ES2984015T3

ES2984015T3 - Métodos de fabricación, estructuras y usos para enfriamiento radiativo pasivo

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Publication number: ES2984015T3
Application number: ES19789182T
Authority: ES
Inventors: Romy M Fain
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2024-10-28
Anticipated expiration: 2039-04-16
Also published as: US20230003466A1; EP4376102A3; ZA202006617B; JP7757348B2; WO2019204331A1; KR20220132675A; CN116772646A; IL277882B1; EP3781891C0; JP7516253B2; CA3256383A1; JP2023138941A; KR20230145208A; IL277882B2; KR20200143705A; CA3095743A1; US11473855B2; EP4376102A2; EP3781891A1; CN111989532A

Abstract

Las estructuras de enfriamiento radiativo pasivo y los aparatos fabricados con dichas estructuras de enfriamiento conservan las necesidades energéticas. Una película flexible transparente a la luz visible incorpora partículas en un porcentaje de volumen mayor del 25% para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda en las que la atmósfera de la Tierra es transparente. Otra película transparente a la luz visible es delgada y flexible y está configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda en las que la atmósfera de la Tierra es transparente, en la que hay grabados o deposiciones presentes en una o ambas superficies. Una estructura de enfriamiento de alta eficiencia tiene una capa emisora intercalada entre una capa de guía de ondas y una capa conductora térmica. Un panel de células solares está cubierto por una película de enfriamiento radiativo pasivo transparente. Un contenedor que alberga una unidad de enfriamiento activa incorpora estructuras de enfriamiento radiativo pasivo en una o más superficies exteriores. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Métodos de fabricación, estructuras y usos para enfriamiento radiativo pasivo

Campo técnico

La presente invención se refiere a estructuras, usos y métodos basados en enfriamiento radiativo pasivo. Tal como se usa en el presente documento, el enfriamiento radiativo pasivo se logra usando dispositivos que emiten longitudes de onda correspondientes a las ventanas de transparencia en la atmósfera de la Tierra o en otros entornos/recintos circundantes. Por ejemplo, el enfriamiento radiativo pasivo puede lograrse al aire libre usando materiales que emitan en longitudes de onda infrarrojas (IR) en el intervalo de 7 pm a 13 pm.

Técnica antecedente

En el fenómeno conocido como "efecto invernadero", la atmósfera atrapa el calor en forma de radiación electromagnética. Sin embargo, no se atrapan por igual todas las longitudes de onda radiadas. Por ejemplo, existe lo que se denomina "ventana atmosférica" a las longitudes de onda de radiación IR de entre aproximadamente 7 pm a 13 pm, a las que la radiación emitida desde la superficie de la Tierra abandona la atmósfera. Desde un punto de vista termodinámico, una consecuencia de estas "ventanas atmosféricas" es que la radiación térmica emitida en estas longitudes de onda desde un objeto en la superficie de la Tierra se transferirá al sumidero frío del espacio. De esta manera, puede usarse el enfriamiento por emisión pasiva para reducir la temperatura de un objeto, incluso en la superficie del planeta, al igual que puede usarse el enfriamiento por evaporación para reducir la temperatura en un clima seco.

El enfriamiento radiativo se ha demostrado en condiciones tanto nocturnas como diurnas. El documento de Raman et al., "Passive radiativecooling below ambient air temperature under direct Sunlight", Nature, vol. 515, 27 de noviembre de 2014, págs. 540-544, describe un acercamiento fotónico térmico utilizando siete capas de HfO<2>y SiO<2>que reflejan la luz incidente al tiempo que emiten en la ventana atmosférica. Con este acercamiento, demostraron un enfriamiento de más de 5 grados centígrados en un techo situado bajo luz solar directa. Desde entonces, este grupo ha demostrado algunas versiones diferentes de materiales que se enfrían por radiación, incluida una versión con cristal fotónico de sílice grabado y visiblemente transparente.

Sin embargo, el acercamiento de Raman no es práctico para aplicaciones comerciales que requieran materiales de bajo coste, flexibilidad para facilitar la aplicación, una superficie superior lisa para resistir la acumulación de suciedad, y durabilidad en entornos al aire libre. Un aspecto de la presente invención es proporcionar estructuras de enfriamiento radiativo prácticas y rentables con una alta capacidad de enfriamiento.

En la solicitud de EE. UU. US 2017/0248381 se describe una estructura de enfriamiento radiativo espectralmente transparente, pero nebulosa, en donde partículas no poliméricas están incrustadas aleatoriamente en una matriz polimérica. El intervalo preferido de los tamaños de partícula corresponde a diámetros efectivos promedio de partículas esféricas de entre 1 pm y 30 pm. El intervalo preferido de los porcentajes en volumen de las partículas con respecto a la matriz polimérica es del 2 % al 25 %. Aunque las partículas dentro del intervalo de tamaño y los porcentajes de volumen anteriores resultan muy adecuadas para capturar y emitir radiación IR en el intervalo de longitud de onda de 7 pm a 13 pm, la dispersión de luz supone un problema que conlleva una pérdida significativa de transparencia. En el documento CN 102620266 A se describe un accesorio de lámpara LED para iluminación de exteriores con un efecto de disipación del calor que permite que la nieve se derrita y evita que el polvo y el aceite se adhieran a su radiador.

