中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所智能微納器件研究室王振洋研究員團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲(chǔ)利用方面取得系列新進(jìn)展。
太陽(yáng)能光熱應(yīng)用是利用太陽(yáng)能最簡(jiǎn)單、最直接、最有效的途徑之一。然而，由于其到達(dá)地球后能量密度較小又不連續(xù)，因此，為大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)了困難。長(zhǎng)期以來(lái)，如何將低品位的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成高品位的熱能，并對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行富集，以便最大限度地利用太陽(yáng)能，成為研究者關(guān)心的問(wèn)題，也一直是國(guó)際上十分關(guān)注的研究課題。王振洋團(tuán)隊(duì)基于具有等離子體效應(yīng)的納米顆粒，可以快速高效實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，利用相變材料吸放熱的特色，結(jié)合金屬顆粒的等離子效應(yīng)，將兩者有機(jī)結(jié)合，制備出高透光率的薄膜材料。該薄膜材料既具有高效光熱轉(zhuǎn)換能力，同時(shí)又具有定溫、熱存儲(chǔ)與釋放功能。相關(guān)研究成果發(fā)表在工程技術(shù)類(lèi)一區(qū)期刊（top期刊）《太陽(yáng)能材料與太陽(yáng)能電池》上（Solar Energy Materials and Solar Cells, DOI:10.1016/j.solmat.2017.02.017）。該材料優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，可以廣泛應(yīng)用在光熱發(fā)電器件、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚的保溫等相關(guān)領(lǐng)域已申請(qǐng)相關(guān)國(guó)家專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?01610065137.4）。
此外，在可控儲(chǔ)放熱研究方面，要進(jìn)行可控的熱存儲(chǔ)，必須先確保儲(chǔ)熱放熱功能的實(shí)現(xiàn)。目前最有前途的是利用相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)等過(guò)程中的熱焓值變化來(lái)實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)熱。例如無(wú)機(jī)水合鹽材料，但循環(huán)使用過(guò)程中極易從水溶液中析出，導(dǎo)致相分離；同時(shí)，在凝固過(guò)程中也極易出現(xiàn)溫度低于凝固點(diǎn)卻不結(jié)晶等過(guò)冷現(xiàn)象，因此導(dǎo)致其儲(chǔ)放熱功能無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)。王振洋團(tuán)隊(duì)提出了納米界面限域的策略，將水合鹽限域在尺度小于水分子擴(kuò)散自由程的納米空間中，解決了相分離問(wèn)題。同時(shí)，巨大的氧化硅界面也為無(wú)機(jī)鹽提供充足的形核質(zhì)點(diǎn)，在降溫過(guò)程中促進(jìn)其結(jié)晶凝固，克服了過(guò)冷。這種納米限域復(fù)合體系具有良好的循環(huán)使用性能，即使循環(huán)100次以上也不會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)熱性能的衰減（J. Phys. Chem. C, 2011, 115:20061）。
在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)放熱功能的基礎(chǔ)上，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還必須控制其何時(shí)儲(chǔ)熱，何時(shí)放熱，但純相變材料無(wú)法滿(mǎn)足。因此，王振洋團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了芯殼結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合相變體系，通過(guò)調(diào)節(jié)界面相互作用，實(shí)現(xiàn)了棕櫚酸相變溫度的大幅度調(diào)節(jié)，最高降低溫度可達(dá)50oC，這是迄今為止所報(bào)道的最大降低幅度（Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2012, 98:66; RSC Adv., 2013, 3:22326）。另外，王振洋團(tuán)隊(duì)將相變材料聚乙二醇（PEG）限域在氧化石墨烯的層間，通過(guò)改變層間距，實(shí)現(xiàn)了其凝固溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)。對(duì)相變儲(chǔ)熱而言，凝固對(duì)應(yīng)于放熱，這為實(shí)現(xiàn)可控的放熱提供了可能（J. Mater. Chem., 2012, 22:20166）。
儲(chǔ)熱能力也是可控?zé)岽鎯?chǔ)實(shí)際應(yīng)用時(shí)最重要的性能指標(biāo)。納米尺度下，材料的熱容顯著降低，它的相變潛熱必然下降，因此，儲(chǔ)熱能力是降低的。因此，如何在納米尺度下提高材料的相變潛熱面臨著一大挑戰(zhàn)。為此，王振洋團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)納米芯殼結(jié)構(gòu)復(fù)合相變體系，通過(guò)在界面引入氫鍵網(wǎng)絡(luò)，在相變過(guò)程引入了氫鍵的形成與斷裂，進(jìn)而提高了相變熱焓值，與純相變材料相比，有效熱焓值從273J/g增加至374J/g，增加幅度為36.9%，有效提高了儲(chǔ)熱能力（J. Phys. Chem. C, 2013, 117:23412）。
最后，以廢熱富集、高效轉(zhuǎn)換利用為導(dǎo)向，通過(guò)器件的系統(tǒng)集成，研制了基于廢熱發(fā)電的熱電轉(zhuǎn)換器件。利用石墨烯（Graphene）平面單層結(jié)構(gòu)便于電子快速傳輸從而提供良好的導(dǎo)熱性，綜合石墨烯良好的導(dǎo)熱性能和相變材料較高的相變潛熱，王振洋團(tuán)隊(duì)通過(guò)高溫蒸發(fā)和室溫下空氣中干燥的方法合成了一種新穎石墨烯和相變材料的復(fù)合材料，其中的石墨烯以三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)被組裝在相變材料聚乙二醇（PEG）基質(zhì)中，為材料進(jìn)行快速熱傳導(dǎo)提供了良好的通路。另外，該團(tuán)隊(duì)首次證明G-PEGs的熱收集和存儲(chǔ)并為熱電設(shè)備提供熱源的能力。G-PEGs提供熱流通過(guò)熱電設(shè)備快速發(fā)電，可以點(diǎn)亮LED燈珠（Nanoscale, 2015, 7:10950；RSC Adv., 2017, 7:10683）。該工作并被“Atlas of Science”網(wǎng)站以“不用電池來(lái)點(diǎn)亮小手電”(“Lighting up a flashlight without batteries”)為題進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，引起了同行們關(guān)注（http://atlasofscience.org/lighting-up-a-flashlight/#more-3618）。
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心重要項(xiàng)目培育基金等項(xiàng)目的支持。
太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲(chǔ)利用研究
