispositif bimode sont testées pendant cinq cycles (Fig. 19c supplémentaire). Pour le chauffage solaire, le flux de chaleur moyen d'un appareil bimode atteint 933,6 ± 13,7 W m−2, ce qui est presque cohérent avec la valeur théorique d'un appareil bimode en mode chauffage, environ égale à 94 % du rayonnement solaire (ASTM G173 ) (Fig. 3e). De même, pour le refroidissement radiatif, le flux de chaleur moyen est de −94,4 ± 42,8 W m−2, soit ~55 % de la valeur théorique en mode refroidissement. Une certaine différence et une certaine fluctuation peuvent provenir d'un contact thermique insuffisant entre le film RC tape-2W SMP et la plaque d'Al noir nano-Cr. Plus de détails sur le calcul du modèle théorique sont décrits dans la note complémentaire 3. De plus, le dispositif bimode bascule spontanément entre les modes de chauffage et de refroidissement en répondant à la température, sans consommation d'énergie externe. Après des commutations répétées, que ce soit en mode chauffage ou en mode refroidissement, les performances de la gestion thermique ne présentent pas de dégradation évidente.

De plus, nous avons effectué une expérience quotidienne sur le terrain dans des scénarios du monde réel à l'extérieur pour tester ses performances de gestion thermique vraiment pratiques dans un environnement réel (situé sur le campus de l'Université Nankai à Tianjin (38.99 N, 117.34E), Chine) (Note complémentaire 5). Deux systèmes identiques sont mis en parallèle pour comparaison (Fig. 18 supplémentaire). Une plaque de cuivre (Cu) est recouverte par notre appareil bimode, et l'autre est recouverte d'une feuille d'aluminium (Al) de même taille en tant que groupe de contrôle, car son absorption solaire et son émission infrarouge sont proches de zéro (Fig. 13). L'élément chauffant du système pour appareil bimode est connecté à une source de courant constant, et l'autre est connecté à un programme de contrôle de rétroaction pour maintenir la température de la feuille d'aluminium identique à celle de l'appareil bimode (Fig. . 23). La figure 5a montre les trois courbes de flux de chaleur enregistrées pour le rayonnement solaire, dispositif bimode en modes de chauffage et de refroidissement, respectivement. La puissance de chauffage solaire continue d'augmenter et atteint près de 958,7 W m−2 avec un rayonnement solaire de plus en plus fort, où le rendement de conversion solaire-thermique en temps réel reste toujours autour de 91 %. De plus, la puissance moyenne de refroidissement radiatif vers midi atteint 126,0 W m−2 sous le rayonnement solaire à incidence normale > 850 W m−2. Compte tenu du rayonnement thermique ambiant réduit et de la convection et de la conduction inévitables de la chaleur (note complémentaire 4), les données de mesure du flux de chauffage des appareils bimodes dans les modes de chauffage et de refroidissement à l'extérieur correspondent bien aux résultats expérimentaux à l'intérieur. Ces résultats démontrent que notre dispositif à double mode pourrait atteindre des performances de gestion thermique assez efficaces de manière répétée dans les modes de chauffage solaire et de refroidissement radiatif, et basculer automatiquement entre eux en fonction de la température. Pendant tout le processus, y compris le travail et la commutation, aucune énergie externe n'est requise. L'appareil à double mode peut fonctionner dans le monde réel tout au long des différentes saisons de l'année entière. A notre connaissance, la conception de ce dispositif de gestion thermique bi-mode avec ces caractéristiques combinées, y compris deux modes de gestion thermique, une consommation d'énergie nulle et une commutation intelligente et gratuite, n'a pas été rapportée dans la littérature (tableau supplémentaire 1 ).

