ES2888901T3 - Estructura de enfriamiento por radiación selectiva - Google Patents

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Xiaobo Yin
Gang Tan
Dongliang Zhao
Yaoguang Ma
yao Zhai
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University of Wyoming
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Abstract

Estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo la estructura una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, en la que las partículas dieléctricas tienen un tamaño medio que varía de 3 μm a 30 μm, en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 sobre el intervalo de longitud de onda de 7 μm a 14 μm, caracterizada por que el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas en la capa de emisión selectiva está comprendido entre el 1 % y el 25 %, y por que la capa de emisión selectiva es sustancialmente transparente al sol o translúcida.

Description

DESCRIPCIÓN
Estructura de enfriamiento por radiación selectiva
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS
La presente solicitud reivindica prioridad de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos n.° 62/456.540 presentada el 8 de febrero de 2017 y la solicitud de patente de Estados Unidos n.° 15/056.680 presentada el 29 de febrero de 2016.
Antecedentes de la invención
El enfriamiento por radiación se caracteriza por la liberación de calor de un objeto o superficie en forma de radiación térmica, reduciendo así la temperatura del objeto o superficie, o manteniendo su temperatura en una línea de base relativamente más baja al funcionar en estado estacionario. La radiación térmica emitida desde una superficie de temperatura distinta de cero (en Kelvin) tiene una longitud de onda continua o un espectro de frecuencia que depende de la temperatura de la superficie; la mayor parte de la radiación térmica emitida por objetos próximos a la temperatura ambiente se encuentra en la región o regiones infrarroja(s) del espectro electromagnético.
Un dispositivo de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda puede emitir radiación térmica prefeiblemente en los intervalos de longitud de onda seleccionados del espectro electromagnético. Por ejemplo, un dispositivo de enfriamiento por radiación selectiva puede emitir, de preferencia, radiación infrarroja en longitudes de onda correspondientes a una "ventana de atmósfera", también conocida como "ventana de transmisión atmosférica" o "ventana transparente atmosférica". La atmósfera de la Tierra es prácticamente no absorbente en esos intervalos de longitud de onda de "ventana", tales como 7 - 13 pm y 16 - 30 pm. Ejemplos de dispositivos de enfriamiento por radiación para la emisión de radiación infrarroja se describen las patentes de Estados Unidos n.° 2.289.809; n.° 3.043.112; n.° 3.671.286; n.° 4.586.350 y n.° 7503.971 y en las publicaciones de solicitudes de patente de Estados Unidos n.° US2010/0155043 y n.° US2015/0131023. El documento JP2015193848 A divulga una estructura de enfriamiento por radiación selectiva.
Breve sumario de la invención
En algunos aspectos, la presente divulgación se refiere a estructuras de enfriamiento por radiación selectiva basadas en polímero que incluyen una capa emisiva selectiva de longitud de onda de un polímero o un material compuesto de matriz polimérica. Estructuras de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda a modo de ejemplo presentan la forma de una lámina, película o revestimiento y se puede considerar que proporcionan una superficie de enfriamiento por radiación. Las estructuras de enfriamiento por radiación basadas en polímero pueden utilizarse durante el día o la noche. En aspectos adicionales, la divulgación se refiere a procedimientos para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación selectiva utilizando estructuras de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda basadas en polímero. Además, la divulgación se refiere a procedimientos de fabricación de estructuras de enfriamiento por radiación basadas en polímero. Las soluciones basadas en polímero para enfriamiento por radiación descritas en el presente documento pueden ser más económicas, más eficaces y/o más fáciles de producir e integrar a escalas de tamaño de aplicación que los revestimientos ópticos multicapa inorgánicos.
Según la invención, la reivindicación 1 divulga una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo la estructura una capa emisiva selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, y las partículas tienen un tamaño medio que varía de 3 pm a 30 pm, y en donde la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 14 pm, caracterizada por que el porcentaje de volumen de las partículas dieléctricas en la capa de emisión selectiva varía de 1 % a 25 % y por que la capa emisiva selectiva es sustancialmente transparente o translúcida al sol.
En algunas realizaciones, las estructuras de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda limitan la absorción de energía solar. La Figura 1 ilustra y compara el espectro solar (AM1.5) y el espectro de radiación térmica para un cuerpo negro a 15 °Ca través de las ventanas de transmisión atmosférica. Existe una gran diferencia de densidad de potencia entre los dos espectros, con una potencia de calentamiento relativamente grande procedente del espectro solar frente al potencial de autoenfriamiento por radiación térmica a través de la ventana de transmisión atmosférica. En realizaciones adicionales, las estructuras de enfriamiento por radiación selectiva maximizan la radiación infrarroja en una o más ventanas de transmisión atmosférica.
En realizaciones, las estructuras de enfriamiento por radiación selectiva descritas en el presente documento proporcionan potencias de enfriamiento por radiación superiores a 100 W/m2 durante el día, la noche, o ambos, a temperatura ambiente. También pueden seleccionarse realizaciones de modo que la potencia de enfriamiento a temperatura ambiente esté comprendida en el intervalo de 50 a 150 W/m2, de 20 a 40 W/m2, de 40 a 60 W/m2, de 60 a 80 W/m2, de 80 a 100 W/m2, de 100 a 120 W/m2, de 120 a 140 W/m2 o de 140 a 160 W/m2 durante el día, la noche, o ambos. En realizaciones, la potencia de enfriamiento se mide a una temperatura seleccionada en el intervalo de 100 °C a 500 °C. En un ejemplo, la potencia de enfriamiento se mide para una temperatura de 15 °C. En un ejemplo, el flujo de calor por radiación solar se mide con un equivalente de 890 W/m2 de luz solar directa que incide sobre la estructura de enfriamiento por radiación. Sin embargo, en realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación refleja la mayor parte de la luz solar debido a sus características selectivas de longitud de onda, lo que da como resultado un enfriamiento neto de 100 W/m2. Los elementos de las realizaciones anteriores pueden seleccionarse de forma apropiada para ajustar la potencia de enfriamiento al intervalo deseado para que se enfríen objetos de diferentes temperaturas de núcleo. La potencia de enfriamiento por radiación es mayor a temperaturas superficiales más altas. Por ejemplo, la potencia de enfriamiento puede ser superior a 200 W/m2 para una temperatura superficial de 50 °C. Algunas realizaciones pueden funcionar a temperaturas superiores a 300 °C. Las condiciones climáticas, tales como el viento, la condensación y las nubes, también pueden afectar a la potencia de enfriamiento.
En un aspecto de la presente divulgación, las estructuras de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda transmiten (o reflejan) radiación solar, emiten radiación infrarroja a través de la ventana de transmisión atmosférica y comprenden una capa de emisión selectiva. En realizaciones, la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda también transmite radiación solar y emite radiación infrarroja. Tales estructuras de enfriamiento por radiación pueden aplicarse para enfriar células solares, ventanas, tejados, techos y otros objetos, colocando la estructura de enfriamiento por radiación selectiva en comunicación térmica con el cuerpo que se va a enfriar. Las ventanas, tejados y techos pueden formar parte de sistemas de transporte, tales como vehículos, o estructuras de edificios, tales como casas e invernaderos. Las estructuras de enfriamiento por radiación también pueden aplicarse en sistemas de intercambio de calor, colocando la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda en comunicación térmica con medios de intercambio de calor tales como fluidos o un intercambiador de calor.
En algunas realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,5 a 1 en una o más ventanas de transmisión atmosférica. Como ejemplos, la emisividad media varía de 0,5 a 1 en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 14 pm, el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 13 pm, el intervalo de longitud de onda de 16 pm a 30 pm o una combinación de los mismos. En realizaciones adicionales, se aplican intervalos de longitud de onda más estrechos, tales como de 8 pm a 12 pm o de 17 pm a 25 pm. Como ejemplos adicionales, la emisividad varía de 0,6 a 1,0, de 0,7 a 1,0, de 0,8 a 1, de 0,9 a 1, de 0,95 a 1 o de más de 0,95 a 1 en el intervalo de longitud de onda seleccionado. En una realización, la emisividad media es una emisividad hemisférica promediada en el intervalo de longitud de onda de interés.
En realizaciones adicionales, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda se caracteriza por una absortividad media baja que varía de 0 a 0,2 en un intervalo de longitud de onda seleccionado del espectro solar. Como ejemplos adicionales, la absortividad varía de 0,15 a 0, de 0,1 a 0, de 0,05 a 0 o menos de 0,05 en el intervalo de longitud de onda seleccionado. La Figura 1 ilustra la irradiancia en función de la longitud de onda de la irradiancia solar AM1.5. En las realizaciones, la absortividad se promedia sobre el espectro solar con una longitud de onda que varía de 0,3 pm a 5 pm o de 0,3 pm a 3 pm.
En realizaciones, la capa de emisión selectiva comprende una capa de polímero o una capa de material compuesto de polímero que transmite radiación solar y emite radiación infrarroja. En realizaciones, la capa de polímero tiene una baja absorción solar, por ejemplo, absorción de energía solar en el intervalo de 300 nm a 5000 nm inferior al 20 %, inferior o igual al 15 %, inferior o igual al 10 % o inferior o igual al 5 % de media, siendo el límite inferior 0. En otras realizaciones, la capa puede transmitir más del 80 %, superior o igual al 85 %, superior o igual al 90 % o superior o igual al 95 % de luz solar incidente, siendo el límite superior el 100 %. En realizaciones adicionales, la capa de polímero tiene una alta absortividad infrarroja (emisividad) en el intervalo de 5 pm a 50 pm, tal como de 0,6 a 1, de 0,7 a 1, de 0,8 a 1, de 0,9 a 1, de 0,95 a 1 o de más de 0,95 a 1. En realizaciones, el polímero tiene una o más bandas de absorción en una ventana atmosférica y no muestra una absorción solar significativa de 0,3 a 3 pm. Polímeros adecuados incluyen, pero sin limitarse a, poliolefinas, polimetilmetacrilato (PMMA), polimetilpenteno (PMP, también conocido como 4-metilpenteno-1 y poli(4-metil-1-penteno)), polietileno (PE), poliestireno (PS), tereftalato de polietileno (PET), policarbonato (PC), politetrafluoroetileno (PTFE), combinaciones de los mismos y copolímeros de los mismos. El polimetilpenteno está disponible comercialmente como TPX™ (Mitsui Chemicals). El monómero básico de TPX™ es poli(4-metil-1 penteno), pero TPX™ incluye copolímeros de poli(4-metil-1 penteno) con a-olefinas tales como 1-penteno, 1-hexeno y 1-octeno (Fink, J., Handbook of Engineering and Specialty Thermoplastics, Polyolefins and Styrenics, 2010, Scrivener, págs. 109-111).
La Figura 2 muestra un diagrama esquemático de una capa emisiva 5 que es una lámina de polímero 20. En realizaciones, el espesor de la lámina de polímero o de la capa a base de polímero puede ser de 5 pm a 3 o más milímetros, de 5 pm a 1 mm, de 5 pm a 500 pm, de 5 pm a 100 pm, de 10 pm a 3 mm, de 100 pm a 750 pm, de 100 pm a 1000 pm, de 200 pm a 750 pm, de 250 pm a 500 pm o de 500 pm a 1000 pm. En realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva comprende una capa de emisión selectiva que comprende un polímero en el que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,6 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 14 pm.
En realizaciones adicionales, la capa de emisión selectiva comprende una capa de un material compuesto que comprende una matriz de polímero y una pluralidad de regiones de relleno (por ejemplo, partículas) distribuidas en la matriz. En realizaciones, el polímero transmite radiación solar y emite radiación infrarroja; polímeros a modo de ejemplo se han descrito anteriormente. En realizaciones, el polímero tiene una o más bandas de absorción en una ventana de transmisión atmosférica y no muestra una absorción significativa en el espectro solar de 0,3 a 3 pm. En algunos ejemplos, las regiones de relleno también son poliméricas, pero de un polímero diferente al de la matriz polimérica (por ejemplo, la matriz es de un primer polímero y el relleno es de un segundo polímero). En otros ejemplos, las regiones de relleno son no poliméricas, tales como un material dieléctrico no polimérico. En realizaciones adicionales, las regiones no poliméricas (rellenos) pueden adaptarse para disminuir la absorción solar, aumentar la emisión térmica o aumentar de otro modo la eficiencia del enfriamiento por radiación para la aplicación pretendida. En una realización, las regiones no poliméricas mejoran el rendimiento de enfriamiento por radiación de la lámina de polímero aumentando la emisividad infrarroja, tal como mediante los efectos de dispersión de Mie y las resonancias de absorción añadidas. En realizaciones, el material no polimérico tiene una o más bandas de absorción en una ventana atmosférica y no muestra una absorción significativa en el espectro solar de 0,3 a 3 pm. El aumento de la eficacia en estas realizaciones puede permitir que las láminas compuestas a base de polímero tengan un rendimiento superior o sean relativamente más delgadas al mismo nivel de rendimiento, en comparación con una contraparte totalmente polimérica.