Refrigerar productos en remolques de camiones con temperatura controlada requiere unos gastos de energía significativos. Cada año, la industria de camiones refrigerados gasta más de 30 mil millones de $ en combustible, lo que hace que el combustible sea uno de sus mayores gastos, incluso mayor que la mano de obra. Además, los escapes por la quema de esta cantidad de diésel da como resultado 87 millones de toneladas métricas (MMT) de emisiones equivalentes de CO<2>(sin incluir las contribuciones de emisión de los refrigerantes, ni los efectos del calor residual producido por los métodos de enfriamiento convencionales) y hace que la industria de camiones refrigerados sea uno de los mayores contaminantes de EE. UU. Incluso una modesta reducción en el combustible requerido por los remolques para de camión camiones refrigerados podría mejorar significativamente la rentabilidad para los propietarios de flotas y, al mismo tiempo, proporcionar una reducción importante en las emisiones contaminantes.

Sumario de la invención y Realizaciones

De acuerdo con la presente invención, se proporciona enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 1, que puede usarse para enfriar superficies al aire libre y puede aumentar la eficiencia de los sistemas compensando el calor procedente de fuentes tales como motores, elementos electrónicos, reacciones químicas y el sol (por ejemplo, elementos electrónicos de alta potencia, incluidos transformadores, envolventes de edificios, incluidas ventanas, energía solar fotovoltaica y almacenamiento de baterías, transporte, incluyendo vehículos eléctricos, purificación/destilación de agua). Otro aspecto de la presente invención es proporcionar estructuras de enfriamiento radiativo eficientes que sean transparentes a la luz visible.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, se proporciona una estructura de enfriamiento radiativo pasivo en forma de una película flexible que es transparente a la luz visible, y está configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente. La película flexible puede fabricarse a partir de un único material base o puede llevar incorporado más del 25 % en volumen de un material incrustado.

En algunas realizaciones, la película flexible puede incorporar partículas sustancialmente esféricas que tienen un diámetro superior a 30 |jm. En otras realizaciones, pueden incorporarse partículas que tienen formas no esféricas y tienen un volumen promedio por partícula mayor de aproximadamente 14.200 jm 3 y que son lo suficientemente pequeño pequeñas como para encajar entre las superficies superior e inferior de la película.

En algunas realizaciones, las partículas incorporadas pueden disponerse de una manera repetitiva y ordenada dentro de la lámina, y en otras realizaciones las partículas incorporadas pueden distribuirse de una manera más aleatoria o desordenada, pero determinista.

En algunas realizaciones, la película flexible está formada por una lámina de plástico transparente y las partículas incorporadas están hechas de vidrio de sílice. En una realización preferida, las partículas están hechas de vidrio de sílice fundido.

En algunas realizaciones, las partículas incrustadas son estructuras de pared lateral cilíndrica, cóncava o convexa, teniendo cada estructura de pared lateral una primera área circular limitada por una circunferencia de la primera área circular y una segunda área circular limitada por una circunferencia de la segunda área circular, en donde la circunferencia de la primera área circular y la circunferencia de la segunda área circular están conectadas por la superficie de la pared lateral, encerrando un volumen interno que conecta la primera área circular y la segunda área circular, y en donde la primera y la segunda áreas circulares están orientadas paralelas a la superficie de la película. En algunas realizaciones, una estructura de enfriamiento radiativo pasivo hecha de una película flexible transparente se coloca en la parte superior de un panel para enfriar suficientemente las células solares del panel y aumentar la eficiencia de la conversión de luz en energía eléctrica.

En otras realizaciones, la película flexible transparente incluye una única lámina de un material, en donde están presentes grabados en una o ambas de las dos superficies paralelas. Los grabados pueden rellenarse opcionalmente con otro material con un índice de refracción más similar al medio circundante para mejorar el acoplamiento entre las superficies.

De acuerdo con la reivindicación 1, una estructura de enfriamiento radiativo pasivo incluye una o más pilas de enfriamiento. Cada pila de enfriamiento de la estructura de enfriamiento está configurada con una capa de guía de ondas, una capa emisiva, configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente, y una capa conductora térmica. La capa emisiva está intercalada entre la capa de guía de ondas y la capa conductora térmica. La capa térmicamente conductora está en contacto térmico con una fuente de calor a enfriar. Este contacto puede ser directo o a través de una interfaz térmicamente conductora. La capa térmicamente conductora puede configurarse sustancialmente perpendicular a la fuente de calor a enfriar. Estas estructuras se pueden utilizar en superficies horizontales o verticales a enfriar.

En otra realización, cada pila de enfriamiento del enfriamiento radiativo pasivo incluye dos capas de guía de ondas y dos capas emisivas, estando configurada cada capa emisiva para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente, en donde las capas de guía de ondas forman las capas externas de la pila, las dos capas emisivas forman las siguientes capas más externas de la pila, y en donde el núcleo interior de la pila es una capa térmicamente conductora, intercalada entre las dos capas emisivas. Estas estructuras se pueden utilizar en superficies horizontales o verticales a enfriar.

De acuerdo con una realización adicional de la invención, un contenedor refrigerado incluye una estructura de enfriamiento radiativo pasivo configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera es transparente en el exterior del contenedor refrigerado, para reducir la cantidad de energía requerida para refrigerar el contenedor. En cuanto a la estructura de enfriamiento radiativo pasivo hecha de una película flexible, se puede insertar una capa reflectante debajo de la película. En otras realizaciones, la estructura de enfriamiento radiativo pasivo está situada en la parte superior de una capa de conmutación térmica, que está en contacto térmico con el techo del contenedor, en donde la capa de conmutación térmica incluye canales que pueden llenarse alternativamente con un fluido termoconductor y con un fluido termoaislante. En otra realización preferida, se usa una estructura transparente de enfriamiento radiativo pasivo para cubrir una o más de las paredes laterales del contenedor, lo que permite tanto el enfriamiento pasivo mejorado como la capacidad de que los anuncios u otra información en las paredes laterales del contenedor puedan verse a través de la estructura transparente.