a Puissance de chauffage solaire continue résolue en temps (ligne rouge) et puissance de refroidissement radiatif (ligne bleue) mesurées lors d'essais sur le terrain. Le rendement de conversion solaire-thermique (ηsolaire-thermique) fluctue autour de ~91 % (ligne pointillée rouge) en fonction du rayonnement solaire en temps réel (ligne orange). b Modélisation mensuelle de toutes les économies d'énergie d'un appareil bimode en modes chauffage (rouge) et refroidissement (bleu) à Tianjin pendant 1 an et économie d'énergie toute l'année (vert). La température critique pour diviser les modes de chauffage et de refroidissement est supposée être de 17 °C, ce qui est approximativement égal à la température moyenne de Pékin au printemps et en automne. Mode de chauffage : janvier–avril, octobre–décembre. Mode rafraîchissement : mai–septembre. c, d Effets de l'absorptivité solaire (αsolaire) et de l'émissivité infrarouge (εinfrarouge) sur (c) les économies d'énergie de chauffage en janvier et (d) les économies d'énergie de refroidissement en juillet à Tianjin. L'absorptivité solaire avec l'émissivité infrarouge correspondante du dispositif bimode (étoile) est comparée à celles du dispositif sensible à la température (dioxyde de vanadium dopé (VO2), carré ; hydrogel, cercle ; polymère à changement de phase, triangle ; autres matériaux, hexagone) dans la littérature. e Carte modélisée d'économie d'énergie (rayon du cercle) pour certaines villes avec dispositif bi-mode en mode chauffage (cercle rouge) ou en mode refroidissement (cercle bleu) en janvier. f Différence de température en temps réel (ΔT = Tsample − TCu plate) d'un dispositif bimode (Tsample, ligne noire) par rapport à une plaque de Cu de 200 μm d'épaisseur (TCu plate, ligne pointillée bleue) sous rayonnement solaire (Isun, ligne orange ). Lorsque la puissance de chauffage Joule est répétée pour être marche-arrêt, l'appareil à double mode bascule entre le mode de refroidissement et le mode de chauffage en percevant la température.

En nous référant aux données météorologiques historiques, nous avons calculé la production mensuelle de chaleur et de froid de l'appareil bimode en modes chauffage et refroidissement, respectivement, pour prédire quantitativement l'impact potentiel de l'appareil bimode sur les économies d'énergie (Note complémentaire 6). Avec le changement périodique de position relative entre la terre et le soleil, les capacités de chauffage et de refroidissement de l'appareil bimode au cours des différents mois montrent une certaine régularité. En prenant Tianjin, une ville typique au climat continental de mousson, comme exemple, le rayonnement solaire total et la température moyenne augmentent d'abord, puis diminuent ensemble en 1 an (Fig. 5b et Tableau supplémentaire 2). Même en hiver plus froid, le dispositif bimode est toujours capable de produire une chaleur considérable (>0,15 GJ m−2), grâce à son efficacité élevée de conversion solaire-thermique, bien que le rayonnement solaire total soit très faible. La capacité de refroidissement est principalement déterminée par la température, moins affectée par le rayonnement solaire. Le pic atteint 0,24 GJ m−2 en juillet et août, correspondant juste à l'été chaud. L'économie d'énergie accumulée tout au long de l'année dépasse 2,9 GJ m−2 en prévision. L'économie d'énergie maximale pour le chauffage en janvier se produira à αsolaire = 100 % et εinfrarouge = 0 %, et celle pour le refroidissement en juillet se produira à αsolaire = 0 % et εinfrarouge = 100 % (Fig. 5c, d). Cela concorde bien avec nos deux spectres électromagnétiques idéaux à haute sélectivité proposés (Fig. 1b). Comparé aux dispositifs de gestion thermique sensibles à la température (y compris les fenêtres et les revêtements) rapportés dans la littérature30, 33,34,35,36,37,38, notre dispositif bimode pourrait atteindre 91 % d'absorptivité solaire et 8 % d'émissivité infrarouge pour chauffage, et 90% de réflectivité solaire et 97% d'émissivité infrarouge pour le refroidissement, ce qui est très proche des spectres électromagnétiques idéaux. Cette grande amélioration de la sélectivité spectrale place notre appareil dans un espace opérationnel différent et établit une nouvelle marque pour la gestion thermique radiative bi-mode. Certaines villes sont sélectionnées pour représenter des zones climatiques terrestres typiques dans le monde (Fig. 25 supplémentaire et tableau supplémentaire 3). On constate que le dispositif bi-mode a des effets significatifs d'économie d'énergie dans presque toutes les zones climatiques, que ce soit en mode chauffage ou en mode refroidissement. Nous avons supposé que la température de division entre les modes de chauffage et de refroidissement est de 17 °C, ce qui est approximativement égal à la température moyenne de Pékin au printemps et en automne. La carte d'économie d'énergie correspondante est illustrée à la Fig. 5e. En janvier, le temps est froid dans la plupart des régions au nord du tropique du Cancer, et l'appareil bi-mode fonctionne en mode chauffage. En général, plus le tropique du Cancer est proche, plus l'énergie de chauffage peut être économisée grâce à la conversion solaire-thermique d'un appareil bimode. Elle est cohérente avec l'évolution du rayonnement solaire en fonction de la latitude. En revanche, le climat, dans la plupart des régions situées au sud du tropique du Cancer, est chaud voire caniculaire en janvier. L'appareil bimode en mode refroidissement permet d'obtenir un bon effet d'économie d'énergie pour le refroidissement, en particulier dans la zone proche du tropique du Capricorne, où il se trouve en été. L'analyse ci-dessus décrit le grand potentiel du dispositif bi-mode en termes de gestion thermique globale et d'économie d'énergie.

