Science：全面解读！太阳能实现自给自足的个人热调节服装系统

第一作者：王子源、薄轶文

通讯作者：刘永胜、马儒军、陈永胜

研究亮点：

1. 1.能源来源创新：该系统利用有机光伏模块直接从阳光中获取能量，无需额外的电源。这使得热调节服装在各种恶劣环境中都能发挥作用，为用户提供便利。

2. 2.双向调节功能：电热效应装置具有双向调节功能，既能加热也能降温。这种灵活性对于应对不同气温和环境条件下的个人需求非常重要，提高了服装的实用性。

3. 3.柔性设计：系统中的有机光伏和电热效应装置都采用柔性设计，使得服装具有更好的适应性和舒适性，可灵活贴合人体曲线，适用于个人热调节的需求。

4. 4.全天候使用：由于系统以太阳能为能源，具有低能耗和高效率的电热效应装置，使得热调节服装在全天候运行，即使在充满挑战的环境中，如极寒的极地地区和太空旅行，也能保持人体在舒适温度范围内。

5. 5.自供电可穿戴平台：该系统实现了自给自足，无需外部电源支持，形成了一种可穿戴的热调节平台。

9. 一、可穿戴热调节服装的发展目标

特别是在面对环境温度波动的情况下，服装在维持身体热舒适度方面具有重要作用。为了应对不断变化的环境温度，人体需要具备快速适应的能力，以保持体温在安全范围内。在恶劣环境中，如极寒的极地地区或太空旅行，保持人体皮肤温度在舒适范围内的可穿戴热调节服装一直是一个具有挑战性的目标。目前两种热调节系统。被动系统包括辐射、相变和吸附热调节系统，而主动系统允许迅速冷却或加热人体。但是，目前的主动系统大多数需要复杂的机械压缩机或具有一些限制。发展一种全天、自给自足、双向热调节服装系统有着重要的意义。这个系统需要能够迅速响应各种复杂或快速的环境温度变化，并通过收集太阳能来实现全天候的热调节。

二、成果简介

为了舒适和安全，人体必须保持在一定的温度范围内。然而，在严苛的应用场景下，如全天候循环、寒冷的极地地区和太空旅行等，热调节服装面临一些挑战。为了解决这些问题，南开大学陈永胜研究团队开发了一种灵活而可持续的个人热调节服装系统，通过整合柔性有机光伏（OPV）模块直接从阳光中获取能量，以及双向电热效应（EC）装置。这种柔性的OPV-EC热调节服装（OETC）能够快速进行热调节，将人体的热舒适区从22°–28°C扩展到12.5°–37.6°C。EC装置具有低能耗和高效率，使得在12小时的阳光能输入下，系统可以实现24小时的可控双模热调节。该自给自足的可穿戴热调节平台具有简单的结构、紧凑的设计、高效率，并且在阳光作为唯一能源的情况下表现出强大的自适应性。

本研究J-V采用Enlitech产品进行测量。

三、结果与讨论

要点1：OETC系统在热和冷环境之间实现自主热调节

制造了一个大型柔性的OPV模块，厚度仅为180微米，作为OETC系统中的太阳能收集单元。整个柔性OPV模块的有效面积为25.2平方厘米，在标准大气质量1.5全球光照条件下，能够提供总电压为5.75伏特，光电转换效率为11.85%。

在OETC的热调节单元中，选择了具有大的熵变、在接近室温时具有大的绝热温度变化和良好的机械柔韧性的聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯（P(VDF-TrFE-CFE)）作为材料，制造了一个柔性的EC热调节装置，并展示其与刚性装置相同的热管理性能。

将这两个柔性单元集成在一起形成了OETC系统。在阳光下，OPV模块将太阳能高效转换为电能，直接驱动EC装置提供降温效果。多余的能量可以储存在附加的能量存储系统中，因为EC装置的低能耗。在没有阳光的情况下，OETC系统可以使用ESS提供的储能来维持体温，从而实现全天的运行。冷却模式和加热模式可以随时切换，以实现个体的热舒适度。

图1 OETC 系统在热和冷环境之间实现自主热调节

要点2：OETC系统在制冷/制热模式下的工作机制

作者展示了由一个OPV模块和两个EC单元组装而成的柔性OETC热调节系统的照片。这种紧凑的组装方式可以根据需要为人体提供有效的降温/加热。OETC系统在降温模式下的工作机制与由电源供电时相同，但在该系统中，它直接由OPV模块产生的电力驱动。

降温模式包括以下步骤：

（i）EC聚合物层的静电致动朝向顶部柔性传热层（作为具有大热容量的散热器）；（ii）通过在EC聚合物层上施加电场使EC聚合物层升温，从而热量从EC聚合物层传递到柔性传热层；

（iii）EC聚合物层的静电致动朝向底部人体皮肤（作为热源）；

（iv）通过去除电场使EC聚合物层冷却，从而热量从人体皮肤传递到EC聚合物层，实现一次皮肤降温。

对于升温模式，通过改变上述四个步骤的顺序（通过简单调整方波电压的相位），从而实现了热传递方向的改变。对应地，升温模式具有与降温模式相似的步骤，但具有相反的热传递效应。