En una realización, el índice de refracción de las regiones no poliméricas se corresponde o se corresponde sustancialmente con el índice de refracción del polímero en longitudes de onda visibles. Tales realizaciones incluyen aplicaciones en las que es preferible que la capa de emisión selectiva sea transparente en lugar de translúcida. Tales aplicaciones incluyen fijar la capa de emisión selectiva a una ventana (por ejemplo, de un edificio o vehículo), o a una pantalla de visualización electrónica (por ejemplo, un dispositivo móvil). Los índices de refracción sustancialmente coincidentes difieren en menos de An = 0,05, por ejemplo, u opcionalmente, en menos de An = 0,1 o menos de An = 0,01. La capa de emisión selectiva puede ser lo suficientemente transparente como para que su valor de turbidez, según se define en la norma ASTM D-1003, sea inferior o igual al quince por ciento, al diez por ciento, al cinco por ciento o al uno por ciento, por ejemplo.
En una realización, el índice de refracción de las regiones no poliméricas no se corresponde con el índice de refracción del polímero en la longitud de onda visible. Tales realizaciones incluyen aplicaciones en las que es preferible que la capa de emisión selectiva sea translúcida en lugar de transparente. Tales aplicaciones incluyen fijar la capa de emisión selectiva a una ventana de privacidad o a un panel solar.
En la capa de emisión selectiva, la región no polimérica puede ser SiO2 y la región polimérica puede ser tereftalato de polietileno (PET). A una longitud de onda en el espacio libre de 9,8 pm, los índices de refracción de SO2 y PET son 2,9 y 1,7 ± 0,1 respectivamente, de modo que el desfase del índice de refracción An es 1,2 ± 0,1. La capa de emisión selectiva puede ser lo suficientemente translúcida como para que su valor de turbidez supere el diez por ciento, el veinte por ciento o el cuarenta por ciento, por ejemplo.
En una realización, la capa emisiva comprende una capa de polímero con alguna fracción volumétrica de partículas o esferas incrustadas, tal como se ilustra esquemáticamente en la Figura 3A. La Figura 3B muestra una curva de absorción a modo de ejemplo (< 5 % de absorción media en el espectro solar) de una capa de polímero con partículas no poliméricas incrustadas de una realización de la presente invención (película de polimetilpenteno de 50 pm de espesor con 5 % en volumen de microesferas de sílice sólida de de 8 pm de diámetro). En realizaciones, las partículas dieléctricas son esféricas, elipsoidales, poliédricas, en forma de varilla, en forma de placa o de forma irregular. En las realizaciones, las partículas o esferas tienen un diámetro de 1 pm a 20 pm (o diámetro efectivo o dimensión característica si las partículas no son esféricas), de 3 pm a 30 pm, de 4 pm a 10 pm o de 20 pm a 30 pm. Como ejemplos, el diámetro o el espesor de las partículas en forma de varilla o en forma de placa se pueden utilizar como dimensión característica. En realizaciones adicionales, el tamaño promedio o medio de las partículas o esferas se encuentra dentro del intervalo especificado. En realizaciones adicionales, la capa emisiva puede comprender partículas con dos o más intervalos de tamaño distintos. En realizaciones, las partículas o esferas son de un material dieléctrico. Los materiales adecuados para las partículas o esferas incluyen, pero sin limitarse a, sílice (SO2), CaCO3, SiC, cualquier tipo de materiales similares al vidrio y combinaciones de los mismos. En algunos casos, pueden utilizarse composiciones poliméricas sin partículas dispersas. En realizaciones, la concentración volumétrica de las partículas o esferas puede ser del 1 % al 15 %, del 5 al 15 %, del 1 % al 25 %, del 2 % al 25 % o del 5 al 25 %. En realizaciones, la concentración puede ser cero (película de polímero puro). En realizaciones, la matriz polimérica del material compuesto forma el equilibrio del volumen del compuesto o varía del 80 al 100 % o del 95 al 100 % del compuesto. En una realización, el espesor de la capa de polímero es mayor que el diámetro efectivo de las partículas o esferas. En las realizaciones, el polímero o la capa a base de polímero puede tener un espesor de 10 pm a 3 o más milímetros, de 4 pm a 10 pm, de 10 pm a 1 mm, de 10 pm a 500 pm, de 10 pm a 100 pm, de 100 pm a 750 pm, de 200 pm a 1000 pm, de 200 pm a 750 pm, de 250 pm a 500 pm o de 500 pm a 1000 pm.
En una realización, la divulgación proporciona una estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda, comprendiendo la estructura
una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, en donde el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas varía del 2 % al 25 % y las partículas se caracterizan por un tamaño medio que varía de 3 pm a 30 pm
en donde el polímero, la pluralidad de partículas dieléctricas o la combinación de las mismas se caracterizan por tener una o más bandas de absorción en una ventana transparente atmosférica y por ser transparentes a la radiación solar de 0,3 a 3 |jm. A modo de ejemplo, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda se caracteriza por una absortividad solar de 0 a 0,1 y una emisividad media que varía de 0,6 a 1,0 en la ventana transparente atmosférica. En las realizaciones, el polímero se selecciona del grupo que consiste en: polímero de 4-metil-1-penteno, un copolímero de 4-metil-1-penteno, fluoruro de polivinilo, tereftalato de polietileno y TPX™. Como ejemplo adicional, las partículas son microesferas o microvarillas de sílice. En una realización, por ejemplo, las partículas dieléctricas se seleccionan del grupo que consiste en: dióxido de silicio (SO2), carbonato de calcio (CaCO3), carburo de silicio (SiC), óxido de zinc (ZnO), dióxido de titanio (TO2) y alúmina (A^Os).
En una realización, por ejemplo, se proporciona una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo la estructura: una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, en donde el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas en el capa emisiva varía del 5 % al 10 % y las partículas se caracterizan por un tamaño medio que varía de 3 jm a 30 jm; en donde la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 jm a 14 jm , en donde el polímero es tereftalato de polietileno y las partículas dieléctricas comprenden SO 2.
En una realización, la divulgación proporciona una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo la estructura
una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, en donde el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas en la capa de emisión selectiva varía del 1 % al 25 % o del 2 % al 25 % o del 1 % al 15 % y las partículas se caracterizan por un tamaño medio que varía de 1 jm a 20 jm o de 3 jm a 30 jm
en donde la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,6 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 jm a 13 jm. En realizaciones adicionales, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una absortividad media de 0 a 0,1 o de 0 a 0,2 en el intervalo de longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm. En realizaciones adicionales, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva está en forma de lámina o película. Por ejemplo, la lámina puede tener un ancho o un largo en la escala de centímetros o metros. De manera ventajosa, las láminas o películas pueden fabricarse en un procedimiento de rollo a rollo. En otras realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación se aplica a una superficie, por ejemplo, tal como una pintura o un aerosol.
En realizaciones adicionales, una o más láminas o capas de material adicionales se acoplan a la lámina de enfriamiento por radiación a base de polímero. En realizaciones, la capa o capas adicionales tienen propiedades antirreflectoras, impermeables, resistentes a la intemperie, de protección contra la luz ultravioleta, resistentes al desgaste o similares. Los materiales que pueden componerse o incluirse en estas láminas incluyen materiales o polímeros que son transparentes al sol y resistentes a la intemperie, tales como el PET, o un material dieléctrico, tal como el MgF2, y combinaciones de los mismos. En algunos ejemplos, al menos una de estas capas adicionales es absorbente de infrarrojos, mientras que en otros ejemplos al menos una de estas capas adicionales es transparente a la luz infrarroja. Las combinaciones incluyen estructuras multicapa de materiales poliméricos y dieléctricos que son transparentes a la luz infrarroja. En algunas realizaciones, el espesor de una capa que protege de la exposición a la luz ultravioleta y/o la intemperie es de 10 nm a 10 jm , de 100 nm a 10 jm , de 10 nm a 1 jm, de 100 nm a 1 jm o de 500 nm a 10 jm.
En aspectos adicionales, la presente divulgación proporciona estructuras de enfriamiento por radiación selectiva que reflejan la radiación solar y emiten radiación infrarroja y comprenden una capa de emisión selectiva. En realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda comprende, además, una capa reflectora en contacto con la capa de emisión selectiva. En otras formas de realización, la capa reflectora es reflectante de la radiación solar. Tal como se describió anteriormente, el emisor selectivo comprende un polímero y en algunos ejemplos comprende, además, partículas de relleno.
En las realizaciones, la divulgación proporciona una estructura de enfriamiento por radiación selectiva que comprende una capa de emisión selectiva y una capa reflectora solar en contacto con la capa de emisión selectiva en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una reflectividad solar que varía de 0,9 a 1. Por ejemplo, la reflectividad solar se mide en el intervalo de longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm. En las realizaciones, la capa reflectora solar comprende una película metálica o un sustrato metálico. Por ejemplo, la capa de emisión selectiva se coloca sobre un sustrato metálico reflector solar que es un elemento estructural del cuerpo que se va a enfriar. Como ejemplos, la película metálica se caracteriza por un espesor medio de 30 nanómetros a 1000 nanómetros y el sustrato metálico se caracteriza por un espesor medio de 1000 nanómetros a 10 cm. En realizaciones, la capa de emisión selectiva se caracteriza por una transmisividad solar que varía de 0,7 a 1. Tal como se describió anteriormente, la estructura selectiva de longitud de onda comprende un polímero y en algunos ejemplos comprende, además, partículas de relleno.
La Figura 4A ilustra esquemáticamente una única capa reflectora 40 en contacto con una capa de emisión selectiva 5 que incluye partículas no poliméricas 30 en una matriz de polímero 20. Por ejemplo, esta capa reflectora es metálica o de cualquier otro material reflector solar. En realizaciones, la capa reflectora metálica incluye plata, aluminio, oro o cobre. En realizaciones, la capa es de 20 nm a 300 nm o de 100 nm a 1 |jm. Estas realizaciones pueden ser particularmente adecuadas para cualquier aplicación en la que el objeto que se pretende enfriar se beneficie de una absorción reducida de la radiación solar incidente.
Otras realizaciones de la presente divulgación incluyen una o más capas adicionales de material acopladas a la capa de emisión selectiva y/o la capa reflectora. Como ejemplos, una capa antirreflectora, una capa de protección o una combinación de las mismas se acopla a un lado de la capa emisiva mientras que una capa reflectora o una combinación de una capa de barrera y una capa reflectora se acopla al otro lado de la capa emisiva. En las Figuras 4B a 4E se muestran realizaciones a modo de ejemplo. La Figura 4B ilustra una capa antirreflectora 50 en contacto con la capa de emisión selectiva 5, con una capa protectora 60 en contacto con la capa antirreflectora. Tal como se muestra en la Figura 4C, en algunas realizaciones se incluye una capa de barrera, una capa entre la capa de emisión selectiva 5 y la capa reflectora 40; la realización de La Figura 4C también incluye una capa de protección 60 en contacto con la capa de emisión selectiva 5. Los materiales adecuados para la capa de barrera incluyen, pero sin limitarse a, materiales dieléctricos o un material transparente solar. Los materiales dieléctricos adecuados incluyen, pero sin limitarse a, materiales de óxido metálico o semiconductor tales como TiO2, SO2 y AhO3. Por ejemplo, la capa de barrera es de 5 nm a 100 nm. En realizaciones, una capa de barrera protege la capa reflectora de la corrosión debida a la penetración de moléculas de gas o de agua (por ejemplo, de las capas superiores de polímero) y/o mejora la adhesión del metal. La Figura 4D muestra una realización adicional, en la que una capa de cobre o de otro material térmicamente conductor entra en contacto con la capa reflectora; la capa de material termoconductor se incluye para mejorar el acoplamiento térmico al objeto que se desea enfriar. La capa reflectora puede ser cualquier material conductor, incluyendo metales, capas apiladas de metales, dieléctricos, etc. La Figura 4E muestra una realización con una capa de protección 60 y una capa de barrera 70 en contacto con la capa de emisión selectiva 5. Una capa antirreflectora 50 está en contacto con la capa de protección 60 y una capa reflectora metálica 40 está en contacto con la capa de barrera 70.
Estas realizaciones pueden ser particularmente adecuadas para cualquier aplicación en la que el objeto que se pretende enfriar se beneficie de una menor absorción de la radiación solar incidente. En realizaciones, la(s) capa(s) adicional(es) tiene(n) propiedades antirreflectantes, impermeables, resistentes a la intemperie, de protección contra la luz ultravioleta, resistentes al desgaste o similares. Los materiales que pueden componerse o incluirse en estas láminas incluyen materiales transparentes solares y resistentes a la intemperie, tal como PET, o un material dieléctrico, tal como MgF2, y combinaciones de los mismos. Las combinaciones incluyen estructuras multicapa de polímero y materiales dieléctricos.