En realizaciones adicionales, las estructuras de enfriamiento radiativo pasivo están configuradas para enfriar una variedad de estructuras y dispositivos, que incluyen, entre otros, transformadores, paredes, tejados, refrigeradores de fábricas, torres de enfriamiento, prendas de vestir, vehículos que incluyen vehículos eléctricos, estructuras de sombra, fuentes de agua y baterías.

Breve descripción de los dibujos

Las características anteriores de las realizaciones se entenderán más fácilmente con referencia a la siguiente descripción detallada, tomada con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la FIG. 1A muestra una estructura flexible y transparente de enfriamiento radiativo pasivo, de una realización no reivindicada, con partículas que están incrustadas de manera desordenada.

La FIG. 1B muestra una estructura flexible y transparente de enfriamiento radiativo pasivo, de una realización no reivindicada, con partículas de pared lateral cóncavas y incrustadas regularmente espaciadas.

La FIG. 1C muestra una variedad de partículas que pueden usarse en la estructura de enfriamiento de la FIG.

1B.

La FIG. 2 muestra una estructura flexible y transparente de enfriamiento radiativo pasivo, de una realización no reivindicada, compuesta de un solo material, con superficies exteriores grabadas.

La FIG. 3 muestra una estructura transparente de enfriamiento radiativo pasivo situada a capas sobre un panel solar de acuerdo con una realización de la invención.

La FIG. 4 muestra un alambique solar de una realización de la invención que usa una estructura transparente de enfriamiento radiativo pasivo para condensar agua calentada por la luz solar.

La FIG. 5A muestra una vista en perspectiva de una pila de enfriamiento radiante de doble cara, de una realización de la invención, configurada con una capa de guía de ondas.

La FIG. 5B muestra una vista en perspectiva de una estructura de enfriamiento radiante con múltiples pilas de una realización de la invención.

La FIG. 5C muestra una vista en perspectiva con un corte parcial de una estructura de enfriamiento radiante de la FIG. 5B orientada para su colocación contra una superficie vertical a enfriar.

La FIG. 5D muestra una vista ampliada de microlentes y subcapas de inyección de una capa de guía de ondas que forma parte de una pila de enfriamiento radiante de las FIGS. 5A, 5B y 5C.

La FIG. 5E muestra una vista ampliada adicional de un elemento de acoplamiento de reorientación asociado con la subcapa de inyección de la capa de guía de ondas de la FIG. 5D.

La FIG. 6A muestra un contenedor de transporte de una realización de la invención.

La FIG. 6B muestra una vista ampliada de la estructura de enfriamiento radiativo pasivo de la FIG. 6A encima de una capa de conmutación térmica.

La FIG. 6C muestra una vista ampliada de una realización alternativa de la estructura de enfriamiento radiativo pasivo de la FIG. 6A encima de una capa de conmutación térmica.

La FIG. 6D muestra una ventana aislante de una realización de la presente invención para su uso con una estructura de enfriamiento radiativo pasivo.

La FIG. 6E muestra una realización alternativa de la ventana aislante para su uso con una estructura de enfriamiento radiativo pasivo.

Descripción detallada de realizaciones específicas

Definiciones. Tal como se usa en esta descripción y las reivindicaciones adjuntas, los siguientes términos tendrán los significados indicados, a menos que el contexto requiera lo contrario:

"Sustancialmente transparente" significa que permite que las longitudes de onda atraviesen lo suficiente para que los objetos subyacentes operen como se ha diseñado dentro de parámetros aceptables, o que minimiza de otro modo la absorción de longitudes de onda no deseadas.

"Flexible" significa que el material puede flexionarse lo suficiente como para no dañarse cuando se enrolla en un carrete como es normal para las técnicas de fabricación rollo a rollo.

Estructuras flexibles y transparentes de enfriamiento radiativo pasivo

Las FIGS. 1A y 1B muestran una estructura transparente y flexible de enfriamiento radiativo pasivo que no está de acuerdo con la invención reivindicada. La estructura 10 de enfriamiento tiene la forma de una película flexible 15 con una primera superficie 20 y una segunda superficie 25, y una región interior 30 entre las dos superficies. La estructura de enfriamiento es transparente a la luz visible y está configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente, normalmente entre aproximadamente 7 pm y 13 |jm. En estas figuras, las partículas incrustadas 35 de un primer material 40 se distribuyen dentro de una película flexible 15 formada por un segundo material 45. Para minimizar la dispersión de luz y, de este modo, maximizar la transparencia visible, el primer material 40 puede seleccionarse para tener un índice de refracción en el intervalo de frecuencia visible que coincida más estrechamente con el índice de refracción del segundo material en el intervalo de frecuencia visible. En una realización preferida, el primer material puede ser vidrio de sílice. Para minimizar aún más la dispersión en superficies rugosas, las partículas incrustadas 35 pueden pulirse o calentarse instantáneamente. Se pueden utilizar partículas más grandes para reducir el área superficial total de partículas sobre la que se produce la dispersión para un porcentaje dado de volumen de partículas, permitiendo de este modo el uso de porcentajes más grandes de volumen de partículas para una cantidad constante de dispersión. Finalmente, la dispersión se reduce con tamaños de característica más grandes y, por lo tanto, mantener el tamaño de partícula dentro del intervalo de dispersión geométrica reducirá la dispersión por partícula.