电静力致动是一种通过调整EC装置的工作频率来控制热传输速度的简单而快速的方法。作者通过太阳模拟器在标准AM 1.5G（100 mW/cm2）下比较了OETC系统在不同频率下的温度跨度。尽管OETC系统可以在更高频率下运行，但能够提供最大温度跨度为2.9 K的频率是0.75赫兹（一个完整的周期约为1.33秒），部分原因是需要将热量从EC堆栈传递到人体皮肤和柔性传热层所需的时间。

图2柔性OETC系统的性能

要点3：OETC系统在不同工作场景下的温度跨度

该OETC热调节系统的温度跨度也可以通过光照强度的调整而轻松实现。随着光照强度的增加，柔性OPV模块可以达到更高的电压（功率），从而使EC装置的输入电压增加，从而提高OETC系统的热调节性能。作者在不同光照强度下（55、70和100 mW/cm2）测量了OETC系统的温度差（ΔT，实时温度与初始温度之间的差异），频率为0.75赫兹（图2C）。OETC系统在不同的光照强度下表现良好，当光照强度为标准AM 1.5G太阳光（100 mW/cm2）时，最大温度跨度可以达到2.9 K。

此外，作者还通过在中国天津（2022年8月3日）的晴空条件下进行的户外实验展示了OETC系统的室外热调节性能。尽管室外阳光强度随时间变化较大，但OETC系统仍然在不同的光照强度下展现出良好且稳定的热控制能力。当室外阳光强度与模拟的光照强度相同时，OETC系统表现出几乎相同的热控制效果。整个过程无需外部能源供应，实现了零能耗的自给自足热调节。

尽管以前为了实现文献中报道的有效热管理需要外部电源来为EC装置供电，作者证明了EC装置实际上可以直接通过集成的柔性OPV模块在现场获得电力。集成的装置展现出相同出色的性能，包括在相同电场下相同的温度差（ΔT）（图2D）。

要点4：OETC系统卓越的可持续性能与OPV-EC阵列的性能

作者比较了与EC装置相同尺寸的商业刚性TE装置在100 mW/cm2照射强度下，由柔性OPV模块供电的OETC系统的热调节性能。在相同的照射强度下，该OETC系统的温度跨度和热流分别为2.9 K和28.76 mW/cm2，而OPV-TE系统只有1.2 K的温度跨度和16.79 mW/cm2的热流。此外，作者还比较了与EC装置相同尺寸的钙钛矿光伏模块由OPV模块供电的OETC系统的热调节性能。与图2C中由OPV模块供电的EC装置的热管理性能相比，由钙钛矿光伏模块供电的EC装置显示了几乎相同的结果。同时，作者计算了不同照射强度下EC装置的能耗，结果显示在100 mW/cm2的照射强度下，EC装置的平均能耗仅为1.91 mW/cm2，由于其低能耗。

考虑到该OPV模块在标准AM 1.5G（100 mW/cm2）下的光电转换效率为11.85%，而EC装置的能耗仅为15.28 mW（1.91 mW/cm2 × 8 cm2 = 15.28 mW），一个简单的估算表明总发电量为298.58 mW（100 mW/cm2 × 11.85% × 25.2 cm2 = 298.58 mW）。因此，作者受益于EC装置低能耗（15.28 mW），多余的283.30 mW（298.58 mW − 15.28 mW = 283.30 mW）能量在理想条件下可以储存在ESS中。ESS中储存的多余能量可以在夜晚自动切换以供电整个系统，实现全天候热调节循环。此外，值得注意的是，在EC效应的去极化过程中也可以实现能量回收，从而进一步提高了OETC系统的效率。

EC装置具有良好的阵列协同性，一个尺寸为25.2 cm2的单个OPV模块具有足够的功率来同时驱动两个16 cm2的EC装置阵列。例如，在标准AM 1.5G（100 mW/cm2）下，这两个EC平行装置可以完全同步，都可以达到2.9 K的温度跨度，表现出其双向热调节性能。为了进一步扩展其在可穿戴热调节中的应用，作者还评估了由一个OPV模块驱动的四个平行EC阵列在100 mW/cm2照射强度下的性能。四个平行EC阵列可以同时实现双向可控的热调节，这表明该OETC系统具有在实际可穿戴热调节中所需的良好可扩展性。

要点5：OETC对人体的热调节性能

图3 OETC的可穿戴温度调节性能

为了展示OETC在满足人体热调节灵活需求方面的可穿戴性能，作者在弯曲状态下测量了OETC制冷和制热模式的稳定性能。在操作过程中，作者观察到OETC在平坦、弯曲和释放状态下的热调节性能变化微乎其微，展现了卓越的柔韧性。

作者进一步将柔性OETC应用于人体皮肤进行热调节。在100 mW/cm2的光照强度下，环境温度为26°C。柔性OETC将人体皮肤从36.8°降温到31.7°C，平均速率为6.1°C/min，实现了快速热调节。