Une démonstration en temps réel du contrôle de température haute performance par le dispositif bimode à l'extérieur est illustrée à la Fig. 5f. Avec une application et une suppression alternatives d'une puissance de chauffage Joule constante, le dispositif bi-mode bascule spontanément entre le mode de refroidissement et le mode de chauffage en percevant la température (Fig. 27 supplémentaire). Une plaque de Cu nue avec un spectre électromagnétique presque invariable est utilisée comme groupe de contrôle. Comme prévu, la plaque de Cu recouverte par le dispositif bi-mode en mode chauffage est évidemment supérieure d'environ 6 K à celle nue sous le rayonnement solaire, lorsqu'il fait frais. Et lorsqu'il fait chaud, une baisse de température proche de 15 K est réalisée par le dispositif bi-mode en mode refroidissement. Même la nuit noire, l'appareil à double mode peut également conserver la chaleur en raison de la faible émission infrarouge en mode chauffage, tout en produisant efficacement un refroidissement en mode refroidissement (Fig. 28 supplémentaire). Une réduction totale de ~ 21 K de la fluctuation de température montre fortement et visuellement la capacité de contrôler la température pour le dispositif bimode.

En résumé, nous avons rapporté un dispositif de gestion thermique radiative bi-mode intelligent et à énergie nulle avec deux ensembles de caractéristiques spectrales proches des spectres idéaux pour le chauffage solaire et le refroidissement radiatif, qui est capable de basculer automatiquement vers le bon mode en fonction de la température ambiante. température. Dans le monde réel, l'appareil peut atteindre une puissance de chauffage moyenne de ~859,8 W m−2 (correspondant à une efficacité moyenne de conversion solaire-thermique de ~91 %) en froid et une puissance de refroidissement moyenne de ~126,0 W m−2 en chaud. , car il possède deux caractéristiques spectrales différentes à haute sélectivité. Grâce au commutateur automatique réversible déclenché par la température, l'appareil peut choisir intelligemment un mode approprié pour obtenir les meilleurs résultats de contrôle de la température. Cette conception d'appareil bimode maximise l'avantage à énergie nulle du chauffage solaire et du refroidissement radiatif dans la gestion thermique, qui n'a pas été rapporté dans la littérature à notre connaissance.