El tamaño, la composición química y la distribución de las partículas incrustadas 35 pueden controlarse para controlar la absorbancia IR y las intensidades y anchos de banda de emisión. Como consecuencia del uso de partículas más grandes, se pueden usar fracciones de volumen de partículas superiores al 25 % y se puede lograr una transparencia de baja dispersión. Fortuitamente, incluso cuando las partículas más grandes dan como resultado una menor intensidad máxima de absorbancia/emisión en la región de longitud de onda deseada, y cambian la longitud de onda del máximo de absorbancia, las partículas más grandes también proporcionarán una respuesta de absorción de banda ancha, compensando así parcialmente la pérdida de intensidad a una única longitud de onda cualquiera. La distribución en una banda más amplia de las longitudes de onda asociadas con partículas más grandes puede a) compensar parcialmente las pérdidas de intensidad en una longitud de onda particular mientras aún proporciona una intensidad total comparable a través de la ventana atmosférica, y b) proporcionar una mayor capacidad para adaptarse a los cambios en la ventana IR debidos a condiciones atmosféricas cambiantes.

Basándose en las consideraciones anteriores de los efectos interrelacionados del tamaño de partícula y el porcentaje de volumen de partículas sobre la dispersión en la absorción general visible dentro de las ventanas atmosféricas deseadas, y la capacidad de funcionar a pesar de las condiciones atmosféricas cambiantes, las realizaciones preferidas de la invención divulgada utilizan partículas que tienen un promedio de volumen de tamaño por partícula mayor de 14.200 |jm3 y porcentajes en volumen superiores al 25 %. Más particularmente, el porcentaje en volumen en las realizaciones preferidas está entre el 25 % y el 73 %.

En la FIG. 1A, las partículas incrustadas 35 del primer material 40 se distribuyen de manera desordenada dentro de la película flexible 15 formada por el segundo material 45. El segundo material es normalmente un polímero termoplástico. Preferiblemente, el polímero se compone y se extruye. También se puede usar un polímero de 2 partes o una solución de polímero vertido para lograr la suspensión de nanopartículas en un medio visiblemente transparente. En esta figura, las partículas se muestran con forma elipsoidal, pero se podría usar una amplia variedad de formas para ajustar con precisión las propiedades de la estructura 10 transparente y flexible de enfriamiento radiativo pasivo, ya que la forma de la partícula tendrá un gran efecto sobre las resonancias de fonónpolaritón y los espectros de absorción generales del material compuesto. En una realización preferida, las partículas tienen forma esferoidal, con diámetros promedio de más de 30 jm.

En la realización mostrada en la FIG. 1B, las partículas incrustadas 35 del primer material 40 se distribuyen de manera uniforme dentro de la película flexible 15. Como se muestra en esta figura, las partículas tienen una estructura particular 50, de pared lateral cóncava, que tiene una primera área circular 150 y una segunda área circular 250 en donde la primera área circular y la segunda área circular están conectadas a través de sus circunferencias por una superficie cóncava 350 que conecta la primera área circular y la segunda área circular, y en donde la primera área circular y la segunda área circular están orientadas en paralelo con la primera superficie 20 y la segunda superficie 25 de la película 15.

Como se detalla adicionalmente en la FIG. 1C, las partículas 35 pueden tener cualquiera de una variedad de formas. Las áreas circulares, por ejemplo, pueden ser planas, cóncavas o convexas. La superficie lateral de las partículas puede ser igualmente recta, cóncava o convexa. Las superficies circulares de una partícula pueden tener diferentes diámetros. La superficie lateral cóncava sirve para conectar las superficies circulares.

En otra realización, ilustrada en la FIG. 2, la estructura 10 transparente y flexible de enfriamiento radiativo pasivo está construida de un solo material, sin partículas incrustadas. En este caso, la absorción/emisión de luz se modula mediante deposiciones con patrón y/o grabados 55 en la primera superficie 20 y opcionalmente en la segunda superficie 25. En una realización, los grabados son depresiones hemisféricas dispuestas según una matriz ordenada en la superficie de la lámina. En una realización preferida, el material único puede ser una lámina de vidrio muy delgada y plegable. Cualquiera de la primera superficie 20 o la segunda superficie 25 puede pulirse o calentarse instantáneamente para minimizar la rugosidad superficial de la película flexible. En realizaciones preferidas, las deposiciones y/o grabados con patrón podrían ser irregulares si se producen usando algoritmos genéticos o aprendizaje automático. Por lo tanto, la estructura de enfriamiento radiativo pasivo está configurada para que tenga una transparencia sustancial a la luz visible y a la emisión de radiación infrarroja a la que la atmósfera de la Tierra es transparente, normalmente entre aproximadamente 7 jm a 13 jm. Opcionalmente, una segunda capa 28 puede depositarse encima y/o debajo de la lámina delgada. La segunda capa 28 puede fabricarse con un material de conformación que tenga un índice de refracción con un valor entre el índice de la lámina delgada y el del medio circundante.

Se pueden fabricar absorbentes de película delgada flexible usando la capa de dispositivo de obleas estándar de silicio sobre aislante (SOI) y/o versiones equivalentes de materiales de panel o de rollo a rollo para lograr propiedades ópticas y mecánicas deseables. Esto funcionaría así: 1) preprocesamiento opcional de la capa de dispositivo para mejorar la absorción de la ventana atmosférica como con las películas descritas en las FIGS. 1B y 2 mediante dopaje/recocido, o mediante grabado, nanoimpresión, micromecanizado, deposición u otra técnica de microfabricación para crear estructuras de cristal fotónico; (2) grabar toda la capa aislante debajo de la capa de dispositivo para liberar la capa de dispositivo superior; (3) procesar la capa de dispositivo añadiendo a los lados frontal y posterior de la capa de dispositivo un polímero u otro material para mejorar el acoplamiento mecánico y/u óptico.

