Une étude décrit un système de refroidissement passif qui vise à aider les communautés pauvres, à réduire les coûts de refroidissement et de chauffage, à réduire les émissions de CO2 – Technoguide

Le refroidissement passif, comme l’ombre d’un arbre, existe depuis toujours.

Récemment, des chercheurs ont exploré comment turbo charger une technique de refroidissement passif – connue sous le nom de refroidissement radiatif ou de refroidissement du ciel – avec des nanomatériaux bloquant le soleil qui émettent de la chaleur loin des toits des bâtiments. Bien que des progrès aient été réalisés, cette technologie respectueuse de l’environnement n’est pas courante car les chercheurs ont eu du mal à maximiser les capacités de refroidissement des matériaux.

De nouvelles recherches menées par les ingénieurs de l’Université de Buffalo font des progrès significatifs dans ce domaine.

Une étude publiée le 8 février dans la revue Cell Reports Physical Science décrit un système de refroidissement radiatif de conception unique qui:

Abaissé la température à l’intérieur d’un système de test dans un environnement extérieur sous la lumière directe du soleil de plus de 12 degrés Celsius (22 degrés Fahrenheit). Abaissé la température de la boîte de test dans un laboratoire, destiné à simuler la nuit, de plus de 14 degrés Celsius (25 degrés Fahrenheit). Capturé simultanément suffisamment d’énergie solaire qui peut être utilisée pour chauffer l’eau à environ 60 degrés Celsius (140 degrés Fahrenheit).

Alors que le système testé ne mesurait que 70 centimètres (27,5 pouces) au carré, il pourrait éventuellement être étendu pour couvrir les toits, disent les ingénieurs, dans le but de réduire la dépendance de la société à l’égard des combustibles fossiles pour le refroidissement et le chauffage. Cela pourrait également aider les communautés ayant un accès limité à l’électricité.

«Il y a un grand besoin de chauffage et de refroidissement dans notre vie quotidienne, en particulier de refroidissement dans le monde qui se réchauffe», déclare l’auteur principal de l’étude, Qiaoqiang Gan, PhD, professeur de génie électrique à l’UB School of Engineering and Applied Sciences.

L’équipe de recherche comprend Zongfu Yu, PhD, Université du Wisconsin-Madison; Boon Ooi, PhD, Université King Abdullah des sciences et de la technologie (KAUST) en Arabie saoudite; et des membres du laboratoire de Gan à UB et du laboratoire d’Ooi à KAUST.

La conception du système et les matériaux sont la clé du succès

Le système se compose essentiellement de deux miroirs, constitués de 10 couches extrêmement minces d’argent et de dioxyde de silicium, placées en forme de V.

Ces miroirs absorbent la lumière du soleil, transformant l’énergie solaire des ondes visibles et proches infrarouges en chaleur. Les miroirs réfléchissent également les ondes infrarouges moyennes d’un “émetteur” (une boîte verticale entre les deux miroirs), qui rebondit alors la chaleur qu’ils transportent dans le ciel.

«Puisque l’émission thermique des deux surfaces de l’émetteur thermique central est réfléchie vers le ciel, la densité de puissance de refroidissement locale sur cet émetteur est doublée, ce qui entraîne une réduction record de température élevée», explique Gan.

«La plupart des systèmes de refroidissement radiatifs diffusent l’énergie solaire, ce qui limite les capacités de refroidissement du système», explique Gan. “Même avec une sélection spectrale parfaite, la limite supérieure de la puissance de refroidissement avec une température ambiante de 25 degrés Celsius est d’environ 160 watts par mètre carré. En revanche, l’énergie solaire d’environ 1 000 watts par mètre carré au-dessus de ces systèmes était tout simplement gaspillé. “

La société dérivée vise à commercialiser la technologie

Gan a cofondé une société dérivée, Sunny Clean Water LLC, qui recherche des partenaires pour commercialiser cette technologie.

«L’une des innovations clés de notre système est la capacité de séparer et de conserver le chauffage solaire et le refroidissement radiatif au niveau de différents composants dans un seul système», déclare le co-premier auteur Lyu Zhou, doctorant en génie électrique à la School of Engineering. et sciences appliquées. «Pendant la nuit, le refroidissement radiatif est facile car nous n’avons pas d’entrée solaire, donc les émissions thermiques disparaissent et nous réalisons facilement le refroidissement radiatif. Mais le refroidissement diurne est un défi car le soleil brille. Dans cette situation, vous devez trouver des stratégies pour séparer le chauffage solaire de la zone de refroidissement. “

Le travail s’appuie sur des recherches antérieures menées par le laboratoire de Gan qui impliquaient la création d’un système en forme de cône pour le refroidissement sans électricité dans les villes surpeuplées afin de s’adapter au changement climatique.

“La nouvelle architecture à double face a permis d’obtenir une densité de puissance de refroidissement locale record au-delà de 280 watts par mètre carré. Sous une pression atmosphérique standard sans isolation thermique sous vide, nous avons réalisé une réduction de température de 14,5 degrés Celsius en dessous de la température ambiante dans un environnement de laboratoire, et plus de 12 degrés Celsius lors d’un test en extérieur utilisant un système expérimental simple », explique l’autre co-premier auteur, Haomin Song, PhD, professeur assistant de recherche en génie électrique à la Faculté d’ingénierie et de sciences appliquées.

“Il est important de noter que notre système ne gaspille pas simplement l’énergie solaire d’entrée. Au lieu de cela, l’énergie solaire est absorbée par les miroirs sélectifs spectraux solaires, et elle peut être utilisée pour le chauffage solaire de l’eau, qui est largement utilisé comme appareil économe en énergie dans les pays en développement. », dit Gan. “Il peut conserver à la fois les effets de chauffage solaire et de refroidissement radiatif dans un seul système sans avoir besoin d’électricité. C’est vraiment une sorte de système ‘magique’ de glace et de sapin.”

L’équipe de recherche continuera d’étudier les moyens d’améliorer la technologie, notamment en examinant comment capter suffisamment d’énergie solaire pour faire bouillir l’eau, la rendant potable.

Le travail a été soutenu par un financement du programme Thermal Transport Processes de la National Science Foundation des États-Unis.

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