近日，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Applied Energy（IF=11.446）上在線發(fā)表了題為“High energy storage density titanium nitride-pentaerythritol solid–solid composite phase change materials for light-thermal-electric conversion”的研究論文【Applied Energy, 331(2023) 120377】論文是以我課題組研究生駱榮榮為第一作者，我課題組謝華清教授和于偉教授共同指導(dǎo)的成果。
1 成果簡(jiǎn)介
為了實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，如何有效利用太陽(yáng)能迫在眉睫。選擇相變材料（PCMs）作為儲(chǔ)能介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)實(shí)際利用的有效途徑，可以解決太陽(yáng)能的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性。固-固PCMs（SS-PCMs）由于其形狀穩(wěn)定、無(wú)相分離、無(wú)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的關(guān)注。在本文中，廉價(jià)的原材料季戊四醇（PE）被選為儲(chǔ)能介質(zhì)，具有局部表面等離子體效應(yīng)的氮化鈦（TiN）被用作光吸收劑和導(dǎo)熱填料。結(jié)果表明，0.2wt%的TiN-復(fù)合相變材料（CPCMs）的相變焓仍高達(dá)287.8J/g，保持了PE 96.06%的儲(chǔ)能密度，相變溫度為180℃左右，適用于太陽(yáng)能的中溫利用。此外，0.2wt%的TiN-CPCMs的熱導(dǎo)率提高了109.48%，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90.66%。同時(shí)，本文還提出了一種將熱電發(fā)電機(jī)（TEG）與SS-PCMs相結(jié)合的熱電采集器。TiN-CPCMs-TEG系統(tǒng)的平均最大功率比PE-TEG系統(tǒng)高59.26%。系統(tǒng)的總能量也增加了58.99%，這為太陽(yáng)能的中溫集熱工程應(yīng)用提供了一些思路。
圖2 圖文摘要
圖3. 系統(tǒng)測(cè)試及CPCMs的制備和過(guò)程機(jī)理
圖4. TiN和CPCMs的微觀表征
圖5. PE和CPCMs的XRD和紅外圖譜
圖6. PE和CPCMs的熱力學(xué)性能
圖7. 循環(huán)500次后PE和CPCMs的熱力學(xué)性能
圖8. PE和CPCMs的光熱性能
圖9. PE和CPCMs的熱導(dǎo)率、吸收?qǐng)D譜及綜合性能
圖10. PE和CPCMs的阻燃性
圖11. SS-PCM-TEG系統(tǒng)的示意圖。
圖12. 模擬過(guò)程中熱發(fā)電機(jī)的溫度、溫差及最大輸出功率
圖13. 溫度云圖
2 小 結(jié)
在這項(xiàng)工作中，TiN-CPCMs通過(guò)物理混合和蒸發(fā)結(jié)晶法制備出高效光熱轉(zhuǎn)換材料。它在中溫集熱工程應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。具體結(jié)論如下：TiN-CPCMs具有較高的儲(chǔ)能密度和相變焓值，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期可靠性。0.2wt%TiN-CPCMs的相變焓值仍高達(dá)287.8J/g，保持了PE的96.06%儲(chǔ)能密度。0.2 wt%的TiN-CPCMs的熱導(dǎo)率達(dá)到0.88 W/(m?K)，提高了109.48%，并且其光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90.66%。熱電采集器的模擬結(jié)果顯示，TiN-CPCMs-TEG系統(tǒng)的平均最大功率比PE-TEG系統(tǒng)高59.26%，系統(tǒng)總能量也增加了58.99%。