Las realizaciones con una estructura 10 transparente y flexible de enfriamiento radiativo pasivo, incluidas las mostradas en las FIGS. 1A, 1B y 2, son ventajosas para aplicaciones donde la luz visible necesita atravesar la estructura, pero donde las características de enfriamiento radiativo pasivo son ventajosas. En la FIG. 3 se muestra una realización de tal aplicación. Un objetivo de la presente invención es proporcionar estructuras sustancialmente transparentes de enfriamiento radiativo para enfriar paneles solares y mejorar de este modo su eficiencia. En esta realización, la estructura transparente y flexible 10 de enfriamiento pasivo cubre la superficie de un panel solar 60. La estructura 10 de enfriamiento está orientada próxima a la superficie del panel solar 60 de tal manera que se logran los efectos de enfriamiento deseables en el panel solar. La luz visible pasa a través de la estructura flexible 10 de enfriamiento y el panel solar genera electricidad. La eficiencia de un panel solar aumenta a medida que disminuye la temperatura. Incluso una disminución modesta de la temperatura puede mejorar drásticamente la eficiencia de la célula solar, siempre que la estructura de enfriamiento sea suficientemente transparente en las longitudes de onda visibles. Esta mejora de la función del panel solar puede lograrse igualmente con una estructura inflexible de enfriamiento radiativo pasivo.

En una realización, la película delgada que comprende la estructura sustancialmente transparente de enfriamiento radiativo pasivo se mantiene en contacto uniforme con una superficie del panel solar, o una superficie alternativa a enfriar, por medio de fuerzas capilares. En un método preferido de sujeción de la película en el panel solar o superficie alternativa por medio de fuerzas capilares, la película se fija mediante un método que implica humedecer la parte posterior de la estructura, disponer la estructura sobre la superficie y pasar una escobilla (aplicando una presión lineal uniforme) a través de la superficie de la estructura, eliminando así el agua y las burbujas de aire atrapadas entre la película y la superficie, y facilitando la adhesión capilar. Esto puede ir seguido de la aplicación de adhesivo en los bordes de la película para impedir que los bordes se despeguen y se desprendan de la superficie. Este método de instalación también permite una fácil desinstalación, retirando el cordón de adhesivo del borde y despegando la película flexible desde un borde o esquina.

Una estructura transparente 10 de enfriamiento radiativo pasivo puede usarse ventajosamente como se muestra en la FIG. 4. Al proporcionar pasivamente un mayor diferencial de temperatura, se pueden emplear estructuras transparentes de enfriamiento radiativo para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los alambiques utilizados para purificar el agua. En esta realización, la estructura transparente 10 de enfriamiento radiativo pasivo cubre la parte superior de un alambique. Las paredes restantes del alambique están encerradas en material termoaislante 65. En el fondo del alambique, el agua salobre o agua de mar 70 está contenida dentro de los límites de un material 75 absorbente de la longitud de onda solar. La luz solar pasa a través de la estructura transparente 10 de enfriamiento radiativo pasivo y calienta el agua 70 y el material 75 absorbente de calor que contiene el agua. A medida que el agua 70 se calienta, se evapora. En virtud de la liberación de energía en forma de irradiación infrarroja en la ventana atmosférica de 7-13 |jm, la estructura 10 de enfriamiento proporciona una superficie relativamente enfriada para que el agua evaporada se condense sobre la misma, permitiendo que el agua se condense y fluya hacia el canal 80 de destilado. El canal 80 de destilado captura el concentrado de agua pura y lo canaliza para su recogida.

Multiplicación de enfriamiento radiativo por desviación en ángulo recto y apilamiento de capas

Las estructuras de enfriamiento radiativo basadas en película delgada, tales como las descritas en las realizaciones anteriores, proporcionan normalmente una potencia de enfriamiento de aproximadamente 100 vatios por metro cuadrado. El enfriamiento durante el día se reduce aún más por la carga térmica adicional de la radiación visible e infrarroja cercana procedente de la luz solar y del entorno circundante. Para lograr el objetivo de enfriamiento de 1 tonelada de refrigeración (1 TR), se necesitan 35 metros cuadrados de dichos paneles de enfriamiento radiativo. En consecuencia, el área superficial disponible sigue siendo un factor limitante en la implementación del enfriamiento radiativo. Como complicación adicional, la gran huella de área significa que la carga térmica del sol y del entorno ambiental anularán parcialmente los beneficios del aumento del área superficial.

De acuerdo con la invención, la eficiencia de las estructuras de enfriamiento radiativo pasivo puede mejorarse mediante la desviación en ángulo recto y el apilamiento de capas. Si bien tales realizaciones incluyen normalmente conductores térmicos opacos, evitando que sean transparentes, pueden proporcionar un enorme aumento del área superficial efectiva del panel de enfriamiento, al tiempo que minimizan el área superficial expuesta a la luz solar. Tales realizaciones usan principios de guía de ondas bien entendidos y ampliamente usados en fotónica y en aplicaciones de consumo que impliquen pantallas de panel plano.

Tales realizaciones hacen uso de guías de ondas ópticas delgadas, que permiten que la radiación IR emitida sobre un área grande se concentre y se desvíe 90 grados para permitir que las áreas radiativas se apilen de modo que un área superficial total muy grande de enfriamiento radiativo pueda alojarse en una huella de área mucho más pequeña. Tales realizaciones pueden permitir de este modo que 100 metros cuadrados o más de área de panel de enfriamiento ocupen 1 metro cúbico, en una superficie de 1 metro cuadrado. Existen pérdidas de eficiencia de esta disposición por cada metro cuadrado de área de panel de enfriamiento, pero el efecto de multiplicación en la capacidad de enfriamiento total, debido a un área superficial efectiva más grande, es mayor que las pérdidas introducidas por las pérdidas de acoplamiento y absorción en las guías de ondas. Además, dado que la radiación IR se emite sobre un área mucho más pequeña, el área que está sujeta al calentamiento diurno se reduce en gran medida, sin la adición de ningún filtrado especial.