Estas capas pueden estar presentes además de la capa reflectora (véanse, por ejemplo, las Figuras 4B, 4C, 4D y 4E). En realizaciones con una capa reflectora, la capa o capas adicionales pueden estar en el lado opuesto de la capa de polímero de la capa reflectora. Los materiales que pueden componerse o incluirse en estas láminas incluyen cualquier material transparente solar y resistente a la intemperie, tal como PET, o un material dieléctrico, tal como MgF2, o una estructura multicapa de estos materiales poliméricos y dieléctricos.
La presente divulgación se refiere, además, a procedimientos para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva utilizando estructuras de enfriamiento por radiación selectiva basadas en polímeros. En algunas realizaciones, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva a base de polímero no incluye una capa reflectora y la capa de emisión selectiva está en comunicación térmica con el cuerpo que se va a enfriar. Como ejemplos, la capa de emisión selectiva se dispone en contacto directo con el cuerpo o puede fijarse con un adhesivo.
Según la invención, la reivindicación 13 divulga un procedimiento para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a. colocar la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de acuerdo con la reivindicación 1 en comunicación térmica con una superficie del cuerpo, en donde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva está en comunicación térmica con el cuerpo;
b. transferir el calor del cuerpo a la estructura de enfriamiento por radiación selectiva; e
c. irradiar el calor desde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva. En un ejemplo, la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una absortividad solar de 0 a 0,2 en la longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm. En algunas realizaciones, la capa de emisión selectiva comprende, además, una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero tal como se describe en el presente documento. Por ejemplo, el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas de la capa de emisión selectiva varía del 2 % al 25 % y las partículas se caracterizan por un tamaño medio que varía de 3 jm a 30 jm. Por ejemplo, el cuerpo es un panel solar, el techo o la ventana de un vehículo, el techo o la ventana de un edificio o una estructura de alamcenamiento en frío de energía, alimentos, aceite u otros productos básicos.
En realizaciones adicionales, la divulgación proporciona procedimientos para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva, comprendiendo los procedimientos las etapas de:
a. colocar una estructura de enfriamiento por radiación selectiva en comunicación térmica con una superficie del cuerpo, comprendiendo la estructura de enfriamiento por radiación selectiva una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y la capa de emisión selectiva, en donde la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una absortividad solar de 0 a 0,2 en la longitud de onda de 0,3 pm a 3 pm y una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 14 pm;
b. transferir el calor del cuerpo a la estructura de enfriamiento por radiación selectiva; e
c. irradiar el calor desde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva. En ejemplos, la capa de emisión selectiva está en comunicación térmica con el cuerpo al entrar en contacto directamente con el cuerpo o al estar fijada al cuerpo mediante una capa adhesiva. En algunas realizaciones, la capa de emisión selectiva comprende, además, una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, tal como se describe en el presente documento.
En algunas realizaciones, para enfriar una célula solar, puede emplearse un enfriador por radiación selectiva emisivo de infrarrojos y transparente solar. La lámina de enfriamiento por radiación a base de polímero se fija directamente a la parte superior de la célula solar, tal como se muestra en la Figura 5. No afecta al rendimiento de la célula solar, ya que es transparente para la incidencia solar. Sin embargo, la temperatura de la célula solar se reduce debido al efecto emisor de infrarrojos de la lámina polimérica al cielo a baja temperatura, lo que aumenta la eficiencia y la fiabilidad de las células solares. En la Figura 5, las etiquetas son las siguientes: 100 célula solar; 1 lámina de enfriamiento por radiación; 3 radiación de incidencia solar; 4 flujo de enfriamiento por radiación desde la lámina de enfriamiento por radiación emisora de infrarrojos al cielo.
En otras realizaciones, puede fijarse un enfriador por radiación selectiva emisivo de infrarrojos y transparente solar a la superficie de un panel de techo radiante. La cantidad de energía térmica que se transfiere desde la habitación a través de la radiación térmica depende de la emisividad de la superficie del panel de techo radiante. La superficie de un panel de techo radiante convencional suele tener una emisividad de 0,9-0,95. Cuando una estructura de enfriamiento por radiación selectiva que tiene una emisividad superior o igual a 0,95 se fija a una superficie de panel de techo radiante convencional (véase La Figura 6), es capaz de proporcionar una mayor eficiencia de enfriamiento por radiación entre el panel de techo radiante y la habitación. Figura 6: 150 edificio; 320 tanque de almacenamiento de frío; 1 lámina de enfriamiento por radiación fijada al techo radiante; 6 aumento de calor interno del edificio; 7 flujo por radiación desde la habitación al techo radiante; 8 transferencia de calor por convección desde el aire de la habitación al techo radiante.
La presente divulgación se refiere, además, a procedimientos para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva utilizando estructuras de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda basadas en polímeros que incluyen una capa reflectora. Como ejemplos, la capa reflectora se une al cuerpo con un adhesivo o se fija a una capa termoconductora que, a su vez, une al cuerpo.
En realizaciones adicionales, la divulgación proporciona procedimientos para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva, comprendiendo los procedimientos las etapas de:
a. colocar una estructura de enfriamiento por radiación selectiva en comunicación térmica con una superficie del cuerpo, comprendiendo la estructura de enfriamiento por radiación selectiva de longitud de onda una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una capa reflectora solar en contacto con la capa de emisión selectiva de longitud de onda, en donde la capa de emisión selectiva está en comunicación térmica con el cuerpo y la estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,6 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 13 pm;
b. transferir el calor del cuerpo a la estructura de enfriamiento por radiación selectiva; e
c. irradiar el calor desde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva. Tal como se ha descrito anteriormente, la capa reflectora solar en los ejemplos es una película metálica o un sustrato metálico. Además, en algunas realizaciones, la capa de emisión selectiva comprende también una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, tal como se describe en el presente documento. Por ejemplo, el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas de la capa de emisión selectiva varía del 2 % al 25 % y las partículas se caracterizan por un tamaño medio que varía de 3 pm a 30 pm. Por ejemplo, el cuerpo es una parte de un edificio o el techo de una estructura. Como ejemplos adicionales, el cuerpo es un dispositivo de recolección de frío, tal como un termosifón pasivo o una matriz de canales activos, y en el que un fluido caloportador circula dentro del cuerpo.
En una realización, la divulgación proporciona un procedimiento para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a. colocar una estructura de enfriamiento por radiación selectiva en comunicación térmica con una superficie del cuerpo, comprendiendo la estructura de enfriamiento por radiación selectiva una capa de emisión selectiva y una capa reflectora solar en contacto con la capa de emisión selectiva, en donde la capa de emisión selectiva comprende un polímero y la capa reflectora del espectro solar comprende una película metálica, estando la capa reflectora del espectro solar en comunicación térmica con el cuerpo y caracterizándose la estructura de enfriamiento por radiación selectiva por una absortividad solar del 0 al 15 % en una longitud de onda que varía de 0,3 |jm a 3 jm y una emisividad media que varía de 0,6 a 1,0 en una longitud de onda de 7 jm a 13 jm;
b. transferir el calor del cuerpo a la estructura de enfriamiento por radiación selectiva; e
c. irradiar el calor desde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva. Tal como se ha descrito anteriormente, la capa reflectora solar de los ejemplos es una película metálica o un sustrato metálico. Además, en algunas realizaciones, la capa de emisión selectiva comprende también una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, tal como se describe en el presente documento.
Puede utilizarse una lámina de enfriamiento por radiación a base de polímero emisor de infrarrojos y reflectora solar para proporcionar un efecto de enfriamiento pasivo para edificios (véase la Figura 7A) y vehículos (véase la Figura 7B). La lámina de enfriamiento por radiación se fija directamente a un edificio o al techo de un vehículo para el enfriamiento, con la capa reflectora en contacto con el techo del edificio o del vehículo. El efecto de enfriamiento proviene de dos aspectos: 1) una gran cantidad (por ejemplo, > 90 %) de radiación solar incidente puede ser reflejada por la capa reflectora metálica de la lámina de enfriamiento por radiación, lo que reduce en gran medida la ganancia de calor de la radiación solar; 2) la emisión radiativa infrarroja (por ejemplo, > 100 W/m2) desde la lámina de enfriamiento por radiación al cielo. Esta aplicación es particularmente adecuada para la refrigeración pasiva de edificios ligeros en regiones tropicales y subtropicales. Figura 7A: 150 edificio; 3 radiación solar incidente; 4 flujo de enfriamiento por radiación de la lámina de enfriamiento por radiación al cielo; 1 lámina de enfriamiento por radiación fijada a al techo; 6 aumento de calor interno del edificio; 9 radiación solar reflejada. Figura 7B: 180 vehículo; 1 lámina de enfriamiento por radiación fijada al techo del vehículo.
Las láminas de enfriamiento por radiación a base de polímero divulgadas en el presente documento también pueden ser utilizadas en combinación con un sistema de alamcenamiento de frío. Por ejemplo, la lámina de enfriamiento por radiación está incorporada en un dispositivo de recolección de frío (es decir, un colector de frío) en el que el frío de la lámina de enfriamiento por radiación se transfiere al fluido de transferencia de calor que cirucla por el interior del colector de frío.
Además, la presente divulgación se refiere a un sistema de recolección de frío, que no forma parte de la invención reivindicada. En algunos ejemplos, la presente divulgación proporciona un sistema de recolección de frío que comprende
a. una pluralidad de dispositivos de recolección de frío, con cada dispositivo de recolección de frío configurado para estar en comunicación térmica con un fluido refrigerante;
b. una pluralidad de estructuras de enfriamiento por radiación selectiva, estando cada estructura de enfriamiento por radiación selectiva en comunicación térmica con la superficie de uno de la pluralidad de dispositivos de recolección de frío y comprendiendo cada estructura de enfriamiento por radiación selectiva una capa de emisión selectiva que comprende un polímero, en donde la capa de emisión selectiva de cada dispositivo de enfriamiento por radiación selectiva está en comunicación térmica con uno de la pluralidad de dispositivos de recolección de frío y cada estructura de enfriamiento por radiación selectiva se caracteriza por una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 jm a 14 jm.
En un ejemplo, el sistema de recolección de frío comprende, además, un intercambiador de calor. Por ejemplo, un dispositivo de recolección de frío está configurado para estar en comunicación de fluidos con el intercambiador de calor cuando un conducto de flujo conecta el dispositivo de recolección de frío y el intercambiador de calor. Dicho conducto de flujo permite que un fluido de intercambio de calor (por ejemplo, un líquido) transfiera frío desde el dispositivo de recolección de frío al intercambiador de calor. En ejemplos, el dispositivo de recolección de frío es un termosifón pasivo o una matriz de canales de fluido activo. En las realizaciones, cada dispositivo de recolección de frío está en contacto con al menos una estructura de enfriamiento por radiación.
En algunos ejemplos, un dispositivo de recolección de frío comprende una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, tal como se describe en el presente documento, configurada para la comunicación térmica con un elemento de acoplamiento térmico que está configurado, de forma adicional, para la comunicación térmica con una pluralidad de conductos para el flujo de un fluido caloportador. La Figura 8A ilustra un conjunto de dispositivos de recolección de frío 200, mientras que la Figura 8B ilustra una sección transversal a lo largo de A-A. Tal como se ilustra en las Figuras 8A y 8B, el colector de frío 200 incluye una lámina de enfriamiento por radiación 1 revestida sobre una lámina metálica para proporcionar potencia de enfriamiento por radiación. En este ejemplo, la lámina de enfriamiento por radiación es reflectora solar y emisora de infrarrojos. La energía fría se transfiere luego desde la lámina de enfriamiento por radiación al fluido caloportador que circula a través de los tubos 240. Los tubos se fijan (por ejemplo, mediante soldadura) a la lámina metálica con un buen contacto térmico. Después de pasar por el colector de frío, el fluido caloportador se enfría. El colector de frío está aislado con material de aislamiento térmico 240 en la parte inferior y en los lados. En la parte superior del colector de frío, se usa una cubierta 230 para evitar la pérdida de energía térmica por convección al aire ambiente. Figuras 8A y 8B: 1 lámina de enfriamiento por radiación (recubierta sobre una lámina metálica en esta figura); 220 tubo; 230 cubierta; 240 material de aislamiento; 250 fluido caloportador. El dispositivo de recolección de frío que se muestra en las Figuras 8A y 8B es un dispositivo de recolección de frío activo que utiliza una bomba para hacer circular agua a través del mismo. Los dispositivos activos de recolección de frío también incluyen matrices de canales.