En tant que conception à énergie zéro, le dispositif de gestion thermique à double mode tire pleinement parti des énergies renouvelables dans la nature, de la chaleur solaire et du froid spatial, ce qui convient parfaitement aux espaces ouverts, tels que les toits des bâtiments à grande échelle. L'énergie thermique générée pourrait être utilisée comme source directe pour le contrôle de la température de l'espace en disposant un grand nombre d'appareils sur le toit, mais il s'agit d'une sélection à faible efficacité et juste capable de réguler la température là où l'espace est proche du toit. En se référant aux études rapportées, l'application de la gestion thermique radiative au contrôle initial de la température du fluide caloporteur dans les systèmes de gestion thermique active améliorera considérablement l'efficacité de l'utilisation de l'énergie thermique. En général, cette idée représente une approche systémique de la production et de l'efficacité des énergies renouvelables à l'avenir. En ce qui concerne un appareil individuel, la priorité absolue est de savoir comment améliorer encore ses performances de gestion thermique et sa résistance aux intempéries dans le scénario réel. Cependant, un tel appareil bimode à énergie nulle aurait un potentiel important et pratique pour la gestion thermique globale et les économies d'énergie, et fournirait une plate-forme renouvelable à énergie nulle pour atteindre l'objectif de Net Zero Carbon 2050.

La bande de refroidissement radiative (bande RC) a été préparée par revêtement à plusieurs lames. Tout d'abord, 0, 5 g de particules de poly-4-méthyl-1-pentène (PMP) (Mitsui Chemicals, MX002) ont été dissous dans 20 ml de solvant cyclohexane (Aladdin, AR 99, 5%) en agitant à 60 ° C. Ensuite, 1,355 g de nanoparticules de dioxyde de titane rutile (TiO2 NPs) (Shanghai Yaoyi alliage material Co. Ltd) et 0,148 g de phtalate de dioctyle (DOP) (Aladdin, AR 99,0%) ont été mélangés avec une solution de PMP en proportion par ultrasons de la pointe (500 W, 30 min) pour préparer une solution précurseur. La solution PMP-DOP-TiO2 a été appliquée à la lame sur un substrat en acier inoxydable propre pour fabriquer le film liquide uniforme entre deux entretoises de ruban transparent, qui est placé immédiatement sur une plaque chauffante à 80 ° C pour évaporer rapidement le solvant. L'épaisseur de la bande RC (75 μm) a été déterminée par le nombre répété de processus de revêtement-séchage de lame. De la colle soluble dans l'eau (Wen Ding adhesive Co. Ltd, #803) a été déposée à la lame sur le film composite tel que préparé pour former la couche adhésive. Après chauffage à 80 °C pour éliminer le solvant résiduel, la bande RC a été facilement retirée du substrat. Le film de bande RC peut être adapté à la forme souhaitée et ensuite transformé en divers produits.

Un polymère à mémoire de forme à deux voies (2 W SMP) a été synthétisé par des réactions d'estérification entre des monomères sur un catalyseur (Fig. 6 supplémentaire). Tout d'abord, le polytétrahydrofurane (PTHF, Mw moyen = 2900, Sigma-Aldrich) et la polycaprolactone (PCL, Mw moyen = 10 000/36 000, Aladdin) (ou polycaprolactone-diol (PCL-diol, Mw moyen = 2000, Aladdin)) ont été complètement dissous dans du trichlorométhane (CHCl3, AR, Tianjin Bohua Chemical Reagents Co., Ltd) en proportion par agitation à température ambiante. Ensuite, du diisocyanate d'hexaméthylène (HDI, 99%, Aladdin) et du dilaurate de dibutylétain (DBTDL, 95%, Aladdin) ont été ajoutés dans la solution en séquence, qui a été agitée constamment pendant 3,5 h à température ambiante. Le rapport molaire des trois monomères (nPTHF:nPCL:nHDI) était de 9:1:20. La quantité de catalyseur DBTDL était de 1 % du poids total des trois monomères. Au cours du processus, les monomères polymérisaient progressivement pour former un SMP 2 W. Le produit de la réaction d'estérification a été versé dans une boîte de pétri horizontale en acier inoxydable. Après volatilisation complète du solvant à température ambiante, un film SMP de 2 W existait au fond de la boîte de Pétri, qui peut être ensuite découpé en n'importe quelle forme selon les besoins.