En tales realizaciones, la radiación IR se emite por un absorbedor/emisor de enfriamiento radiante sobre un área grande y se enfoca y/o se acopla en una guía de ondas normalmente con un ángulo de 90 grados respecto a la superficie de enfriamiento. La ventaja de esta disposición es que las capas emisivas donde tiene lugar el enfriamiento ahora se pueden apilar en una disposición muy densa.

Una realización que usa guías de ondas ópticas se muestra en las FIGS. 5A y 5B. En la FIG. 5A, se muestra una pila 12 de enfriamiento radiativo de doble cara que incorpora dos capas 22 de guía de ondas, una en cada lado exterior de la pila. Cada capa de guía de ondas está configurada para concentrar y redirigir la radiación infrarroja en las frecuencias a las que la atmósfera es transparente. Moviéndose hacia el interior de la pila, dos capas emisivas 14 son ambas paralelas a una capa 22 de guía de ondas en un lado exterior y una capa térmicamente conductora 16 ubicada centralmente en un lado interior. En esta realización, cada capa emisiva 14 está intercalada entre una capa 22 de guía de ondas y una capa térmicamente conductora 16. Un extremo de la capa térmicamente conductora 16 está en contacto térmico con una fuente de calor a enfriar o una interfaz térmicamente conductora 24 que es sustancialmente perpendicular a la capa térmicamente conductora 16. La interfaz térmicamente conductora 24 es, a su vez, sustancialmente paralela a una fuente de calor a enfriar. La interfaz puede estar en el lado inferior de la pila, opuesto al lado superior orientado hacia el cielo, para usarla con una orientación horizontal o, como se muestra en la FIG. 5C, la interfaz puede ser un lado vertical de la pila, perpendicular al lado superior orientado hacia el cielo, para enfriar una superficie orientada verticalmente. La propia fuente de calor, independientemente de si es horizontal, vertical o intermedia, puede sustituir a la interfaz 24. Como alternativa, la interfaz 24 podría configurarse preferentemente para hacer contacto con la fuente de calor para conducir el calor lejos de esta fuente. La capa térmicamente conductora 16 puede estar hecha de un material tal como un metal, en particular, cobre o aluminio. La capa emisiva 14 puede ser cualquiera de las láminas de enfriamiento radiativo pasivo descritas anteriormente, o cualquier material con emisividad diseñada o intrínseca en las longitudes de onda a las que la atmósfera es transparente, independientemente de la transparencia en el visible. Por ejemplo, carburo de silicio, nitruros de silicio, SiO<2>, Te, PbS, PbSe, cuarzo ZnO y TiO<2>. Pueden integrarse materiales 2d en una capa emisiva 14 para mejorar la emisión en una película más delgada, incluyendo, por ejemplo, grafeno, fósforo negro, nitruro de boro, hBN, BCN, fluorografina u óxido de grafeno. Pueden conseguirse selecciones y estructuras particulares optimizando los espectros de transparencia, reflectividad y absorción deseables, aunque en la estructura de enfriamiento multicapa, la transparencia tiene una importancia reducida. El propósito principal de la capa de guía de ondas es redirigir y permitir la propagación de longitudes de onda térmicas hacia el cielo, por lo tanto, los materiales ideales de la capa de guía de ondas son transparentes a las longitudes de onda a las que la atmósfera es transparente, como películas de polietileno, vidrios de calcogenuro, haluros de plata policristalinos, zafiro, monocalcogenuros de zinc, CdS, CdTe, germanio, ZnSe, ZnS y LiNbO<3>.

En la operación de enfriamiento, el calor procedente de la fuente de calor que se va a enfriar se conduce a través de la capa térmicamente conductora 16. El calor de la capa térmicamente conductora 16, en forma de radiación IR, se absorbe y emite desde la capa emisiva 14 y se acopla a la capa 22 de guía de ondas, donde se redirige hacia arriba, hacia el cielo, para radiarse a través de la ventana atmosférica hacia las profundidades del espacio exterior.

La FIG. 5B muestra una vista lateral de pilas 26 en capas como se describe en la FIG. 5A. Con una disposición de pilas de este tipo, es fácilmente evidente que el área superficial efectiva para la emisión térmica se puede aumentar drásticamente, mientras se mantiene una exposición modesta a la luz solar directa. También, la capa 22 de guía de ondas podría combinarse en pilas adyacentes para redirigir longitudes de onda térmicas hacia el cielo desde ambos lados de la capa 22 de guía de ondas.

Las FIGS. 5D y 5E muestran detalles adicionales de una realización de las FIGS. 5A y 5B. En esta realización, la energía térmica emitida desde la capa emisiva 32 se recoge y se enfoca con microlentes 34 de longitud de onda térmica que forman la 1a subcapa de la capa 22 de guía de ondas. La radiación IR 36 enfocada por microlentes se enfoca sobre los elementos 38 de acoplamiento de reorientación que están incrustados en la 2a subcapa de la capa 22 de guía de ondas. Los elementos 38 de acoplamiento están configurados paralelos entre sí, teniendo cada elemento 38 de acoplamiento una faceta 42 de inyección en un extremo y un estrechamiento en el otro extremo, y están orientados dentro de la capa de guía de ondas de tal manera que la faceta 42 de inyección dirige la radiación hacia el cielo, y el estrechamiento se dirige en la dirección opuesta. La faceta 42 de inyección está configurada para guiar la radiación IR enfocada por microlentes 36 hacia arriba, hacia el cielo. El estrechamiento en el otro extremo del elemento de acoplamiento está configurado para evitar que la luz se refleje hacia atrás.

