Energy：基于三維定向膨脹石墨和高導(dǎo)熱硬脂酸的太陽能熱利用的能量收集和存儲(chǔ)塊
三維定向膨脹石墨在低含量下賦予復(fù)合相變材料高的儲(chǔ)能容量、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、光熱轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)放熱性能
1.成果簡(jiǎn)介
由于有機(jī)固液相變材料具有高相變焓、穩(wěn)定的相變溫度、低成本和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，因此他們?cè)诮ㄖ?jié)能、電池?zé)峁芾怼⒐夥M件溫度控制、光熱利用和熱能存儲(chǔ)廣泛應(yīng)用。并且，基于有機(jī)固液相變材料的光熱轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)技術(shù)，有望克服太陽能的間歇性和熱能供需不匹配的問題，在太陽能應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的前景。然而，固液相變過程中固有的低熱導(dǎo)率（TC）和易泄漏限制了其廣泛的實(shí)際應(yīng)用。研究人員為提高有機(jī)固液相變材料的綜合性能做出了許多努力。提高 PCMs 的TC 的主要方法是在 PCMs 中添加填料，碳基材料（碳納米管、石墨烯、膨脹石墨（EG）、泡沫碳)、金屬泡沫和納米顆粒。同時(shí)，部分TC填料還起到一定的防滲漏、吸收太陽光和作為支撐載體等作用。
基于有機(jī)固液相變材料（PCMs）的光熱轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)在克服不連續(xù)太陽輻射方面顯示出巨大的潛力。如何制造出具有良好光熱轉(zhuǎn)換、傳熱和儲(chǔ)能性能的集成器件仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。該研究通過壓縮誘導(dǎo)石墨片自組裝構(gòu)建三維定向膨脹石墨（EG），然后加載硬脂酸（SA）形成定向PCM。在石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)和堆積密度相同的情況下，三維取向PCM的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)、熱響應(yīng)和儲(chǔ)能密度均優(yōu)于無取向PCM。當(dāng)乙二醇含量為20%時(shí)，定向相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)比無定向相變材料高34.2%，潛熱保持在159.36 J/g以上。作者進(jìn)一步制備了儲(chǔ)能磚，并協(xié)調(diào)了定向乙二醇垂直于銅管軸向的導(dǎo)熱。儲(chǔ)能磚的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.3%，充電和放電過程中的平均功率分別為2.1 kW和2.4 kW。太陽能儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)方法提高了PCMs的光熱轉(zhuǎn)換效率、熱導(dǎo)率和儲(chǔ)能能力，為大規(guī)模光熱應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的策略。
2.圖文信息
圖1. 圖文簡(jiǎn)介
圖2. 構(gòu)建定向 3D 石墨骨架與 EG/SA 定向復(fù)合塊的合成示意圖
圖3. 儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
圖4. (a) 原始 EG、(b) 3D 定向 EG、(c) PCM1 (S2) 和 (d) PCM2 (S8) 的 SEM 圖像（SA 標(biāo)記為藍(lán)色）
圖5. SA、EG、PCM1 (S2) 和 PCM2 (S8) 的 (a) XRD 光譜和 (b) FT-IR 光譜
圖6. 純 SA、PCM1 和 PCM2 的相變行為。(a) 純 SA 和 S8 在加熱和冷凍過程中的 DSC 曲線。(b) 純 SA 和加熱和冷凍過程中的 DSC 曲線。(c) 純 SA、S2、S8 和 S10 的熔化和凝固潛熱。(d) S2 在不同循環(huán)時(shí)間的潛熱
圖7. PCM1 和 PCM2 在室溫下的熱傳導(dǎo)特性。(a) PCM2的TC隨EG含量的變化而變化(所有復(fù)合材料的堆積密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b) 不同堆積密度的 PCM1 和 PCM2 的 TC。(c) PCM1 和 PCM2 的 TC 機(jī)制。(d) 不同復(fù)合材料的TC和增強(qiáng)因子比較
圖8. 不同樣品的加熱和冷卻過程及表面溫度的紅外熱圖像
圖9. 光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試得到的不同樣品的時(shí)間-溫度曲線。(a) 樣品光熱轉(zhuǎn)換性能實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(b) 從兩個(gè)光熱表面到復(fù)合塊的傳熱示意圖。(c) 兩個(gè)光熱表面和純 SA 表面的全光譜吸收。陰影顯示太陽輻射。(d) 在100 mW·cm-2 光強(qiáng)下，炭黑@3D表面和純SA復(fù)合塊內(nèi)部的溫度分布。(e) 在極端日照強(qiáng)度下，PCM1 和 PCM2 的內(nèi)部溫度分布。插圖顯示了其潛熱存儲(chǔ)時(shí)間。(f) 不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）儲(chǔ)能磚的熱性能。插圖顯示了它的能量存儲(chǔ)時(shí)間
圖10. (a) 儲(chǔ)能磚傳熱過程示意圖和 (b) 紅外照片
圖11. (a) 和 (b) PCM1 在不同進(jìn)水溫度下的加熱和冷卻過程。(c) 和 (d) 在加熱過程中特定進(jìn)水溫度下 ESB1 和 ESB2 的溫度演變
3. 小結(jié)
該研究采用壓縮誘導(dǎo)自組裝方法構(gòu)建了三維定向EG。負(fù)載SA后，獲得了性能優(yōu)異的三維定向EG/SA復(fù)合儲(chǔ)能塊和儲(chǔ)能磚。
（1） 與非定向PCM相比，3D取向EG/SA復(fù)合能量收集塊的面內(nèi)熱導(dǎo)率、熱響應(yīng)和儲(chǔ)能密度都有所提高。當(dāng)EG含量為20%時(shí)，儲(chǔ)能塊的TC為9.78 W/（m·K），相變潛熱為159.36 J/g，分別比非定向PCM高34.2%和5.84%。
（2） 以三維定向EG/SA復(fù)合儲(chǔ)能塊為基礎(chǔ)，制備了具有快速充電和散熱性能的儲(chǔ)能磚。最大蓄熱和放熱功率分別為2.2和2.6 kW。
（3） 儲(chǔ)能磚表面的光吸收率約為94%。三維定向向PCM的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.3%。
（4） 在100 mW·cm-2的光照強(qiáng)度下，厚度為7 cm的儲(chǔ)能磚可以在陽光照射約4小時(shí)后完成相變儲(chǔ)能過程。
（5） 所制備的三維定向EG基儲(chǔ)能磚具有良好的光熱轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能釋放性能，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
以上成果發(fā)表在Energy期刊（中科院一區(qū)，TOP期刊，IF 7.147）上，上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生高歡為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料學(xué)院邴乃慈副教授和于偉教授為共同通訊作者。Title：Energy harvesting and storage blocks based on 3D
oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for
solar thermal application, Energy 254 (2022) 124198。