Le SMP 2 W synthétisé par un monomère de type PCL avec un poids moléculaire de 36 000 a été choisi comme exemple. Une bande SMP 2 W telle que préparée a été étirée jusqu'à cinq fois sa longueur à 90 ° C (température de programmation) et verrouillée jusqu'à refroidissement à température ambiante (basse température). Ensuite, la bande SMP 2 W étirée a rétréci à un certain degré le long de la direction d'étirement à 55 ° C (haute température) pour terminer le traitement de programmation. Un morceau de ruban RC de même taille a été attaché à la bande SMP 2 W programmée à 55 ° C. Ce stratifié RC tape-2W SMP a été enroulé à température ambiante et déplié à 55 °C. Plusieurs stratifiés RC tape-2W SMP ont été placés côte à côte à 55 ° C et assemblés par des morceaux de ruban transparent étroit pour former un film de taille significative. Ce film a été fixé sur une plaque d'aluminium de même taille recouverte de poudres d'oxyde de nano-chrome (plaque nano-Cr black Al, KNEAR) par un morceau de ruban VHB étroit pour préparer un dispositif bimode (Fig. 3a).

La réflectance (R) du dispositif bimode dans différents modes a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre ultra-violet-visible-proche infrarouge (UV-NIR) (Agilent, Cary 5000) avec une sphère d'intégration et un infrarouge à transformée de Fourier (FT -IR) spectromètre (Perkin Elmer, Frontier Optica) avec une sphère intégrante [PIKE, MCT Mid-IR Integrated sphere]. L'absorbance/émittance (α/ε) a été calculée en utilisant 100%-R (transmissivité 0% déterminée par plaque Al). La morphologie de surface a été observée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (JEOL, JSM-7800). Les données de diffraction des rayons X ont été obtenues par un instrument de diffraction des rayons X sur poudre (Rigaku Smart Lab SE).

La figure 18 supplémentaire montre l'appareil pour estimer quantitativement la capacité de gestion thermique, y compris le chauffage solaire et le refroidissement radiatif. De haut en bas, il s'agit d'un dispositif bi-mode, une plaque de cuivre (Cu) (longueur : 40 mm, largeur : 40 mm, épaisseur : 0,2 mm), un radiateur, un dispositif Peltier et un ventilateur. Un ruban adhésif double face est appliqué pour assurer une bonne stabilité mécanique entre le dispositif bimode, la plaque Cu, le réchauffeur, le dispositif Peltier et le ventilateur. Un PET recouvert d'une feuille d'aluminium (Al) avec une ouverture carrée de 40 mm × 40 mm au centre est fixé au ventilateur pour éviter la dégradation de la capacité de dissipation thermique sous le rayonnement solaire. L'expérience en intérieur a été réalisée avec le simulateur solaire (AM 1.5). Pendant toute l'expérience, le dispositif Peltier de travail combiné au ventilateur a été utilisé comme source froide stable dans l'appareil. Sous la lumière du soleil simulée, une puissance de chauffage Joule constante a été activée et désactivée alternativement, ce qui a entraîné la commutation automatique entre le mode de refroidissement et le mode de chauffage pour un appareil bimode. Ensuite, dans l'obscurité, le radiateur connecté à un programme de proportion-intégration-différenciation (PID) contrôlait l'appareil bimode à la même température que celle sous la lumière du soleil simulée, y compris les modes de chauffage et de refroidissement. La température à l'état d'équilibre de l'appareil bimode dans l'obscurité correspondait bien à celle sous la lumière du soleil simulée, quels que soient les modes de chauffage et de refroidissement (Fig. 19a supplémentaire). La différence de puissance de chauffage Joule entre deux scènes était la puissance de chauffage solaire correspondante (flux de chaleur positif) et la puissance de refroidissement radiative (flux de chaleur négatif) sous la lumière du soleil simulée (Fig. 19b supplémentaire). La température ambiante était relativement stable pendant tout le processus expérimental. Pour estimer les performances de gestion thermique de l'appareil dans deux modes, nous avons choisi un SMP de 2 W avec une température de transition plus élevée (synthétisé par un monomère de type PCL avec un poids moléculaire de 36 000, au lieu de 10 000).