Obsérvese que estas pilas podrían configurarse para eliminar el calor de las superficies en cualquier orientación, incluida la normal al cielo, perpendicular al cielo y cualquier orientación intermedia, por ejemplo, superficies de enfriamiento en cualquier orientación cambiando el ángulo de redirección y propagación de la longitud de onda térmica en la capa de guía de ondas para apuntar hacia el cielo.

Enfriamiento Radiativo Pasivo de Contenedores

Un objetivo adicional de una realización de la invención es reducir el combustible consumido por los contenedores de carga refrigerados, transportados en remolques de camiones, mediante el uso de estructuras de enfriamiento radiativo pasivo en los techos y lados de tales contenedores. Estos contenedores albergan unidades de enfriamiento activas, tales como compresores de refrigeración, para mantener una temperatura baja dentro del contenedor. La FIG. 6A ilustra una realización de un contenedor refrigerado 52, enfriado por una estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo situada sobre una superficie exterior superior del contenedor. Se puede proporcionar enfriamiento pasivo adicional mediante una estructura transparente 10 de enfriamiento radiativo pasivo situada sobre una superficie exterior de uno o más lados del contenedor para preservar la señalización o publicidad. La estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo puede ser opaca en la parte superior del contenedor, mientras que la estructura transparente 10 de enfriamiento radiativo pasivo está configurada para permitir la visualización de imágenes y letras en uno o más lados del contenedor. La estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo podría comprender pilas de enfriamiento radiante como se expone en las FIGS. 5A y 5B. De hecho, de acuerdo con realizaciones de la presente invención, las pilas de enfriamiento radiante se pueden usar en cualquiera o todas las superficies exteriores del contenedor. La estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo podría incluir las estructuras transparentes de enfriamiento radiativo pasivo expuestas en las FIGS. 1A, 1B o 2, que pueden usarse igualmente en cualquiera o todas las superficies exteriores del contenedor.

En otras realizaciones, como se muestra en la FIG. 6B, la estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo puede incluir una capa superior 56, que comprende las pilas de enfriamiento radiante altamente eficientes o una lámina de enfriamiento radiativo pasivo, y una capa inferior 58, en contacto térmico con la parte superior del contenedor, configurada con canales 62 para fluidos de conmutación térmica. Durante la operación, los canales pueden llenarse alternativamente con fluidos termoconductores cuando se desea enfriar el contenedor, o fluidos termoaislantes cuando el objetivo es evitar que el calor entre en el contenedor (como cuando los elementos de enfriamiento están en interiores u obstruidos de otra manera con respecto al cielo). Los fluidos termoconductores preferidos incluyen agua. Los fluidos termoaislantes preferidos incluyen aire.

La capa superior 56 podría ser una estructura transparente de enfriamiento pasivo como se expone en las FIGS. 1A, 1B o 2. Dado que la capa superior 56 se encuentra encima del contenedor, no es necesario que sea transparente. En una realización preferida, la capa superior 56 comprende pilas de enfriamiento radiante como se expone en las FIGS. 5A y 5B.

Para aplicaciones de estructuras de enfriamiento radiativo pasivo de las FIGS. 1A, 1B o 2 donde ciertas longitudes de onda no son necesarias o deseables para la superficie subyacente a enfriar, la estructura 10 puede estar respaldada por una capa reflectante 64. La capa reflectante podría configurarse para reflejar ciertas longitudes de onda no deseadas y reducir la carga térmica general. Una estructura de enfriamiento con respaldo reflectante de este tipo puede ser útil encima de un contenedor. Como se muestra en la FIG. 6C, un contenedor enfriado por radiación puede incluir una estructura de enfriamiento radiativo pasivo que tiene una capa posterior 64 térmicamente conductora y visiblemente reflectante intercalada entre la capa superior 56 y la capa inferior 58. La capa posterior reflectante 64 proporciona un medio para reducir la carga térmica solar, al tiempo que aún permite que el calor se dirija de manera emisiva lejos del contenedor 52.

En otras realizaciones, la estructura 54 de enfriamiento radiativo pasivo está equipada con una ventana aislante de conducción y convección que es transparente a las longitudes de onda a las que la atmósfera es transparente. Esto mejoraría el enfriamiento a temperaturas más bajas, porque inhibiría el calentamiento del medio circundante pero aún permitiría el enfriamiento emisivo. La ventana podría ser una espuma 65, por ejemplo espuma de polietileno, colocada directamente sobre el material de enfriamiento emisivo como en la FIG. 6D o instalada encima del mismo con un espacio 67 de aire aislante entre la ventana y el material emisivo como en la FIG. 6E.

