太陽能是最重要的清潔能源之一，對(duì)于人類可謂“取之不盡，用之不竭”，很有希望幫助解決大量使用化石燃料帶來的環(huán)境問題和能源危機(jī)。在各種形式的太陽能利用技術(shù)中，把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，以太陽能熱水器為代表的工業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶。不過，在夜間以及陰雨天，這些依靠太陽能的產(chǎn)品就無法滿足人們的需求了。為了解決這些問題，科學(xué)家們發(fā)展了太陽能熱儲(chǔ)存（solar-thermal energy storage, STES）技術(shù)，尤其是利用相變材料（phase change material, PCM）的潛熱太陽能熱儲(chǔ)存技術(shù)。相比于低溫相變材料（如有機(jī)石蠟），基于中高溫相變材料（如熔融鹽）的太陽能熱儲(chǔ)存技術(shù)有著更大的容量、更小的體積、更高的儲(chǔ)能密度和更廣泛的應(yīng)用范圍。然而，當(dāng)前熔融鹽儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱率一般較低，嚴(yán)重限制了儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的熱傳遞，儲(chǔ)能速率低且容易造成局部過熱。在熔融鹽中加入一些高導(dǎo)熱率的填料可以一定程度上解決問題，但是這一策略又會(huì)帶來其他麻煩，比如反復(fù)加熱-冷卻循環(huán)中的相分離問題，以及填料加入帶來的潛熱儲(chǔ)存容量的損失。
  近日，上海交通大學(xué)鄧濤教授、陶鵬副研究員等在Energy & Environmental Science 雜志報(bào)道了一種巧妙、簡(jiǎn)單的策略，可以顯著加速熔融鹽太陽能熱儲(chǔ)存系統(tǒng)的儲(chǔ)能速率，同時(shí)完全不影響儲(chǔ)存容量。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，他們沿太陽光照射路徑在熔融鹽中設(shè)置了一個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器來吸收太陽能，可以在不影響總?cè)萘康那疤嵯聦⑻柲軣醿?chǔ)存系統(tǒng)的儲(chǔ)能速率提高107%。這種磁加速的移動(dòng)式儲(chǔ)能策略還支持大面積的能量收集和批次化太陽能熱儲(chǔ)存，容易與各種現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)集成，有著廣闊的應(yīng)用前景。
  磁加速的移動(dòng)式熔融鹽太陽能熱儲(chǔ)存系統(tǒng)。來源：Energy Environ. Sci.
  這種新策略對(duì)于磁力的妙用讓人印象深刻。在太陽光照射下，磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能以熔化固態(tài)鹽，并漂浮在液態(tài)熔融鹽表面；在下方磁體的吸引下，這種磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的多孔結(jié)構(gòu)使其可以快速通過液態(tài)熔融鹽，并密切接觸尚未熔化的固態(tài)鹽；由于液態(tài)熔融鹽高度透明，因此入射的太陽光子可以穿透液體區(qū)域并到達(dá)網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的表面，進(jìn)一步進(jìn)行太陽光熱轉(zhuǎn)換，直至全部固態(tài)鹽都完成相變。這時(shí)，只需將容器下方的磁體放到容器上方，就能把磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器“吸”到起始位置，系統(tǒng)就可以進(jìn)行放熱過程，如此儲(chǔ)熱-放熱反復(fù)循環(huán)。
  這種磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，制備起來也很簡(jiǎn)單。通過浸漬涂布法，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為粘合劑在磁性鐵網(wǎng)基底上涂覆吸收太陽能的石墨納米顆粒層，就得到了化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性俱佳的磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器。對(duì)于磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的表征結(jié)果可以看到，這種材料表面石墨-PDMS復(fù)合物沉積均勻，具有250 nm至2500 nm的大范圍吸收，完全覆蓋了太陽輻射光譜。而且，磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的孔徑在儲(chǔ)能性能中起關(guān)鍵作用。小孔徑會(huì)增加表面積從而增加太陽能吸收，但這會(huì)阻礙網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器在熔融鹽中運(yùn)動(dòng)；大孔徑將有助于網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的快速運(yùn)動(dòng)，但又會(huì)減少太陽能吸收。另外，由于PDMS涂層的疏水性和石墨納米顆粒帶來的表面粗糙度，所制備的網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器具有150度的靜態(tài)水接觸角，這種疏水表面涂層可有效地改善其抗腐蝕性能，提高化學(xué)穩(wěn)定性。
  磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器及其表征。來源：Energy Environ. Sci.