L'appareil de mesure de la puissance solaire calorifique (flux thermique positif) et de la puissance frigorifique radiative (flux thermique négatif) est le même que celui utilisé dans les scènes simulées. Pour enregistrer les données de flux de chaleur en temps réel, les deux mêmes appareils ont été mis en parallèle. Une plaque de Cu était recouverte d'un dispositif bimode, l'autre était recouverte d'une feuille d'aluminium de même taille, en tant que groupe témoin, en raison de sa forte réflexion pour le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge (Fig. 13 supplémentaire). L'élément chauffant de l'appareil pour appareil à double mode était connecté à une source de courant constant, et l'autre était connecté à un système de chauffage contrôlé par rétroaction pour toujours maintenir la température de la feuille d'aluminium à la même température que l'appareil à double mode. Étant donné que la feuille d'aluminium a une faible absorption solaire (l'absorptivité solaire moyenne pondérée d'environ 6,5 % estimée à partir du spectre simulé (Fig. 13 supplémentaire)), le flux de chaleur (Φq) doit être calibré en fonction de cette conversion solaire-thermique supplémentaire. La puissance de chauffage solaire (flux de chaleur positif) ou la puissance de refroidissement radiative (flux de chaleur négatif) est calculée par \({\varPhi }_{q}={P}_{Al}-{P}_{device}+{\alpha }_{Al}{I}_{soleil}\), où PAl est la puissance calorifique Joule par surface appliquée sur la feuille d'Al, Pdispositif est la puissance calorifique Joule par surface appliquée sur l'appareil, αAl est l'absorptivité solaire moyenne pondérée de la feuille d'Al et Isun est l'intensité du rayonnement solaire. Pour le chauffage solaire, les dispositifs Peltier et les ventilateurs associés fonctionnent dans les mêmes conditions pour maintenir une température plus basse, ce qui dote le dispositif bi-mode en mode chauffage. Pour le refroidissement radiatif, les dispositifs Peltier et les ventilateurs étaient encore en état de marche. Par le réchauffeur, une puissance de chauffage Joule constante appropriée a été appliquée sur le dispositif à double mode pour faire passer le dispositif en mode de refroidissement. Une station météorologique a été placée près de l'appareil pour enregistrer les conditions météorologiques à la position d'essai. Parce que l'expérience a été faite en été et que la température ambiante était relativement stable pendant tout le processus expérimental, nous avons choisi 2 W SMP avec une température de transition plus élevée (synthétisée par un monomère de type PCL avec un poids moléculaire de 36 000, plutôt que 10 000) pour montrer le double- performances de gestion thermique du mode.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail est soutenu par le National Key R&D Program of China (2020YFA0711500 (RM) et 2020YFA0711501 (RM)), la National Natural Science Foundation of China (51973095 (RM) et 52011540401 (RM)).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Quan Zhang, Yiwen Lv.

École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Institut national des matériaux avancés, Université de Nankai, Tongyan Road 38, Tianjin, 300350, République populaire de Chine

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

State Key Laboratory and Institute of Elemento-Organic Chemistry, Center of Nanoscale Science and Technology and Key Laboratory of Functional Polymer Materials, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin, 300071, PR China

Chenxi Li et Yongsheng Chen

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QZ, RM et YC ont conçu et conçu les expériences ; QZ a préparé la bande RC et effectué la simulation de FDTD ; QZ, YL et YW ont synthétisé 2 W SMP et préparé un film RC tape-2W SMP ; QZ, YL, YW et SY ont fabriqué le montage expérimental et effectué les mesures ; QZ, YL, YW, SY, CL, RM et YC ont analysé et interprété les données ; Le manuscrit a été principalement préparé par QZ, YL, RM et YC et tous les auteurs ont participé à la préparation du manuscrit et commenté le manuscrit. RM et YC ont supervisé les travaux.

Correspondance à Rujun Ma ou Yongsheng Chen.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie Anna Marszal-Pomianowska et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Zhang, Q., Lv, Y., Wang, Y. et al. Dispositif de gestion thermique bimode dépendant de la température avec une énergie nette nulle pour des économies d'énergie tout au long de l'année. Nat Commun 13, 4874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1

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Reçu : 08 mars 2022

Accepté : 04 août 2022

Publié: 19 août 2022

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

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