中國儲能網(wǎng)訊：近年來，中國科學院合肥智能機械研究所智能微納器件研究室王振洋研究員團隊在太陽能光熱轉換與熱能存儲利用方面取得系列新進展。
太陽能光熱應用是利用太陽能最簡單、最直接、最有效的途徑之一。然而，由于其到達地球后能量密度較小又不連續(xù)，因此，為大規(guī)模的開發(fā)利用帶來了困難。長期以來，如何將低品位的太陽能轉換成高品位的熱能，并對太陽能進行富集，以便最大限度地利用太陽能，成為研究者關心的問題，也一直是國際上十分關注的研究課題。王振洋團隊基于具有等離子體效應的納米顆粒，可以快速高效實現(xiàn)光熱轉換的特點，利用相變材料吸放熱的特色，結合金屬顆粒的等離子效應，將兩者有機結合，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換能力，同時又具有定溫、熱存儲與釋放功能。相關研究成果發(fā)表在工程技術類一區(qū)期刊（top期刊）《太陽能材料與太陽能電池》上（Solar Energy Materials and Solar Cells, DOI:10.1016/j.solmat.2017.02.017）。該材料優(yōu)異的光熱轉換性能，可以廣泛應用在光熱發(fā)電器件、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚的保溫等相關領域已申請相關國家專利（申請?zhí)枺?01610065137.4）。
此外，在可控儲放熱研究方面，要進行可控的熱存儲，必須先確保儲熱放熱功能的實現(xiàn)。目前最有前途的是利用相變材料從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)等過程中的熱焓值變化來實現(xiàn)相變儲熱。例如無機水合鹽材料，但循環(huán)使用過程中極易從水溶液中析出，導致相分離；同時，在凝固過程中也極易出現(xiàn)溫度低于凝固點卻不結晶等過冷現(xiàn)象，因此導致其儲放熱功能無法正常實現(xiàn)。王振洋團隊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散自由程的納米空間中，解決了相分離問題。同時，巨大的氧化硅界面也為無機鹽提供充足的形核質(zhì)點，在降溫過程中促進其結晶凝固，克服了過冷。這種納米限域復合體系具有良好的循環(huán)使用性能，即使循環(huán)100次以上也不會出現(xiàn)儲熱性能的衰減（J. Phys. Chem. C, 2011, 115:20061）。
在實現(xiàn)儲放熱功能的基礎上，實際應用時，還必須控制其何時儲熱，何時放熱，但純相變材料無法滿足。因此，王振洋團隊設計了芯殼結構的納米復合相變體系，通過調(diào)節(jié)界面相互作用，實現(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50oC，這是迄今為止所報道的最大降低幅度（Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2012, 98:66; RSC Adv., 2013, 3:22326）。另外，王振洋團隊將相變材料聚乙二醇（PEG）限域在氧化石墨烯的層間，通過改變層間距，實現(xiàn)了其凝固溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)。對相變儲熱而言，凝固對應于放熱，這為實現(xiàn)可控的放熱提供了可能（J. Mater. Chem., 2012, 22:20166）。
儲熱能力也是可控熱存儲實際應用時最重要的性能指標。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，王振洋團隊設計納米芯殼結構復合相變體系，通過在界面引入氫鍵網(wǎng)絡，在相變過程引入了氫鍵的形成與斷裂，進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%，有效提高了儲熱能力（J. Phys. Chem. C, 2013, 117:23412）。
最后，以廢熱富集、高效轉換利用為導向，通過器件的系統(tǒng)集成，研制了基于廢熱發(fā)電的熱電轉換器件。利用石墨烯（Graphene）平面單層結構便于電子快速傳輸從而提供良好的導熱性，綜合石墨烯良好的導熱性能和相變材料較高的相變潛熱，王振洋團隊通過高溫蒸發(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合材料，其中的石墨烯以三維網(wǎng)絡狀結構被組裝在相變材料聚乙二醇（PEG）基質(zhì)中，為材料進行快速熱傳導提供了良好的通路。另外，該團隊首次證明G-PEGs的熱收集和存儲并為熱電設備提供熱源的能力。G-PEGs提供熱流通過熱電設備快速發(fā)電，可以點亮LED燈珠（Nanoscale, 2015, 7:10950；RSC Adv., 2017, 7:10683）。該工作并被“Atlas of Science”網(wǎng)站以“不用電池來點亮小手電”(“Lighting up a flashlight without batteries”)為題進行了相關報道，引起了同行們關注（http://atlasofscience.org/lighting-up-a-flashlight/#more-3618）。
上述研究工作得到了國家自然科學基金和合肥物質(zhì)科學技術中心重要項目培育基金等項目的支持。
太陽能光熱轉換與熱能存儲利用研究