人体必须保持在某一温度范围内（皮肤温度）以确保舒适和安全，但这个范围在个体之间存在差异。作者基于观察到的人体皮肤温度（32°到36°C）设置了一个舒适范围，要求环境温度范围在22°到28°C之间。直接在人体皮肤上测量了热调节性能，人手的初始温度为34.0°C，相应的环境温度为25.0°C（舒适区的中间点）。在标准AM 1.5G（100 mW/cm2）下，将皮肤移到低温环境（12.5°C），皮肤温度降至29.2°C，OETC制热模式开始工作，将皮肤温度升至32.0°C。相应地，当将皮肤移到较高温度环境（37.6°C）时，皮肤温度升至38.3°C。OETC制冷模式启动，将皮肤温度降至36.0°C。

因此，该OETC在环境温度在12.5°到37.6°C之间变化的情况下，保持人体皮肤温度在32.0°C和36.0°C之间的舒适范围。与裸露的人体皮肤相比（6 K的舒适温度范围），该OETC在这个模块大小和光照强度下将皮肤的舒适温度范围扩展了19.1 K。此外，在前5秒内，皮肤可以以最大速率升温15.6°C/min或降温14.0°C/min，实现快速热调节。当照射强度低于100 mW/cm2（75或90 mW/cm2）时，OETC系统仍具有双向热调节性能。在90 mW/cm2的光照强度下，OETC制热模式可以将皮肤温度从29.4°升至31.3°C，而OETC制冷模式可以将皮肤温度从38.3°降至36.5°C。这些温度仅略高于舒适范围。在光照强度为75 mW/cm2时，OETC系统仍可在制热模式下将皮肤温度从29.4°升至30.8°C，在制冷模式下将皮肤温度从38.3°降至37.2°C。裸露人造皮肤的舒适温度范围为23°到27°C（4.0 K）（46）；OETC将人造皮肤的舒适温度范围扩展了16.6 K。尽管在更严酷的环境中，OETC不能将人造皮肤的温度恢复到舒适区域，但它仍具有良好的热调节性能。通过改善OPV或EC单元的性能或效率，可以改进舒适区域。另外，OPV和EC单元的相对比例和大小也可以进一步优化。

要点6：OETC在室外的热调节性能及其在太空中的应用前景

在100 mW/cm2、26.0°C环境温度和0°C环境温度下，作者测量并比较了裸露人造皮肤、覆盖棉质服装的皮肤和覆盖OETC的皮肤的温度变化。在标准AM 1.5G（100 mW/cm2）照射下，26.0°C环境温度时，裸露皮肤和覆盖棉质服装的皮肤温度可以分别从34.0°C升至50.9°C和48.4°C。然而，覆盖OETC的人造皮肤的温度仅为40.8°C。OETC的制冷能力达到10.1 K，表现出出色的降温效果。此外，OETC还可以在0°C环境温度下通过使用ESS被驱动来加热皮肤。与裸露人造皮肤相比，覆盖OETC的人造皮肤的加热性能比覆盖棉质服装和裸露皮肤高3.2 K，显示了其卓越的加热能力。

利用太阳能进行的双向热调节使得OETC系统有望应用于传统宇航服，有助于降低总功耗。在个体太空旅行中，宇航服的理论面积约为1.85 m2。随着太阳电池性能的不断提升，包括柔性OPV模块在内，假设使用45%光电转换效率的太阳电池设备，作者估计提供全天候人体热调节所需的OPV模块面积仅为1.12 m2。作者认为未来可以在性能和实用性方面对OETC系统进行优化，以适应更严酷的环境。为提高OETC系统的热调节性能，EC装置的温度跨度可以增加。首先，在材料方面，双键修饰的P(VDF-TrFE-CFE)材料在118 MV/m下可以提供更大的温度变化，为7.8 K。其次，通过使用级联装置来优化设备，可增加4.8 K（双层）和8.7 K（四层级联）的温度跨度。最后，通过添加纳米填料来提高P(VDF-TrFE-CFE)的热导率或使用主动EC再生器进一步增加温度跨度，EC性能可以进一步提高。显然，需要进一步研究以基于本研究中演示的原型和概念开发实用产品。

图4 OETC与棉质服装相比的体温调节性能以及个人太空旅行的前景

四、小结

作者研发了一种先进的自供能可穿戴热调节系统，集成了柔性OPV模块和EC热调节单元，实现了高效的个性化热调节。其主动控制特性可用于根据人体需要进行快速制冷/制热双模热调节。此外，OETC通过快速热调节将热舒适区从6.0扩展到25.1 K，可确保在各种复杂和不稳定的环境中保障人体的安全和舒适。由于EC装置低能耗的优势，OETC可实现可控的全天候双模热调节。除此之外，OETC还具有结构简单紧凑、高效、强大的自适应性等突出特点。通过更多的优化，作者相信OETC在高端的热调节领域具有潜在应用，甚至能够在极端环境，如极地地区和个体太空漫步中，延长人类的生存能力。

五、参考文献

Ziyuan Wang et al., Self-sustaining personal all-day thermoregulatory clothing using only sunlight. Science 382,1291-1296(2023).

DOI:10.1126/science.adj3654

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