También se pueden utilizar dispositivos de recolección de frío pasivos. En las Figuras 8C y 8D se representa un dispositivo de recolección de frío pasivo de tipo termosifón que puede recolectar energía térmica fría automáticamente. Las Figuras 8C y 8D muestran una vista en 3D y una vista lateral del termosifón, respectivamente. Incluye un canal plano 260 que proporciona un panel (por ejemplo, de policarbonato) en el que se puede laminar la lámina de enfriamiento por radiación reflectora solar y emisora de infrarrojos, un tubo de recolección de agua 270, un tubo de retorno 280 y un almacenamiento de frío local 290 que puede almacenar temporalmente energía térmica fría. El termosifón se llena con un fluido caloportador (por ejemplo, agua). Cuando la lámina de enfriamiento por radiación está funcionando, enfría el fluido caloportador dentro del canal plano. La disminución de la temperatura del fluido hace que el fluido se desplace hacia abajo por convección natural. El fluido caloportador luego fluye hacia el tubo de recolección de agua, el tubo de retorno y, finalmente, el almacenamiento de frío local. El fluido caloportador circula dentro del termosifón debido a la lámina de enfriamiento por radiación. La energía fría se almacena en el almacenamiento de frío local de forma automática sin la ayuda de un dispositivo externo. Este es el procedimiento de carga de frío. Para el procemiento de descarga de frío, una bomba externa llevará la energía fría dentro del almacenamiento de frío local a lugares en los que la energía fría almacenada pueda ser utilizada.
Puede utilizarse un dispositivo de recolección de frío para proporcionar enfriamiento a edificios, centros de datos y cualquier otro sistema que necesite ser regulado térmicamente. En general, la ganancia de calor interno de los edificios incluye la iluminación, los equipos y la disipación de calor del cuerpo humano. La Figura 9 muestra un sistema de enfriamiento activo de un edificio con un colector de frío integrado en el techo. La energía térmica fría se recoge y almacena en un tanque de almacenamiento de frío 320 con un intercambiador de calor en el interior. El fluido de trabajo que fluye entre el colector de frío y el tanque de almacenamiento de frío es impulsado por una bomba. El agua enfriada dentro del tanque de almacenamiento de frío se hace circular a través del techo radiante mediante otra bomba. El techo radiante enfría la temperatura ambiente a través de mecanismos de radiación y convección. El sistema de refrigeración que se muestra en la Figura 9 puede funcionar de forma independiente o en combinación con un sistema de aire acondicionado convencional para reducir el consumo de energía eléctrica. Este sistema de refrigeración es adecuado tanto para edificios residenciales como comerciales. El dispositivo de recolección de frío utilizado en esta aplicación puede ser de tipo activo o pasivo. Figura 9: 150 edificio; 200 dispositivo de recolección de frío integrado en el techo que incluye una placa de enfriamiento por radiación; 4 flujo de enfriamiento por radiación desde el dispositivo de recolección de frío al cielo; 320 tanque de almacenamiento de frío; 350 bomba; 360 intercambiador de calor; 160 techo radiante; 6 aumento de calor interno del edificio; 7 flujo por radiación de la habitación al techo radiante; 8 transferencia de calor por convección del aire de la habitación al techo radiante.
También puede utilizarse un dispositivo de recolección de frío para proporcionar enfriamiento suplementario para el condensador de la central eléctrica (véase la Figura 10A). En un ejemplo, el agua de refrigeración que sale de la central eléctrica entra en un condensador enfriado por aire para enfriarse utilizando el aire ambiental. Sin embargo, el rendimiento del condensador enfriado por aire viene dictado por la temperatura ambiente de bulbo seco que está sujeta a grandes variaciones de temperatura. La eficiencia de la central eléctrica depende de la temperatura del agua de refrigeración que entra en el condensador de la central eléctrica. Una temperatura más baja del agua de refrigeración conduce a una mayor eficiencia. En estas circunstancias, si la temperatura del agua de refrigeración de salida del condensador enfriado por aire cumple con el requisito de eficiencia energética de la central eléctrica, regresa directamente al condensador de la central eléctrica a través de la derivación. Sin embargo, si no es así, el agua de refrigeración se puede enfriar aún más mediante un tanque de almacenamiento de frío que tiene una temperatura más baja que la ambiente y se enfría mediante el uso de una estructura de enfriamiento por radiación. Tal como se muestra, la transferencia de calor entre el agua de refrigeración y el tanque de almacenamiento de frío se realiza a través de un intercambiador de calor. Varios tanques de alamcenamiento de frío están conectados en paralelo y se utilizan en serie. El tanque de almacenamiento de frío tiene dos modos de funcionamiento, a saber, carga en frío y descarga en frío. Una vez que un tanque de almacenamiento de frío está completamente descargado (es decir, ya no puede utilizarse para enfriar el agua de refrigeración), cambia al modo de carga en frío. El modo de carga en frío es impulsado por una bomba que conecta un tanque de almacenamiento de frío con varios dispositivos de recolección de frío. Los múltiples colectores de frío que emiten flujo por radiación al cielo están conectados en paralelo. En un ejemplo, el dispositivo de recolección de frío utilizado es el colector de frío activo que se muestra en la Figura 8A. La bomba (es decir, 350) funciona continuamente en esta aplicación. Figura 10A: 200 dispositivo de recolección de frío; 4 flujo por radiación al cielo; 350 bomba; 320 tanque de almacenamiento de frío; 360 intercambiador de calor; 406 válvula; 407 bomba; 408 aire ambiente; 409 condensador enfriado por aire (ACC); 410 condensador de la central eléctrica; 411 fluido de trabajo de la central eléctrica procedente de la turbina; 412 derivación.
Para el sistema de enfriamiento por radiación representado en la Figura 10A, el termosifón mostrado en la Figura 8C también puede usarse como dispositivo de recolección de frío. En esta circunstancia, dado que el termosifón puede recolectar automáticamente energía térmica fría, la bomba (es decir, 350) funcionará de manera intermitente. Se necesita un programa de funcionamiento para el sistema, un ejemplo del cual se da en la Figura 10B. La Figura 10B muestra un programa de funcionamiento de 12 horas para un solo tanque de almacenamiento de frío. El tanque de almacenamiento de frío tiene un ciclo de carga y descarga y el termosifón tiene 10 ciclos de carga y descarga durante este periodo de 12 horas. El termosifón enfría el fluido caloportador dentro del almacenamiento en frío local. Una vez que el almacenamiento en frío local se enfría, la bomba (es decir, 350) se pondrá en marcha durante un breve periodo de tiempo (por ejemplo, 3-5 minutos) y transferirá esa energía fría al tanque de almacenamiento de frío. El tanque de almacenamiento de frío se enfría después de 10 procedimeintos de carga. Un tanque de almacenamiento de frío puede tener cientos de termosifones conectados al mismo.
Además, la presente divulgación se refiere a procedimientos para fabricar una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, procedimientos que no forman parte de la invención reivindicada. En otros ejemplos, la presente divulgación proporciona procedimientos para fabricar una estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo los procedimientos las etapas de:
a. extrusión de un material de alimentación que comprende polímero a través de un troquel para formar una película o lámina, en donde el polímero se caracteriza por una absortividad de 0,6 a 1 en el intervalo de 5 pm a 50 pm; y
b. enfriamiento de la película o lámina.
En un ejemplo, la porción de polímero del material de alimentación se funde a medida que pasa a través del troquel y la porción de polímero de la película o lámina se solidifica en la etapa b. En ejemplos adicionales, el material de alimentación comprende además una pluralidad de partículas dieléctricas, el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas varía de 2 % a 25 % y las partículas se caracterizan por un tamaño promedio que varía de 3 pm a 30 pm y la película o lámina es una película compuesta. En un ejemplo, las partículas se caracterizan por un diámetro medio efectivo seleccionado entre el intervalo de 3 pm a 30 pm. Polímeros y partículas a modo de ejemplo para estructuras de enfriamiento por radiación se describen en otra parte del presente documento. En ejemplos, la lámina a base de polímero de la estructura de enfriamiento por radiación puede tener un espesor de 10 pm a 3 milímetros, de 10 pm a 1 mm, de 10 pm a 500 pm, de 10 pm a 100 pm, de 100 pm a 750 pm, de 200 pm a 1000 pm, de 200 pm a 750 pm, de 250 pm a 500 pm o de 500 pm a 1000 pm.
La Figura 11 muestra un esquema de un sistema de extrusión o fundición a presión con rodillos. En este ejemplo, la alimentación de polímero 505 es suministrada a la extrusora 510 y los materiales fundidos se extruyen y moldean a través del troquel 520 en un rodillo de recogida 530. El rodillo de recogida puede enfriarse para acelerar el endurecimiento de la lámina de polímero 540. Se puede acoplar un rodillo adicional 550 al rodillo de recogida, para ayudar adicionalmente al endurecimiento de la lámina y, opcionalmente, añadir el control del espesor mediante prensado. Las películas a base de polímero 540 producidas pueden tomarse de la línea de extrusión tal cual, o envolverse en rodillos adicionales para su almacenamiento y uso posterior. De esta manera, se pueden producir láminas de 1 a 3 metros de ancho y de hasta kilómetros de longitud.
En algunos ejemplos, una vez que se ha producido una lámina de polímero, una lámina o láminas de material adicional, tal como las que se han expuesto, pueden recubrirse o depositarse con una capa adicional de material, por ejemplo, una lámina protectora o de barrera y/o una lámina reflectora. Se describen anteriormente ejemplos de capas adicionales de material útiles en dispositivos de enfriamiento por radiación. En un ejemplo, una lámina reflectora metálica se implementa mediante deposición física de vapor, tal como pulverización catódica, evaporación térmica o por haz de electrones o el procedimiento de pulverización; o procedimientos de deposición química, tales como síntesis de solución, metalización electroquímica o deposición de capa atómica. La Figura 12 muestra un dibujo esquemático de un sistema de revestimiento de banda para la deposición física de vapor, que incluye la película 540 y dos rodillos 560a y 560b. La película de polímero ser pretratada con plasma o haces de iones para aumentar la adhesión de la superficie del polímero antes de que entre en la zona de deposición, donde se pueden depositar capas de barrera, reflectoras y/o de acoplamiento térmico. Estas capas se pueden depositar mediante cualquiera de los procedimientos descritos anteriormente en la zona de deposición del dispositivo de recubrimiento de banda. El aparato de deposición se indica con 570. Las capas alternativas y opcionales, tal como se ha mencioando anteriormente, que incluyen revestimientos antirreflectores, capas de barrera, capas de acoplamiento térmico y capas de protección contra UV, pueden preparse mediante enfoques similares. En ejemplos alternativos, se puede producir primero una capa o capas reflectoras o de barrera, y se puede aplicar el polímero o la lámina a base de polímero a esta capa o capas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1: irradiancia espectral de AM1.5 en la superficie terrestre y espectro de radiación de la superficie de un cuerpo negro a 15 °C a través de la ventana de transmisión atmosférica;
Figura 2: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 de polímero 20.
Figura 3A: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 de polímero 20 que incluye partículas dispersas en la matriz polimérica 30.
La Figura 3B muestra la absortividad/emisividad en función de la longitud de onda para una película de polimetilpenteno de 50 pm de espesor con microesferas de sílice sólida al 5 % de 8 pm de diámetro.
Figura 4A: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 que incluye polímero 20 y partículas 30 en contacto con la capa reflectora metálica 40.
Figura 4B: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 que incluye polímero 20 y partículas 30; una cara de la capa emisiva está en contacto con la capa reflectora metálica 40 y la otra cara de la capa emisiva está en contacto con una capa antirreflectora 50, que a su vez está en contacto con una capa de protección 60.
Figura 4C: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 que incluye polímero 20 y partículas 30; una cara de la capa emisiva está en contacto con una capa de barrera 70, que a su vez está en contacto con una capa reflectora metálica 40 y la otra cara de la capa emisiva está en contacto con una capa de protección 60.
Figura 4D: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 que incluye polímero 20 y partículas 30; una cara de la capa emisiva está en contacto con una capa de barrera 70, que a su vez está en contacto con una capa reflectora metálica 40, que a su vez está en contacto con una capa de conducción térmica y la otra cara de la capa emisiva está en contacto con una capa antirreflectora 50, que a su vez está en contacto con una capa de protección 60. Figura 4E: ilustración esquemática de una capa emisiva 5 que incluye polímero 20 y partículas 30; una cara de la capa emisiva está en contacto con una capa de barrera 70, que a su vez está en contacto con una capa reflectora metálica 40 y la otra cara de la capa emisiva está en contacto con una capa antirreflectora 50, que a su vez es en contacto con una capa protectora 60.
Figura 5: ilustración esquemática de una lámina de enfriamiento por radiación fijada directamente a la parte superior de una célula solar.
Figura 6: ilustración esquemática de una lámina de refrigeración radiante fijada directamente a un panel de techo radiante.
Figura 7A: ilustración esquemática de una lámina de enfriamiento por radiación con capa reflectora fijada directamente al techo de una estructura construida.
Figura 7B: ilustración esquemática de una lámina de enfriamiento por radiación con capa reflectora fijada directamente al techo de un vehículo.
Figuras 8A y 8B: Figura 8A: ilustración esquemática de una estructura de enfriamiento por radiación en contacto con múltiples dispositivos de recolección de frío y Figura 8B: sección transversal de la Figura 8A a lo largo de A-A. Figuras 8C y 8D: Figura 8C: Ilustración esquemática de un termosifón que se puede utilizar en contacto con la estructura de enfriamiento por radiación para recoger el frío habilitado por la estructura de enfriamiento por radiación y Figura 8D: vista lateral del termosifón.
