合肥研究院在太陽能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲利用研究中取得進展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機械研究所智能微納器件研究室研究員王振洋團隊在太陽能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲利用方面取得新進展。

　　太陽能光熱應(yīng)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)，很難進行大規(guī)模的開發(fā)利用。長期以來，如何將低品位的太陽能轉(zhuǎn)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(guān)心的問題，也一直是國際上十分關(guān)注的研究課題。近期，王振洋團隊根據(jù)具有等離子體效應(yīng)的納米顆?？梢钥焖俑咝崿F(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換的特點，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，同時又具有定溫、熱存儲與釋放功能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《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(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，目前已申請相關(guān)國家專利。

　　近年來，王振洋團隊一直致力于太陽能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲利用方面的研究。例如，在可控儲放熱研究方面，為了確保儲熱放熱功能的實現(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(jié)晶凝固，克服了過冷。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(chǔ)上，還必須控制其何時儲熱、何時放熱。因此，王振洋團隊設(shè)計了芯殼結(jié)構(gòu)的納米復(fù)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）。王振洋團隊還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(yīng)于放熱，這為實現(xiàn)可控的放熱提供了可能（J. Mater. Chem., 2012, 22:20166）。針對可控?zé)岽鎯嶋H應(yīng)用時的儲熱能力問題，王振洋團隊設(shè)計納米芯殼結(jié)構(gòu)復(fù)合相變體系，通過在界面引入氫鍵網(wǎng)絡(luò)，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）。

　　此外，王振洋團隊以廢熱富集、高效轉(zhuǎn)換利用為導(dǎo)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(zhuǎn)換器件。科研人員通過高溫蒸發(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(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，為材料進行快速熱傳導(dǎo)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(shè)備提供熱源的能力。G-PEGs提供熱流通過熱電設(shè)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(guān)報道，引起了同行們關(guān)注。

　　上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和合肥物質(zhì)科學(xué)技術(shù)中心重要項目培育基金等的支持。

太陽能光熱轉(zhuǎn)換與熱能存儲利用研究