文章链接:https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112025
基于相变材料的潜热储热技术,利用相态转变过程中热能的存储和释放,可以有效弥合太阳能能源在空间、时间上的供需不平衡,对于推动太阳能能源利用方式的变革具有重要战略意义。当前,相变材料在固-液相变过程中的泄漏问题和光吸收能力的不足成为了太阳能储能领域的难题。
本文以棒状纤维结构的凹凸棒土(ATP)为模板,葡萄糖为碳源,利用黏土矿物独特的形貌结构和表面活性,合成了具有丰富吸光结构和高比表面积的新型纳米多孔碳(NPC)。并与硬脂酸(SA)复合制备具有稳定形态的复合相变材料FSPCMs,有效解决了相变储能技术在太阳能储能领域的缺陷。FSPCMs具有极高的SA负载能力(70.5~76.5%)和储热密度(160.7~166.5 J/g)。同时,随着碳化温度的升高,NPC中的碳缺陷位点增加,这些碳缺陷位点形成的捕光结构可以有效增强光的内部反射,从而赋予FSPCMs超高的光热转换效率(高达94.5%)。此外,为探索该新型复合材料在太阳能储能领域的实际应用意义,利用FSPCMs制备了一种水基太阳能加热涂层,该涂层能在阳光下有效加热水,并在无阳光下,使水温仍可以保持21.7 min的舒适温度。
研究成果
1、光缺陷纳米多孔骨架的设计
a)构建纳米尺度的孔道结构具有强大的限域效应,以此为目标,利用凹凸棒石纳米棒状纤维的独特形貌,通过模板去除法合成了具有极大比表面积(~987.18 m2/g)和纳米尺度孔径分布(~6.00 nm)的管状多孔碳(图1a所示)。
图1 (a) NPC800、(b) NPC900和(c)
NPC1000的TEM图;(d) NPC800、(e)
NPC900和(f)
NPC1000的SEM图;(g) NPC800、(h)
NPC900和(i)
NPC1000的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布。
b)为了增强纳米多孔碳的光吸收能力,通过改变其碳化温度,覆盖在凹凸棒石表面的非晶态碳脱落,使得多孔碳形貌从从管状堆叠结构转变为管-片层堆叠结构,形成了更加致密的光缺陷位点,光吸收能力大大提升,图2阐明了纳米多孔碳光吸收能力增强的机理。
图2 纳米多孔碳光吸收能力增强机理图
2、高性能形状稳定的复合相变材料(FSPCMs)的制备
a)将硬脂酸通过真空浸渍法吸附到纳米多孔碳的孔隙中,通过纳米孔隙的静电吸附作用,可以有效地防止硬脂酸在固-液相变过程中的泄漏,从图3可以看出,复合后的FSPCMs可以保证在高于SA熔化温度下40min不发生任何泄漏, 这说明了FSPCMs在热能储存和转换方面具有良好的形状稳定性。
图3 SA和FSPCMs在高于SA熔化温度加热时的数字照片
b)通过差示扫描量热法(DSC)评估FSPCMs的热物性能,FSPCMs在熔化和冻结过程的潜热分别为160.5~166.4 J/g和为160.8~166.6 J/g,具有良好的热能储存效率。同时,纳米多孔碳为硬脂酸提供了足够的非均相成核位点,这使得FSPCMs过冷度大大降低,从而保障了FSPCMs的热稳定性能。
图4 SA和FSPCMs的热物性能图
c)通过快速热循环实验评估了FSPCMs的热可靠性,FSPCMs经过200次加热/冷却循环后,仍保持较高的熔化焓和凝固焓,说明制备的NPC支撑材料孔隙结构合适,表面力强,能有效防止SA的泄漏。因此,所制备的复合FSPCMs在长期储能方面具有良好的应用前景。
图5 (a) SA/NPC800、(b) SA/NPC900和(c) SA/NPC1000热循环前后的DSC曲线图;(d)FSPCMs热循环前后的热性能
d)由于多孔纳米碳优异的光吸收能力,以多孔纳米碳为支撑材料的FSPCMs可通过光热转换实现热能转换和存储。通过光热转换计算公式得出,SA/NPC1000的光热转换效率高达94.5%,说明由凹凸棒石为模板制备的多孔碳由于独特的孔隙结构导致光子的吸收增强,进而通过电子-声子耦合提高温度,使得光-热转换能力提升。
图6 (a)光热转换系统实验装置;(b)复合FSPCMs光热转换效率曲线;(c)不同辐照强度下Δt的测定;(d)
SA、NPC1000和SA/NPC1000的UV-Vis-NIR吸收光谱
3、复合相变材料在新型太阳能热水系统中的应用
本文最后探讨了复合FSPCMs作为集热器在新型太阳能热水系统中的应用,以SA/NPC1000和水基浆料为原料制备了一种太阳能加热涂层(SA/NPC1000涂层),该涂层能在阳光下有效加热水,使其达到皮肤适宜的热水温度。在无阳光照射的情况下,涂SA/NPC1000可使水保持舒适温度21.7 min,比未涂SA/NPC1000时延长6.0 min。因此,SA/NPC表现出优越的综合性能,是各种太阳能收集和存储应用的理想选择。
图7 (a)试验系统原理图;(b)
SA/NPC1000涂层中复合FSPCMs的机理图;无涂层、NPC1000涂层和SA/NPC1000涂层在光照射下的加热曲线(c)和停止照射后的冷却曲线(d)
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