Las realizaciones de la invención descritas anteriormente están destinadas a ser meramente ilustrativas; numerosas variaciones y modificaciones serán evidentes para los expertos en la materia. Todas tales variaciones y modificaciones están destinadas a estar dentro del alcance de la presente invención como se define en cualquiera de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo que comprende:

una o más pilas (12) de enfriamiento;

en donde cada pila (12) de enfriamiento está configurada con una primera capa (22) de guía de ondas, una primera capa emisiva (14) y una capa conductora térmica (16), en donde la primera capa emisiva (14) está intercalada entre la primera capa (22) de guía de ondas y la capa conductora térmica (16);

en donde la capa térmicamente conductora (16) tiene un extremo proximal y un extremo distal; en donde la capa térmicamente conductora (16) es sustancialmente perpendicular a una fuente de calor a enfriar y está en contacto térmico con la misma por su extremo proximal, y

en donde la primera capa (22) de guía de ondas comprende una primera subcapa y una segunda subcapa; caracterizada por que:

la primera capa emisiva (14) está configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente;

en donde la primera subcapa de la primera capa (22) de guía de ondas está configurada con microlentes (34) para recoger y enfocar la radiación infrarroja de la primera capa emisiva (14) sobre unos elementos (38) de acoplamiento de reorientación incrustados en la segunda subcapa de la primera capa (22) de guía de ondas, siendo los elementos (38) de acoplamiento de reorientación paralelos entre sí, teniendo cada elemento (38) de acoplamiento de reorientación una faceta (42) de inyección en un extremo, un estrechamiento en el otro extremo y una orientación dentro de la capa de guía de ondas de manera que la faceta (42) de inyección dirige la radiación infrarroja desde la primera capa emisiva (14) hacia arriba, hacia el cielo, y el estrechamiento se dirige en una dirección opuesta para evitar que la radiación infrarroja se refleje hacia atrás en la dirección opuesta.

2. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 1, configurada para enfriar un objeto a una temperatura por debajo de la temperatura del aire ambiente.

3. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde cada pila (12) de enfriamiento comprende además una segunda capa (22) de guía de ondas y una segunda capa emisiva (14); en donde la segunda capa emisiva (14) está intercalada entre la segunda capa (22) de guía de ondas y la capa conductora térmica (16);

en donde la capa conductora térmica (16) está intercalada entre la primera capa emisiva (14) y la segunda capa emisiva (14);

en donde la segunda capa emisiva (14) está configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente.

4. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una ventana ajustada sobre la estructura radiativa que es transparente a las longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente.

5. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo la primera capa emisiva (14):

una película flexible (15), transparente a la luz visible, y que incorpora un primer material (40) en un porcentaje de volumen superior al 25 % para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente;

en donde la película flexible (15) incluye una primera superficie (20) paralela a una segunda superficie (25), y una región interior (30) entre la primera superficie (20) y la segunda superficie (25).

6. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la película flexible (15) comprende una lámina flexible de un segundo material (45) que incorpora el primer material (40) como partículas incrustadas (35) que tienen un volumen promedio por partícula mayor de 14.200 |jm3.

7. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 6, en donde las partículas incrustadas (35) son partículas esféricas.

8. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 7, en donde las partículas esféricas se pulen o se calientan instantáneamente para minimizar la rugosidad de la superficie.

9. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 6, en donde las partículas incrustadas son estructuras de pared lateral curvada, comprendiendo cada estructura de pared lateral curvada una primera área circular limitada por una circunferencia de la primera área circular y una segunda área circular limitada por una circunferencia de la segunda área circular, en donde la circunferencia de la primera área circular y la circunferencia de la segunda área circular están conectadas por una superficie cóncava, que encierra un volumen interno que conecta la primera área circular y la segunda área circular; y en donde la primera área circular está orientada en paralelo a la primera superficie y la segunda región circular está orientada en paralelo a la segunda superficie.

10. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, colocada cerca de una superficie de un panel para enfriar las células solares del panel lo suficiente como para aumentar la eficiencia de la conversión de luz en energía eléctrica.

11. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 6, ocupando las partículas incrustadas un porcentaje en volumen de la película flexible (15) inferior al 73 %.

12. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, comprendiendo la primera capa emisiva (14):

una película flexible (15), transparente a la luz visible, configurada para absorber y emitir radiación infrarroja en longitudes de onda a las que la atmósfera de la Tierra es transparente;

en donde la película flexible (15) incluye una primera superficie (20) paralela a una segunda superficie (25), y una región interior entre la primera superficie (20) y la segunda superficie (25);

en donde la película flexible (15) comprende una lámina delgada de un primer material (40), y en donde están presentes grabados en una o ambas de la primera superficie (20) y la segunda superficie (25).

13. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende además una capa posterior reflectante (64) en contacto con la película flexible (15).

14. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 12, en donde una o ambas de la primera superficie (20) y la segunda superficie (25) se pulen o se calientan instantáneamente para minimizar la rugosidad superficial de la película flexible.

15. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende además una capa de material de conformación depositada sobre una o ambas de la primera superficie (20) y la segunda superficie (25).

16. Un contenedor (52) que comprende:

al menos una pared lateral y una parte superior que forman un recinto;

una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3;

en donde la estructura de enfriamiento radiativo pasivo está situada sobre una superficie exterior del recinto; y una unidad de enfriamiento activo alojada dentro del contenedor.

17. Un contenedor (52) de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende además una capa reflectante (64) intercalada entre la superficie exterior y la estructura de enfriamiento radiativo pasivo.

18. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 16, en donde la estructura de enfriamiento radiativo pasivo incluye una pluralidad de pilas (16), cada una configurada con una capa emisiva intercalada entre una capa (22) de guía de ondas y una capa conductora térmica (16) y en donde el contenedor además comprende una capa de conmutación térmica entre la superficie exterior y la estructura de enfriamiento radiativo pasivo.

19. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 18, en donde la capa de conmutación térmica comprende canales que están configurados para llenarse, alternativamente, con un fluido termoconductor y con un fluido termoaislante.

20. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende además una estructura de enfriamiento radiativo pasivo transparente en al menos una de las paredes laterales.

21. Una estructura de enfriamiento radiativo pasivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 que usa un aumento diferencial pasivo de temperatura para aumentar el rendimiento de un alambique solar o un dispositivo de purificación de agua.