Figura 9: Ilustración esquemática de un sistema de enfriamiento activo para edificios donde se utilizan estructuras de enfriamiento por radiación para permitir el enfriamiento del sistema de alamcenamiento de frío.
Figura 10A: ilustración esquemática de múltiples dispositivos de recolección de frío para enfriamiento suplementario de un condensador de una central eléctrica.
Figura 10B: programa de funcionamiento a modo de ejemplo de 12 horas para permitir la recolección y almacenamiento de frío usando un termosifón pasivo para recolectar el frío conseguido utlizando una estructura de enfriamiento por radiación selectiva.
Figura 11: ilustración esquemática de un aparato para la extrusión de una película a base de polímero.
Figura 12: Ilustración esquemática de un aparato para recubrir una película con óxidos y metales.
La Figura 13A muestra la emisividad/absortividad en función de la longitud de onda para películas de polimetilpenteno desnudo (TPX™) de 50 pm de espesor y una película de 50 pm de espesor con una fracción de volumen del 5 % de microesferas de sílice sólida de 8 pm de diámetro.
La Figura 13B muestra la emisividad/absortividad en función de la longitud de onda para películas de polimetilpenteno de diferente espesor con una fracción de volumen del 5 % de microesferas de sílice sólida de 8 |jm de diámetro.
La Figura 13C muestra la absortividad/emisividad en función de la longitud de onda para una película de polimetilpenteno de 55 jm de espesor con una fracción de volumen del 5 % de microesferas de sílice sólida de 8 jm de diámetro.
Figura 14: ilustra la emisividad en función de la concentración de perlas de vidrio (fracción de volumen) para perlas de diferentes tamaños.
Figura 15: metamaterial híbrido de vidrio-polímero. (Figura 15A), esquema del metamaterial híbrido a base de polímero con inclusiones de microesferas de SiO2 distribuidas aleatoriamente para enfriamiento por radiación a gran escala. Las microesferas polarizables interactúan fuertemente con la luz infrarroja, lo que hace que el metamaterial sea extremadamente emisivo a través de toda la ventana de transmisión atmosférica, mientras que permanece transparente al espectro solar. (Figura 15B), secciones transversales normalizadas de absorción (azul), dispersión (rojo) y extinción (negro) de microesferas individuales en función del parámetro de tamaño (k0a). La extinción, la suma de la dispersión y la absorción, alcanza un máximo a un parámetro de tamaño de 2,5, que corresponde a un radio de microesferas de 4 jm. El recuadro muestra las distribuciones del campo eléctrico de dos microesferas con diámetros de 1 y 8 jm , iluminadas a una longitud de onda de 10 jm . La barra de escala es de 4 jm . La microesfera más pequeña resuena en la resonancia eléctrica dipolar mientras que los modos eléctricos y magnéticos de orden superior se excitan en la microesfera más grande. (Figura 15C), diagrama angular para la dispersión de la irradiancia de campo lejano de una microesfera de 8 jm de diámetro con iluminación de longitud de onda de 10 jm. El campo incidente está polarizado a lo largo de la dirección y y se propaga a lo largo de la dirección z.
Figura 16: resonancia de Frohlich y absorbancia infrarroja de banda ancha del metamaterial híbrido. La parte real (Figura 16A) e imaginaria (Figura 16B) del índice de refracción efectivo para los metamateriales híbridos de vidriopolímero. El metamaterial con microesferas de SiO2 de 1 jm de diámetro (curvas negras) muestra una fuerte resonancia de Frohlich en su frecuencia de fonón-polaritón de 9,7 jm, mientras que el metamaterial con microesferas de 8 jm de diámetro (curvas rojas) muestra una absorción significativamente más amplia en las longitudes de onda infrarrojas. La fuerte resonancia de Frohlich no solo limita el ancho de banda de una fuerte emisividad, sino que también introduce una fuerte reflectancia de la radiación infrarroja incidente. En ambos casos, el metamaterial contiene un 6 % de SiO2 en volumen. (Figura 16C), longitudes de atenuación de los dos metamateriales híbridos, con la caja de microesferas de SO2 de 8 jm de diámetro mostrando una longitud de atenuación promedio de ~ 50 jm desde A = 7 a 13 jm.
Figura 17: respuesta espectroscópica del metamaterial híbrido. (Figura 17A), esquema del metamaterial híbrido recubierto con una fina película de plata. La película de plata refleja de manera difusa la mayor parte de la irradiancia solar incidente, mientras que el material híbrido absorbe toda la irradiancia infrarroja incidente y es altamente emisor de infrarrojos. (Figura 17B), imagen de microscopio confocal tridimensional del metamaterial híbrido. Las microesferas son visibles debido a la autofluorescencia del SO2. (Figura 17C), densidad de potencia de la irradiancia solar espectral (AM1.5) y radiación térmica de un cuerpo negro a temperatura ambiente. Las características muy variables en ambos espectros se deben a la absorbancia de la atmósfera (moléculas de gas). El procedimiento de enfriamiento por radiación se basa en una fuerte emisión entre 8 y 13 jm, la ventana de transmisión atmosférica. (Figura 17d ), emisividad/absortividad medida (curva negra) del metamaterial híbrido de 50 jm de espesor desde 300 nm hasta 25 jm. Se emplean esferas inegradoras para la medición de espectros tanto solares (de 300 nm a 2,5 jm ) como infrarrojos (de 2,5 jm a 25 jm). Los resultados teóricos para la misma estructura de metamaterial híbrido (curvas rojas) se representan para su comparación. Se emplean dos técnicas numéricas diferentes, RCWA y procedimientos de matriz de transferencia incoherente, para los intervalos espectrales solar e infrarrojo, respectivamente.
Figura 18: rendimiento de metamaterial híbrido de fabricación escalable para un enfriamiento por radiación eficaz. (Figura 18A), foto que muestra la película delgada de metamaterial híbrido de 300 mm de ancho que fue producida de rollo a rollo, a una velocidad de 5 metros por minuto. La película tiene un espesor de 50 jm y aún no está recubierta de plata. (Figura 18B), medición continua de 72 horas de la temperatura ambiente (negro) y la temperatura superficial (rojo) de un metamaterial híbrido de 8 pulgadas de diámetro sometido a prueba térmica directa. Un calentador eléctrico controlado por retroalimentación mantiene la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura superficial del metamaterial a menos de 0,2 °C durante los tres días consecutivos. La potencia de calentamiento generada por el calentador eléctrico compensa la potencia de refrigeración radiativa del metamaterial híbrido. Cuando el metamaterial tiene la misma temperatura que el aire ambiente, la potencia de calentamiento eléctrico mide con precisión la potencia de enfriamiento por radiación del metamaterial. Las regiones sombreadas representan las horas nocturnas. (Figura 18C), medición continua de la potencia de refrigeración radiativa durante tres días muestra una potencia de refrigeración media > 110 W/m2 y una potencia de refrigeración al mediodía de 93 W/m2 entre las 11 a.m. y las 2 p.m.. La potencia media de enfriamiento nocturna es mayor que la diurna, y la potencia de enfriamiento alcanza su punto máximo después del amanecer y antes del atardecer. El error de medición de la potencia de enfriamiento por radiación está dentro de los 10 W/m2 (32).
Figura 19A. Distribución de la concentración de borde a borde de las microesferas de sílice en el metamaterial de 300 mm de ancho. La variación de la concentración es inferior al 0,4 %. El recuadro muestra una imagen óptica de la película delgada de metamaterial. Barra de escala: 40 pm. (Figura 19B), distribución de emisividad promediada de todas las muestras correspondientes a la distribución (Figura 19A).
Figura 20A. Fotografía que muestra el efecto de dispersión de la luz del metamaterial híbrido translúcido. Un rayo láser de 2 mm de diámetro con una longitud de onda de 532 nm se dispersa en gran medida cuando se transmite a través de la película. (Figura 20B), análisis de la cromaticidad del metamaterial. El color del metamaterial híbrido se centra en el espacio de color (balance de blancos) como resultado del fuerte efecto de dispersión de la luz visible por las microesferas.
Figura 21A. Esquema del aparato de medición térmica directa con un calentador eléctrico controlado por retroalimentación. La electrónica de circuito cerrado rastrea la temperatura superficial del metamaterial para que sea la misma que la del entorno ambiental, lo que minimiza las pérdidas de calor por convección y conducción. Este aparato de medición controlado por retroalimentación nos permite retirar la película protectora de HDPE y dejar que el metamaterial híbrido quede expuesto directamente al aire durante las 24 horas del día, los 7 días de la semana, con una medición precisa de la potencia de enfriamiento por radiación. (Figura 21B), foto de la configuración experimental durante el funcionamiento.
Figura 22A. La temperatura ambiente y la temperatura superficial del metamaterial híbrido se midieron durante un periodo de 18 horas el 8 de octubre de 2016 en Boulder, Colorado. La región sombreada representa las horas nocturnas. Con el calentador eléctrico controlado por retroalimentación, la temperatura superficial sigue de cerca la temperatura ambiente. El recuadro muestra la dinámica inicial cuando se enciende el lazo de control. (Figura 22B), diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente medida y la superficie del metamaterial híbrido. Los histogramas de las diferencias de temperatura diurna (Figura 22C) y nocturna (Figura 22D) muestran pequeñas desviaciones de 0,2 °C y 0,1 °C, respectivamente.
Figura 23A. Medición continua de la temperatura superficial (rojo) y la temperatura ambiente (negro) mediante control de retroalimentación electrónica. (Figura 23B), distribución de la diferencia de temperatura entre la superficie y la temperatura ambiente durante 24 horas. (Figura 23C), potencia de enfriamiento medida continuamente (muestreada a 1 segundo) y su valor medio en tiempo de ejecución (promediado en 5 min). Hay oscilaciones momentáneas, que se muestran en gris, para los datos en tiempo real debido al circuito de control de retroalimentación. (Figura 23D), distribución de la diferencia entre la potencia de enfriamiento medida instantáneamente y su valor medio en tiempo de ejecución. El error de medición es inferior a 10 vatios y la oscilación momentánea sobrestima claramente el error en la medición de la potencia en tiempo real.
Figura 24. Enfriamiento por radiación directo de una masa de agua. (Figura 24A), esquema de la configuración. (Figura 24B), temperatura ambiente (negro), temperatura superficial del tanque de agua (azul), temperatura del agua (verde) y temperatura superficial del metamaterial (rojo) en función del tiempo. A las 3:10 a.m. del 15 de septiembre de 2016, el metamaterial fue expuesto al cielo. (Figura24C), análisis transitorio de la energía fría almacenada en el agua (azul), el tanque de agua de plástico (verde), la estructura apilada, incluyendo el metamaterial, la oblea recubierta de plata y la placa de cobre (cian), y la suma de los tres (rojo). La pérdida total de calor por convección y conducción (magenta) a través de la caja de espuma de poliestireno aumentó con el aumento de las diferencias de temperatura entre el compartimento y el aire ambiente. La capacidad calorífica total es de aproximadamente 33 KJ/(m2K). La potencia total de refrigeración por radiación del metamaterial (negro) es la suma de la pérdida de calor y el frío almacenado en todos los materiales, que fue de aproximadamente 120 W/m2. El sobreimpulso en la potencia de enfriamiento por radiación medida al comienzo de la medición se debió a flujos de calor no estables entre los componentes del sistema de medición.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCION
En los dibujos, los números de referencia similares se refieren a elementos similares.
El espectro electromagnético se puede clasificar en varias regiones. Las regiones a las que se hace referencia en el presente documento son la región infrarroja (longitud de onda de aproximadamente 1 mm a 750 nm), la región visible (longitud de onda de aproximadamente 750 nm a 400 nm) y la región ultravioleta (longitud de onda de aproximadamente 400 nm a 40 nm). La región infrarroja también se ha clasificado en subregiones utilizando varios esquemas de clasificación; en el esquema de clasificación ISO, el infrarrojo medio es aproximadamente de 3 pm a 50 pm. Tal como se utiliza en el presente documento, el flujo radiante es la energía radiante por unidad de tiempo (por ejemplo, W), la irradiancia es el flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área (por ejemplo, Wm-2) y la irradiancia espectral es la irradiancia de una superficie por unidad de longitud de onda (por ejemplo, Wm-2nm-1). La radiación electromagnética emitida por la materia a una temperatura superior al cero absoluto Kelvin puede denominarse radiación térmica. El espectro solar se refiere a la distribución de la radiación electromagnética emitida por el sol, en función de las longitudes de onda electromagnéticas. La mayor parte de la energía solar se encuentra en una longitud de onda de aproximadamente 0,3 jm a aproximadamente 3 |jm, tal como puede verse en la Figura 1. La emisividad especifica lo bien que una superficie real irradia energía electromagnética en comparación con un cuerpo negro y puede oscilar entre 0 y 1. La emisividad espectral direccional es la relación entre la capacidad emisiva de la superficie real y la de un cuerpo negro. Se promedia una emisividad total con respecto a todas las longitudes de onda; se promedia una emisividad hemisférica con respecto a todas las direcciones. Tal como se utiliza en el presente documento, una capa de emisión selectiva está configurada para emitir radiación electromagnética en un intervalo de longitud de onda con una emisividad deseable entre 0 y 1 a una temperatura por encima del cero absoluto.