  研究者隨后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種熔融鹽太陽能熱儲(chǔ)存系統(tǒng)的性能。在能量密度為30 kW m-2的模擬聚光太陽光照下，熔融鹽（60 wt% NaNO3和40 wt% KNO3）上放置磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器，如果沒有下方的磁鐵，16分鐘后只有約50%的鹽熔化（加不加增加高導(dǎo)熱率的泡沫銅填料差別不大）；而加上磁鐵之后，在相同條件下，16分鐘內(nèi)無需泡沫銅所有鹽都熔化成透明液體（下圖b，從左到右）。此外，前者這種固定式儲(chǔ)能過程中，光照區(qū)域溫度最高可達(dá)約320 ℃（有泡沫銅的為約260 ℃），遠(yuǎn)高于后者這種移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)（約230 ℃），而且后者可以均勻加熱整個(gè)熔融鹽系統(tǒng)，避免了局部過熱。數(shù)據(jù)分析表明，這種移動(dòng)式儲(chǔ)熱系統(tǒng)的潛熱太陽能熱儲(chǔ)存速率要比固定式高107%，而且對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)存容量沒有任何影響。反復(fù)多次儲(chǔ)熱-放熱循環(huán)，對(duì)于磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器以及熔融鹽的熱物理性質(zhì)都沒有明顯改變。
  磁加速移動(dòng)式熔融鹽太陽能熱儲(chǔ)存系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。來源：Energy Environ. Sci.
  研究者認(rèn)為這種磁加速移動(dòng)式儲(chǔ)能策略可以用于大規(guī)模太陽能熱儲(chǔ)存，他們?cè)O(shè)想了兩種方式：通過傳送帶進(jìn)行批次化太陽能熱儲(chǔ)存（下圖a/b），以及通過磁力移動(dòng)磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器進(jìn)行大面積太陽能熱儲(chǔ)存（下圖c/d）。而且，這種策略還能很方便地與現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)集成，用于供暖、水加熱等等方面。
  磁加速移動(dòng)式熔融鹽太陽能熱儲(chǔ)存系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。來源：Energy Environ. Sci.
  批次化太陽能熱儲(chǔ)存。來源：Energy Environ. Sci.
  小結(jié)
  鄧濤教授團(tuán)隊(duì)通過使用磁力驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器來吸收太陽能，在高溫熔融鹽相變材料中實(shí)現(xiàn)了快速太陽能熱儲(chǔ)存。與傳統(tǒng)的固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，這種移動(dòng)式系統(tǒng)不僅使儲(chǔ)能速率加倍，實(shí)現(xiàn)了均勻的溫度分布，保留了100%潛熱儲(chǔ)存容量，同時(shí)也使得大面積和批次化太陽能熱儲(chǔ)存成為可能。與現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)相結(jié)合，可以直接釋放儲(chǔ)存的高溫?zé)崮?，加熱生活熱水或供暖，甚至用于工業(yè)，比如產(chǎn)生蒸汽以及發(fā)電。這一成果不僅為在高溫相變材料和顯熱儲(chǔ)存介質(zhì)中快速、有效地進(jìn)行太陽能熱儲(chǔ)存提供了新的方法，而且還考慮了規(guī)?；目赡苄院拖嚓P(guān)問題，為未來的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
轉(zhuǎn)載：焰君