Tal como se utiliza en el presente documento, una capa de emisión selectiva tiene una emisividad que es selectiva en longitud de onda. Una capa de emisión selectiva está configurada para generar térmicamente emisiones electromagnéticas a temperaturas distintas del cero absoluto Kelvin y no es un cuerpo negro. Dado que la emisividad se correlaciona con la absortividad, una capa de emisión selectiva es también una capa de absorción selectiva. En realizaciones, la capa de emisión selectiva tiene alta emisividad en al menos algunas porciones de la porción infrarroja del espectro, pero tiene una emisión limitada en al menos algunas porciones del espectro solar. Dicha capa de emisión selectiva también es selectivamente absorbente, teniendo alta absorción en al menos algunas porciones de la porción infrarroja del espectro, pero absorción limitada en al menos algunas porciones del espectro solar.
Tal como se utiliza en el presente documento, el tamaño medio se refiere al promedio numérico o media aritmética del diámetro efectivo. En una realización, por ejemplo, el tamaño medio se refiere a la suma de los diámetros efectivos de todas las partículas dividida entre el número de partículas. Dado que el tamaño medio se refiere al diámetro efectivo, las partículas pueden tener varias formas, sin limitarse a partículas esféricas o similares a una esfera. Las distribuciones de partículas también pueden variar, por ejemplo, las partículas pueden tener distribuciones estrechas o amplias y pueden ser monodispersas o polidispersas.
Tal como se utiliza en el presente documento, la absortividad se define como la fracción de energía de radiación incidente sobre una superficie de un cuerpo que es absorbida por el cuerpo. La radiación incidente depende de las condiciones radiativas en la fuente de la energía incidente. En una realización, la absortividad media es una absortividad hemisférica promediada en el intervalo de longitud de onda de interés.
Tal como se utiliza en el presente documento, la transmisividad se define como la fracción de energía de radiación incidente en la superficie de un cuerpo que es transmitida por el cuerpo. Tal como se utiliza en el presente documento, el material transmisivo tiene una transmisividad en promedio mayor que cero para la radiación en el intervalo de longitud de onda especificado. y. En una realización, la transmisividad media es una transmisividad hemisférica promediada en el intervalo de longitud de onda de interés. En algunas realizaciones, un material transparente tiene una transmisividad superior a 0,9 para el intervalo de longitud de onda especificado.
Tal como se utiliza en el presente documento, la reflectividad se define como la fracción de energía de radiación incidente en un cuerpo que es reflejada por el cuerpo. La reflectividad solar se define como la fracción de energía de radiación incidente en un cuerpo que es reflejada por el cuerpo en una región específica del espectro solar (por ejemplo, de 0,3 jm a 3 jm). En una realización, la reflectividad solar se promedia sobre la región especificada del espectro. En una realización, la reflectividad media es una reflectividad hemisférica promediada en el intervalo de longitud de onda de interés.
Tal como se utiliza en el presente documento, la temperatura ambiente es aproximadamente de 20 °C a 30 °C.
Los ejemplos de la presente divulgación también se refieren a procedimientos para fabricar estructuras de enfriamiento por radiación en escalas de tamaño útiles para las aplicaciones de enfriamiento pertinentes. En algunos ejemplos de la presente divulgación, los polímeros o materiales basados en polímeros se alimentan en una extrusora, opcionalmente una extrusora industrial o fundidora, y se funden y extruyen en láminas delgadas. Como ejemplos, el polímero alimentado a la extrusora está en gránulos, en polvo o en cualquier otra forma seca. En ejemplos para producir capas emisoras compuestas, los materiales no poliméricos, por ejemplo, las partículas dieléctricas o de vidrio expuestas anteriormente, se mezclan en el polímero antes, durante o después de la fusión del polímero y antes de la extrusión. Los materiales no poliméricos se pueden mezclar de cualquier manera y se pueden mezclar para obtener una mezcla uniforme o casi uniforme del polímero y los materiales no poliméricos. Tal como se ha explicado anteriormente, tales láminas a base de polímero pueden tener un espesor de 3 jm a varios milímetros. Las láminas extruidas se pueden moldear sobre sustratos sólidos o, en una realización, formarse sobre rodillos refrigerados, formando películas delgadas independientes.
En otros ejemplos, el polímero o la lámina a base de polímero se puede fabricar mediante uno cualquiera o una combinación de una variedad de procedimientos de producción de polímeros, incluyendo, pero sin limitarse a, fundición líquida o en solución, moldeo por soplado o soplado, hilado, moldeo por compresión, procedimientos de pulverización y moldeo por inyección. Por ejemplo, el material polimérico inicial puede mezclarse con partículas no poliméricas, fundirse y la mezcla fundida puede soplarse, comprimirse o moldearse de otro modo en láminas de cualquier espesor. En otros ejemplos, el polímero puede disponerse en forma fluida o líquida de modo que el polímero se pueda aplicar directamente a una superficie, por ejemplo, mediante pintura, cepillado, recubrimiento o pulverización. En algunos ejemplos, el polímero líquido puede tener partículas dispersas por todas partes. El polímero puede requerir un procedimiento de curado tras la aplicación o puede secarse para formar la capa de polímero deseada.
Todas las patentes y publicaciones mencionadas en la memoria descriptiva son indicativas de los niveles de destreza de los expertos en la materia a la que pertenece la invención.
Las referencias citadas en el presente documento indican el estado de la técnica, en algunos casos a partir de su fecha de presentación, y se pretende que esta información se pueda emplear en el presente documento, si es necesario, para excluir (por ejemplo, para rechazar) realizaciones específicas que se encuentran en el estado de la técnica. Por ejemplo, cuando se reivindica un compuesto, debe entenderse que los compuestos conocidos en el estado de la técnica, incluyendo ciertos compuestos divulgados en las referencias del presente documento (en particular, en los documentos de patente referenciados), no están destinados a quedar incluidos en la divulgación. Cuando se describe un grupo de sustituyentes en el presente documento, se entiende que todos los miembros individuales de esos grupos y todos los subgrupos, incluyendo los isómeros y enantiómeros de los miembros del grupo, y las clases de compuestos que se pueden formar utilizando los sustituyentes se divulgan por separado. Cuando se reivindica un compuesto, debe entenderse que no se pretende los incluir compuestos conocidos en la técnica, incluyendo los compuestos divulgados en las referencias del presente documento. Cuando se utiliza un grupo de Markush u otra agrupación en el presente documento, se pretende que todos los miembros individuales del grupo y todas las combinaciones y subcombinaciones posibles del grupo se incluyan individualmente en la divulgaciión.
Todas las formulaciones o combinaciones de componentes descritas o ejemplificadas pueden utilizarse para poner en práctica la invención, a menos que se indique lo contrario. Se pretende que los nombres específicos de compuestos sirvan de ejemplos, ya que se sabe que un experto en la materia puede nombrar los mismos compuestos de forma diferente. Cuando se describe un compuesto en el presente documento de manera que no se especifica un isómero o enantiómero particular del compuesto, por ejemplo, en una fórmula o en un nombre químico, se pretende que la descripción incluya cada isómero y enantiómero del compuesto descrito individualmente o en cualquier combinación. El experto en la materia apreciará que en la práctica de la invención se pueden emplear procedimientos, elementos de dispositivos, materiales de partida y procedimientos sintéticos distintos de los específicamente ejemplificados sin recurrir a una experimentación indebida. Se pretende que todos los equivalentes funcionales conocidos en la técnica de cualquiera de dichos procedimientos, elementos de dispositivos, materiales de partida y procedimientos sintéticos queden incluidos en la presente invención. Siempre que se proporcione un intervalo en la memoria descriptiva, por ejemplo, un intervalo de temperatura, un intervalo de tiempo o un intervalo de composición, se pretende que todos los intervalos y subintervalos intermedios, así como todos los valores individuales incluidos en los intervalos dados, queden incluidos en la divulgación.
Tal como se utiliza el presente documento, "que comprende" es sinónimo de "que incluye", "que contiene" o "caracterizado por" y es inclusivo o de final abierto y no excluye elementos o etapas de procedimiento adicionales no citados. Tal como se utiliza en el presente documento, "que consiste en" excluye cualquier elemento, etapa o ingrediente no especificado en el elemento de la reivindicación. Tal como se utiliza en el presente documento, "que consiste esencialmente en" no excluye materiales o etapas que no afecten materialmente a las características básicas y novedosas de la reivindicación. Se entiende que cualquier mención en el presente documento del término "que comprende", particularmente en una descripción de componentes de una composición o en una descripción de elementos de un dispositivo, abarca aquellas composiciones y procedimientos que consisten esencialmente en y que consisten en los componentes o elementos enumerados. La invención descrita de forma ilustrativae en el presente documento se puede poner en práctica de manera adecuada en ausencia de cualquier elemento o elementos, limitación o limitaciones que no hayan sido específicamente divulgados en el presente documento.
Los términos y expresiones que se han empleado se utilizan como términos con carácter descriptivo y no limitante, y no hay intención en el uso de dichos términos y expresiones de excluir cualquier equivalente de las características mostradas y descritas o partes de las mismas, pero se reconoce que son posibles varias modificaciones dentro del alcance de la invención reivindicada. Por lo tanto, debe entenderse que aunque la presente invención se ha descrito específicamente mediante realizaciones preferidas y características opcionales, los expertos en la materia pueden recurrir a la modificación y variación de los conceptos aquí divulgados, y que tales modificaciones y variaciones se consideran dentro del alcance de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
En general, los términos y frases usados en el presente documento tienen su significado reconocido en la técnica, que se puede encontrar por referencia a textos estándar, referencias de revistas y contextos conocidos por los expertos en la materia. Las definiciones anteriores se proporcionan para aclarar su uso específico en el contexto de la invención. Aunque la descripción cotendia en el presente documento presenta muchas especificidades, estas no deben interpretarse como limitantes del alcance de la invención, sino como meras ilustraciones de algunas de las realizaciones actualmente preferidas de la invención. De este modo, por ejemplo, el alcance de la invención debe venir determinado por las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes, más que por los ejemplos dados. La invención puede entenderse mejor mediante los siguientes ejemplos no limitantes.
EJEMPLO 1: Películas de enfriamiento por radiación a base de polimetilpenteno
La Figura 13A muestra la emisividad/absortividad en función de la longitud de onda electromagnética para películas de polimetilpenteno desnudo (TPX™) de 50 pm de espesor y una película de 50 pm de espesor con microesferas de sílice sólida al 5 % de 8 pm de diámetro. El trazo de la película TPX™ es de un color gris más claro que el de la película compuesta. El polimetilpenteno tiene un índice de coincidencia con la sílice en el espectro solar, pero no en el espectro infrarrojo. La película de polimetilpenteno mezclada con microesferas de sílice da como resultado una alta emisividad a longitudes de onda IR de 7-13 pm. Sin desear estar ligado a ninguna teoría en particular, se cree que las esferas de sílice actúan como dispersores de infrarrojos e interactúan resonantemente con la radiación infrarroja, contribuyendo a mejorar la emisividad infrarroja de las películas.
La Figura 13B muestra la emisividad/absortividad en función de la longitud de onda para películas de polimetilpenteno de diferente espesor con una fracción volumétrica del 5 % de microesferas de sílice sólidas de 8 pm de diámetro. (leyenda: película de 50 pm línea continua gris más oscura, película de 80 pm línea discontinua, película de 120 pm línea continua gris más clara), La película de polimetilpenteno más gruesa con microesferas de sílice aumenta la emisividad a una longitud de onda iR de 7-13 pm sin un efecto de absorción significativo en el espectro solar.
La Figura 13C muestra la absortividad/emisividad en función de la longitud de onda para una película de polimetilpenteno de 55 pm de espesor con una fracción volumétrica del 5 % de microesferas de sílice sólida de 8 pm de diámetro. La potencia neta de refrigeración durante el día es de 113 W/m2 con una absortividad solar media de <4 % y una emisividad IR > 0,8 de media. Los porcentajes de los rellenos dados en las Figuras 13A-13C son por volumen.
La Figura 14 muestra la potencia de enfriamiento por radiación proyectada de una capa emisiva con una capa reflectora. La capa emisiva incluye una lámina de polímero con esferas dieléctricas incrustadas según diferentes proporciones de volumen de esferas incrustadas y espesores de película.
EJEMPLO 2: Metamaterial híbrido de polímero-vidrio aleatorizado de fabricación escalable para enfriamiento por radiación durante el día
El enfriamiento por radiación pasivo extrae calor de las superficies y lo irradia al espacio como radiación infrarroja a la cual la atmósfera es transparente. Sin embargo, el desajuste de la densidad de energía entre la irradiancia solar y el bajo flujo de radiación infrarroja de una superficie cercana a la temperatura ambiente requiere materiales que emitan fuertemente energía térmica y apenas absorban la luz solar. Se han incrustrado microesferas dieléctricas polares resonantes de forma aleatoria en una matriz polimérica, lo que ha dado lugar a un metamaterial que es completamente transparente al espectro solar mientras que tiene una emisividad infrarroja superior a 0,93 a través de la ventana atmosférica. Cuando se recubre con un revestimiento de plata, el metamaterial muestra una potencia de enfriamiento por radiación al mediodía de 93 W/m2 bajo la luz solar directa. De manera más importante, se ha demostrado que la fabricación de rollo a rollo, económica y de alto rendimiento del metamaterial, es vital para promover el enfriamiento por radiación como una tecnología energética viable.
El enfriamiento por radiación -deposición de la radiación del cuerpo negro de un objeto caliente a través de la ventana de transparencia infrarroja de la atmósfera para el disipador de frío del espacio exterior- es un concepto atractivo para el siglo XXI, donde la mayoría de las necesidades diarias, desde la generación de energía hasta los centros de datos, generan un exceso de calor. En contraste con la mayoría de los procedimientos de enfriamiento empleados actualmente que requieren energía y recursos para eliminar el calor, el enfriamiento por radiación es una mejora pasiva del procedimiento natural de enfriamiento de la tierra. En el pasado, se han investigado exhaustivametne los sistemas eficientes de enfriamiento por radiación durante la noche, con una prometedora emisividad infrarroja en materiales orgánicos e inorgánicos, incluyendo las pinturas pigmentadas (1-5). El enfriamiento por radiación durante el día, sin embargo, presenta un desafío diferente porque la absorbancia solar de solo un pequeño porcentaje excede la potencia de enfriamiento y calienta eficazmente la superficie. Los dispositivos nanofotónicos propuestos pueden rechazar eficazmente la irradiancia solar pero emiten fuertemente en infrarrojos (6-7), lo que promete un enfriamiento por radiación durante el día. Sin embargo, el enfoque nanofotónico requiere una fabricación rigurosa con precisión nanométrica, que es difícil de escalar de manera rentable para cumplir con los requisitos de grandes áreas de las aplicaciones residenciales y comerciales que pueden beneficiarse más del enfriamiento por radiación.
La fotónica polimérica es un campo cada vez más atractivo por su economía y escalabilidad (8-11). La hibridación de metamateriales ópticos aleatorios con fotónica polimérica puede ser un enfoque prometedor para el enfriamiento por radiación diurna eficiente. Hasta la fecha, el aprovechamiento de la aleatoriedad en los sistemas fotónicos ha producido una emisión espontánea amplificada (12,13) a puntos calientes electromagnéticos extremadamente localizados (14-16), a la mejora de la eficiencia de recolección de luz de las células fotovoltaicas (17,18) y la permeabilidad negativa y dispositivos de conmutación con multiestabilidad (19,20). Cuando los resonadores electromagnéticos en un metamaterial aleatorio se excitan colectivamente, tanto la extinción como la longitud del camino óptico en el material se potencian, dando lugar a una absorción casi perfecta en la resonancia (21, 22). Esto conlleva el gran potencial de utilizar metamateriales con resonadores ópticos distribuidos aleatoriamente para un enfriamiento por radiación eficaz si se puede lograr una absorción perfecta (emisividad) en toda la ventana de transmisión atmosférica.
En el presente documento se proporcionan procedimientos y dispositivos eficientes de enfriamiento por radiación diurna y nocturna con un metamaterial híbrido de vidrio-polímero aleatorizado. En una realización, el metamaterial consiste en un polímero visiblemente transparente que encapsula microesferas de dióxido de silicio (SO2) distribuidas aleatoriamente. La respuesta espectroscópica abarca dos órdenes de magnitud en longitud de onda (de 0,3 a 25 pm). El metamaterial híbrido es extremadamente emisivo en toda la ventana de transmisión atmosférica (8-13 pm) debido a las resonancias de Frohlich de las microesferas mejoradas con fonones. Una película de metamaterial de 50 pm de espesor que contiene un 6 % de microesferas en volumen tiene una emisividad infrarroja promedio > 0,93 y refleja aproximadamente el 96 % de la irradiancia solar cuando se cubre con una capa de plata de 200 nm de espesor. Se demuestra experimentalmente una potencia media de enfriamiento por radiación a mediodía (11 a.m. - 2 p.m.) de 93 W/m2 bajo luz solar directa durante una prueba de campo de tres días, y una potencia de enfriamiento media >110 W/m2 durante la prueba continua de 72 horas de día y de noche. El metamaterial se fabricó en láminas de 300 mm de ancho a una velocidad de 5 m/min, de modo que en el transcurso del experimento se produjeron cientos de metros cuadrados del material.
La estructura del metamaterial híbrido de vidrio-polímero aleatorizado descrito en este ejemplo contiene esferas de SiO2 de tamaño micrométrico distribuidas de forma aleatoria en el material de matriz de polimetilpenteno (TPX) (Figura 15A). Se utilizó TPX debido a su excelente transmitancia solar. Se pueden utilizar otros polímeros visiblemente transparentes como el poli(metilmetacrilato) y el polietileno. Debido a que tanto el material de la matriz polimérica como las microesferas de SiO2 encapsuladas no tienen pérdidas en el espectro solar, la absorción está casi ausente y la irradiancia solar directa no calienta el metamaterial.
En longitudes de onda infrarrojas, las microesferas de SO 2 encapsuladas tienen propiedades ópticas drásticamente diferentes a las del material de la matriz circundante debido a la existencia de fuertes resonancias fonón-polaritón a 9,7 pm (23). Se calculas las secciones transversales normalizadas de absorbancia (Oabs/a2), dispersión (Osca/a2) y extinción (Oext/a2) de una microesfera individual encapsulada en TPX en función de su parámetro de tamaño, küa, para una longitud de onda incidente de 10 pm (Figura 15B). Aquí, kü es el vector de onda en el espacio libre y a es el radio de la microesfera. La extinción alcanza su punto máximo en un parámetro de tamaño de ~ 2,5, correspondiente a un radio de microesferas de ~ 4 pm. El parámetro de tamaño de la microesfera desempeña un papel clave en el diseño del metamaterial híbrido para enfriamiento por radiación. En el límite de las partículas pequeñas (cuasiestáticas), la resonancia es de carácter puramente eléctrico-dipolar (recuadro de la Figura 15B). En el pico de extinción, las resonancias de Frohlich de alto orden, incluyendo los modos eléctrico y magnético, también están fuertemente excitadas, lo que se evidencia por la fuerte dispersión hacia adelante que se muestra en la Figura 15C, la función de dispersión de potencia tridimensional (patrón de dispersión de campo lejano) (24).
El ancho de línea intrínsecamente estrecho de los fotones-polaritones, a menudo una ventaja superior en aplicaciones tales como la detección infrarroja (25, 26), puede limitar aquí el ancho de banda de la región infrarroja altamente emisiva. Se obtuvo emisividad de banda ancha en toda la ventana atmosférica accediendo a las resonancias de Frohlich de alto orden de las microesferas dieléctricas polares (27). Las partes real e imaginaria del índice de
refracción efectivo extraído,
Figure imgf000017_0001
’ son funciones de la longitud de onda y del tamaño de las microesferas, tal como se ilustra en la Figura 16, para microesferas de 1 y 8 pm de diámetro. Dada la baja concentración (6 % en volumen) y asumiendo que las microesferas son uniformes en tamaño y distribución, se recuperan la permitividad y permeabilidad efectivas del metamaterial híbrido de £e// = £p ■ [1 iv(S0 + S1)], y pe// = 1 iv(S0 - S1), respectivamente (28), donde S0 y S1 son los coeficientes de dispersión hacia adelante y hacia atrás de una microesfera individual en el medio de encapsulación, y el factor y incorpora la fracción de volumen, f, y el parámetro
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de tamaño, 2 eo a En e| caso ¿e m¡Croesferas grandes, la interferencia modal entre modos de orden superior hace que el metamaterial híbrido absorba fuertemente el infrarrojo. Es importante destacar que se vuelve casi sin dispersión en el infrarrojo. La dispersión de la parte real e imaginaria del índice de refracción efectivo es inferior a 9 x 10-5/nm en todo el intervalo de longitud de onda infrarroja (Figura 16), en marcado contraste con la fuerte dispersión del bloque SO2 dieléctrico polar que es ~ 5x10-3/nm en este mismo intervalo. La baja dispersión proporciona una excelente adaptación de la impedancia de banda ancha del metamaterial al espacio libre, lo que da como resultado una reflectancia extremadamente baja para la radiación solar e infrarroja. Un metamaterial híbrido tan delgado de hasta 50 pm puede proporcionar una absorbancia uniforme y suficientemente fuerte en toda la ventana atmosférica, lo que da como resultado una emisión infrarroja de banda ancha perfecta para enfriamiento por radiación (Figura 16C). Por el contrario, cuando las microesferas son pequeñas (fea << 1), se produce una resonancia aguda (Figura 16B), que limita la alta emisividad infrarroja a la longitud de onda de resonancia del polaritón únicamente. Además, la resonancia introduce una fuerte reflectancia, lo que reduce aún más la emisividad general.
El metamaterial híbrido refleja fuertemente la irradiación solar cuando está recubierto con una película delgada de plata de 200 nm de espesor (Figura 17A) preparada por evaporación de haz de electrones. Se caracteriza el rendimiento espectroscópico de la película delgada de metamaterial tanto en la región solar (0,3 jm a 2,5 |jm) como en la infrrarroja (de 2,5 jm a 25 jm ) utilizando un espectrofotómetro UV-VIS-NIR y un espectrómetro infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), respectivamente (Figura 17C y Figura 17D). Se utilizan esferas integradoras para tener en cuenta la luz dispersa del ángulo sólido completo en ambas regiones espectrales. La absortividad espectral medida (emisividad) de la muestra (Figura 17D) indica que la película de 50 jm de espesor refleja ~ 96 % de radiación solar mientras posee una emisividad casi saturada > 0,93 entre 8 y 13 jm, lo que proporciona una potencia de enfriamiento por radiación superior a 100 W/m2 bajo la luz solar directa a temperatura ambiente. Los resultados experimentales concuerdan bien con la teoría, donde las discrepancias espectroscópicas cercanas a las longitudes de onda de 3 y 16 jm se deben principalmente a la absorbancia del agua y el aire durante la medición FTIR en condiciones ambientales. Se deben emplear diferentes enfoques teóricos para calcular la emisividad en los intervalos de longitud de onda solar e infrarroja. Se utiliza el procedimiento de matriz de transferencia incoherente y generalizado en la región infrarroja (29). En la región solar, en cambio, se utiliza un análisis riguroso de ondas acopladas (RCWA) porque los parámetros efectivos extraídos del metamaterial son inexactos cuando el tamaño de la microesfera es mayor que las longitudes de onda relevantes (30). Se constata que la alta emisividad en la segunda ventana atmosférica entre 16 y 25 jm podría aprovecharse para un enfriamiento por radiación adicional (31).
El uso de un polímero como material de matriz para el enfriamiento por radiación tiene las ventajas de ser ligero y fácil de laminar sobre superficies curvas. Puede adaptarse a pequeñas variaciones en el tamaño y la forma de las microesferas con un impacto insignificante en el rendimiento general. La película TPX tiene una excelente resistencia mecánica y química, lo que ofrece una vida útil potencialmente prolongada para su uso en exteriores. Sin embargo, una de las ventajas más convincentes de desarrollar un metamaterial híbrido de vidrio-polímero radica en la posibilidad de una fabricación escalable rentable. Puede producirse un rollo de película de metamaterial híbrido de 300 mm de ancho y 50 jm de espesor a una velocidad de 5 m/min (Figura 18A). El control de la concentración de volumen de las microesferas de SiO2 se puede lograr utilizando alimentadores gravimétricos. La película resultante tiene una distribución homogénea de microesferas, con fluctuaciones en la concentración de menos del 0,4 % (32) (Figura 19). Las películas de metamateriales híbridos son translúcidas debido a la dispersión de la luz visible de las inclusiones de microesferas (Figura 20). Además, cuando está recubierto con una capa de plata reflectora de 200 nm de espesor, el metamaterial híbrido tiene un color blanco equilibrado (32) (Figura 20). La respuesta óptica fuertemente dispersa y no especular del metamaterial evitará el deslumbramiento reflejado, que puede tener efectos visuales perjudiciales para los humanos e interferir con las operaciones de las aeronaves (33).
El enfriamiento por radiación continuo en tiempo real se demuestra mediante la realización de mediciones térmicas utilizando una película de metamaterial híbrido fabricada a escala de 20,32 cm (8 pulgadas) de diámetro durante una serie de días claros de otoño en Cave Creek, Arizona (33°49'32"N, 112°1'44"W, 585 m de altitud) (Figura 18B, 18C). El metamaterial se colocó en un recipiente de espuma que evita la pérdida de calor desde abajo. La superficie superior del metamaterial estaba orientada hacia el cielo y directamente expuesta al aire (32) (Figura 21). La temperatura superficial del metamaterial se mantuvo igual que la temperatura ambiente medida utilizando un calentador eléctrico controlado por retroalimentación dispuesto en contacto térmico con el metamaterial para minimizar los impactos de las pérdidas de calor por conducción y convección. La potencia total de enfriamiento por radiación es, por tanto, la misma que la potencia de calentamiento generada por el calentador eléctrico si no hay diferencia de temperatura entre la superficie y el aire ambiente. Con el control de retroalimentación, la temperatura superficial sigue la temperatura ambiente medida con una precisión de ± 0,2 °C durante el día y menos de ± 0,1 °C durante la noche (32) (Figura 22). La medición continua de la potencia de enfriamiento por radiación proporciona una potencia de enfriamiento radiativa media > 110 W/m2 durante una medición continua de 72 horas durante el día/la noche (Figura 18C). La potencia de enfriamiento media alrededor del mediodía alcanza los 93 W/m2 con una irradiancia solar de incidencia normal superior a 900 W/m2. Se observa un enfriamiento medio por radiación durante la noche más alto que durante el día. Sin embargo, la potencia de enfriamiento alcanza su punto máximo después del amanecer y antes del atardecer cuando la temperatura ambiente cambia rápidamente y la irradiancia solar incide en grandes ángulos oblicuos. Para demostrar aún más la efectividad del enfriamiento por radiación, también se utilizo agua como medio de alamcenamiento de frío y se mostró la producción de agua fría con el metamaterial híbrido fabricado a escala (32) (Figura 24). La aplicación de aditivos químicos y recubrimientos de barrera de alta calidad puede mejorar su rendimiento en exteriores, incluyendo su vida útil y fiabilidad. Actualmente se encuentran disponibles muchas películas delgadas poliméricas y están diseñadas con una vida útil prolongada en exteriores (34).
Texto complementario
Distribución de microesferas en la matriz polimérica
Se cuantificó la uniformidad de la distribución de microesferas de sílice en la matriz polimérica y se demostró que la uniformidad de borde a borde se logró para las películas delgadas de metamaterial de 300 mm de ancho. Tal como se muestra en la Figura 19A, la variación de concentración es inferior al 0,4 % y la correspondiente variación de emisividad es incluso menor (Figura 19B).
Difusividad óptica del metamaterial híbrido
Un atributo beneficioso inherente del metamaterial híbrido de vidrio-polímero es la difusividad óptica. Esta característica óptica se mostró haciendo brillar un simple lápiz láser a una longitud de onda de 532 nm a través de la película aproximadamente a 1 m de distancia de una pared. La dispersión del haz de 2 mm dentro de la muestra de 50 |jm da como resultado un diámetro de 80 cm en la pared (Figura 20A). Además, se analizó la apariencia visible de la muestra cuando estaba recubierta con una película de plata mediante análisis de cromaticidad y se descubrió que era un color blanco puro y equilibrado (Figura 20B).
Medición térmica directa de la potencia de enfriamiento por radiación con calentador eléctrico controlado por retroalimentación
Las grandes diferencias de temperatura observadas entre el metamaterial y el aire ambiente pueden inducir graves pérdidas de calor por convección y conducción en un ambiente abierto, particularmente durante el día cuando la fluctuación de la temperatura ambiente es grande. Dada la complejidad del intercambio de calor con condiciones de límite variables y parámetros ambientales estocásticos, tales como la convección forzada por el viento, se implementó un sistema controlado por retroalimentación para mantener la temperatura superficial del metamaterial igual que la temperatura ambiente y evaluar con precisión la verdadera potencia de enfriamiento por radiación. Por tanto, se suprimió sustancialmente la incertidumbre de medición debida al intercambio de calor por convección y conducción entre el aire ambiente y el metamaterial. Esto permitó reitrar la película de protección de HDPE superior y realizar una medición térmica directa con el metamaterial híbrido completamente expuesto al aire (véase el aparato, Figura 21), una configuración preferida para las aplicaciones prácticas.
Tal como se muestra en la Figura 22A, la temperatura superficial del metamaterial sigue estrechamente la temperatura del aire ambiente durante las horas del día y de la noche. El recuadro muestra el comportamiento dinámico cuando se encendió el circuito de retroalimentación. La constante de tiempo integral es de aproximadamente 5 min, y la diferencia de temperatura entre el ambiente y la superficie del metamaterial se puede llevar y mantener por debajo de 0,2 °C en 30 min. La diferencia de temperatura entre el ambiente y la superficie del metamaterial durante el mismo periodo de 18 horas se muestra en la Figura 22B. La diferencia de temperatura máxima fue inferior a ± 1 °C durante todo el transcurso del experimento. Los saltos ocasionales repentinos de temperatura se debieron principalmente a ráfagas de viento, a partir de las cuales el sistema de retroalimentación tardó aproximadamente 30 minutos en restablecer el seguimiento. Los histogramas de la diferencia de temperatura entre el ambiente y la superficie del metamaterial se muestran en la Figura 22C y D para el día y la noche, respectivamente. Teniendo en cuenta la convección natural de ~ 5 W/(m2 K) y la conducción en la interfaz aire-metamaterial bajo una diferencia de temperatura tan pequeña, la potencia de calentamiento eléctrica aplicada a través de la electrónica de retroalimentación mide con precisión la potencia de enfriamiento por radiación en tiempo real.
Con el aparato de medición térmica directa controlado por retroalimentación, se midió la potencia de enfriamiento por radiación del metamaterial híbrido durante una serie de días claros de otoño en Cave Creek, Arizona (33°49'32"N, 112°1'44"W, 585 m de altitud). En la Figura 18 se presenta una medición consecutiva de tres días. Se demosotró una potencia de enfriamiento media de 72 horas > 110 W/m2 y una potencia de enfriamiento media de 93 W/m2 al mediodía (11 a.m. - 2 p.m.).
El error de medición de la potencia de enfriamiento por radiación es inferior a 10 W/m2 según lo definido por el ancho del histograma que refleja la medición continua de 24 horas y, de hecho, se sobreestima debido a la naturaleza del sistema de medición controlado por retroalimentación. Tal como se muestra en la Figura 23A y la Figura 23B, el sistema controlado por retroalimentación hace que la temperatura superficial del metamaterial rastree la temperatura ambiente. El desajuste entre las dos temperaturas es mucho menor de 1 °C durante el periodo de 24 horas. En la Figura 23C, se muestra la potencia instantánea y la potencia promediada en el tiempo, y el histograma de la diferencia se muestra en la Figura 23d . Las oscilaciones momentáneas en el circuito de control de retroalimentación hacen que el error de medición de la potencia de enfriamiento parezca incorrectamente grande. Por esta razón, se caracterizó el metamaterial híbrido usando su valor medio de tiempo de ejecución para la potencia de enfriamiento.
Refrigeración directa de agua
También se demostró la eficacia del enfriamiento por radiación para una masa térmica relativamente grande utilizando agua como medio de alamcenamiento de frío. La configuración experimental se describe en la Figura 24A. Se colocó un tanque de agua de plástico debajo del metamaterial híbrido de vidrio-polímero de enfriamiento por radiación, poniendo el agua en estrecho contacto con la placa de cobre conductora de calor. Dado que el agua es estacionaria en el experimento, su gran capacidad calorífica ralentiza sustancialmente el procedimiento de enfriamiento. Por lo tanto, se utilizo una película de HDPE de 10 jm de espesor en la parte superior de la caja de espuma de poliestireno en esta configuración para reducir la pérdida de calor por convección y mejorar el aislamiento térmico. La Figura 24B muestra la temperatura ambiente (Taire), la temperatura superficial del tanque de agua (Ttanque), la temperatura del agua (Tagua) y la temperatura superficial del metamaterial (Tsuperficie) en función del tiempo después de exponer el metamaterial híbrido a un cielo despejado a las 3:10 a.m. La temperatura del agua descendió continuamente, alcanzando más de 8 °C por debajo de la temperatura ambiente después de dos horas de exposición.
Basándose en el cambio de temperatura, se calculó la cantidad de calor almacenado en cada material involucrado en el experimento, incluyendo el agua, el tanque de agua de plástico y la pila de materiales, incluyendo el metamaterial híbrido, la oblea de silicio recubierta de plata y la placa de cobre, tal como se muestra en la Figura 24C, en función del tiempo. La Figura 24C también muestra la pérdida de calor de la caja de espuma de poliestireno y la potencia total de enfriamiento por radiación, que es la suma de la pérdida de calor y el calor total almacenado en todos los materiales. Los resultados demostraron, una vez más, una potencia de enfriamiento por radiación de más de 100 W/m2 durante la noche y, lo que es más importante, la eficacia del enfriamiento por radiación mediante un metamaterial híbrido de vidrio-polímero de bajo coste y de fabricación escalable para la producción de agua fría, que podría tener aplicaciones en el enfriamiento de edificios, centros de datos e incluso centrales termoeléctricas.
Referencias
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Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva, comprendiendo la estructura
una capa de emisión selectiva que comprende un polímero y una pluralidad de partículas dieléctricas dispersas en el polímero, en la que las partículas dieléctricas tienen un tamaño medio que varía de 3 jm a 30 |jm, en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una emisividad media que varía de 0,5 a 1,0 sobre el intervalo de longitud de onda de 7 jm a 14 jm,
caracterizada por que el porcentaje en volumen de las partículas dieléctricas en la capa de emisión selectiva está comprendido entre el 1 % y el 25 %, y por que la capa de emisión selectiva es sustancialmente transparente al sol o translúcida.
2. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que la estructura presenta forma de lámina.
3. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva proporciona un flujo de calor por radiación de 50 W/m2 a 150 W/m2 a una temperatura de trabajo en el intervalo de -100 °C a 500 °C.
4. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que las partículas dieléctricas tienen un tamaño medio que varía de 3 jm a 15 jm.
5. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que las partículas dieléctricas se seleccionan del grupo que consiste en dióxido de silicio (SO2), carbonato de calcio (CaCO3), carburo de silicio (SiC), óxido de zinc (ZnO), dióxido de titanio (TO2) y alúmina (A^Oa).
6. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que el polímero se selecciona del grupo que consiste en un polímero de 4-metil-1-penteno, un copolímero de 4-metil-1-penteno, fluoruro de polivinilo, tereftalato de polietileno y TPX™.
7. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que la capa de emisión selectiva tiene un espesor medio de 10 jm a 3 mm.
8. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva comprende, además, una película protectora que es transparente al sol y resistente a la intemperie.
9. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una absortividad solar de 0 a 0,2 en un intervalo de longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm.
10. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, que comprende, además, una capa reflectora solar en contacto con la capa de emisión selectiva, capa reflectora solar que comprende una película metálica o un sustrato metálico, en la que la capa de emisión selectiva tiene una emisividad que varía de 0,5 a 1,0 en el intervalo de longitud de onda de 7 jm a 14 jm y la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una reflectividad solar que varía de 0,8 a 1 en el intervalo de longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm.
11. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 10, en la que la película metálica tiene un espesor medio de 20 nanómetros a 1000 nanómetros.
12. Estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1, en la que las partículas dieléctricas tienen un diámetro medio efectivo seleccionado en el intervalo de 3 jm a 30 jm.
13. Procedimiento para eliminar el calor de un cuerpo mediante radiación térmica selectiva, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
a. colocar la estructura de enfriamiento por radiación selectiva según la reivindicación 1 en comunicación térmica con una superficie del cuerpo, en donde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva está en comunicación térmica con el cuerpo;
b. transferir el calor del cuerpo a la estructura de enfriamiento por radiación selectiva; e
c. irradiar el calor desde la capa de emisión selectiva de la estructura de enfriamiento por radiación selectiva.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva tiene una absortividad solar de 0 a 0,20 en la longitud de onda de 0,3 jm a 3 jm.
15. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que el porcentaje en volumen de partículas dieléctricas en la capa de emisión selectiva varía de 2 % a 25 %.
16. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que el cuerpo es un panel solar, el techo o la ventana de un vehículo, el techo o la ventana de un edificio o una estructura de almacenamiento en frío de energía, alimentos, aceite u otros productos básicos.
17. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que la estructura de enfriamiento por radiación selectiva comprende, además, una capa reflectora solar que incluye una película o sustrato metálico y tiene una absortividad solar de 0 a 0,2 en la longitud de onda de 0,3 pm a 3 pm.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que el cuerpo es una parte de un edificio o el techo de una estructura.
19. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que el cuerpo es un termosifón pasivo o una matriz de canales activos y en el que un fluido caloportador circula dentro del cuerpo.
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