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上海交通大學巧用磁力將太陽能熱儲存系統的儲能速率提高107%
發布者:lzx | 來源:RSC英國皇家化學會 | 0評論 | 2802查看 | 2019-04-10 11:30:19    

太陽能是最重要的清潔能源之一,對于人類可謂“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境問題和能源危機。在各種形式的太陽能利用技術中,把太陽能轉換為熱能的技術已經非常成熟,以太陽能熱水器為代表的工業化產品已經進入了千家萬戶。不過,在夜間以及陰雨天,這些依靠太陽能的產品就無法滿足人們的需求了。


為了解決這些問題,科學家們發展了太陽能熱儲存(solar-thermal energy storage,STES)技術,尤其是利用相變材料(phase change material,PCM)的潛熱太陽能熱儲存技術。相比于低溫相變材料(如有機石蠟),基于中高溫相變材料(如熔融鹽)的太陽能熱儲存技術有著更大的容量、更小的體積、更高的儲能密度和更廣泛的應用范圍。


然而,當前熔融鹽儲熱材料的導熱率一般較低,嚴重限制了儲能系統內的熱傳遞,儲能速率低且容易造成局部過熱。在熔融鹽中加入一些高導熱率的填料可以一定程度上解決問題,但是這一策略又會帶來其他麻煩,比如反復加熱-冷卻循環中的相分離問題,以及填料加入帶來的潛熱儲存容量的損失。


近日,上海交通大學鄧濤教授、陶鵬副研究員等在Energy&Environmental Science雜志報道了一種巧妙、簡單的策略,可以顯著加速熔融鹽太陽能熱儲存系統的儲能速率,同時完全不影響儲存容量。在儲能系統中,他們沿太陽光照射路徑在熔融鹽中設置了一個磁力驅動的可移動網狀光熱轉換器來吸收太陽能,可以在不影響總容量的前提下將太陽能熱儲存系統的儲能速率提高107%。這種磁加速的移動式儲能策略還支持大面積的能量收集和批次化太陽能熱儲存,容易與各種現有熱交換系統集成,有著廣闊的應用前景。


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圖:磁加速的移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統


這種新策略對于磁力的妙用讓人印象深刻。在太陽光照射下,磁性網狀光熱轉換器可以有效地將太陽能轉化為熱能以熔化固態鹽,并漂浮在液態熔融鹽表面;在下方磁體的吸引下,這種磁性網狀光熱轉換器的多孔結構使其可以快速通過液態熔融鹽,并密切接觸尚未熔化的固態鹽;由于液態熔融鹽高度透明,因此入射的太陽光子可以穿透液體區域并到達網狀光熱轉換器的表面,進一步進行太陽光熱轉換,直至全部固態鹽都完成相變。這時,只需將容器下方的磁體放到容器上方,就能把磁性網狀光熱轉換器“吸”到起始位置,系統就可以進行放熱過程,如此儲熱-放熱反復循環。


這種磁性網狀光熱轉換器結構并不復雜,制備起來也很簡單。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基底上涂覆吸收太陽能的石墨納米顆粒層,就得到了化學穩定性和熱穩定性俱佳的磁性網狀光熱轉換器。對于磁性網狀光熱轉換器的表征結果可以看到,這種材料表面石墨-PDMS復合物沉積均勻,具有250nm至2500nm的大范圍吸收,完全覆蓋了太陽輻射光譜。


而且,磁性網狀光熱轉換器的孔徑在儲能性能中起關鍵作用。小孔徑會增加表面積從而增加太陽能吸收,但這會阻礙網狀光熱轉換器在熔融鹽中運動;大孔徑將有助于網狀光熱轉換器的快速運動,但又會減少太陽能吸收。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,所制備的網狀光熱轉換器具有150度的靜態水接觸角,這種疏水表面涂層可有效地改善其抗腐蝕性能,提高化學穩定性。


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圖:磁性網狀光熱轉換器及其表征


研究者隨后通過實驗驗證了這種熔融鹽太陽能熱儲存系統的性能。在能量密度為30kWm-2的模擬聚光太陽光照下,熔融鹽(60wt%NaNO3和40wt%KNO3)上放置磁性網狀光熱轉換器,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,前者這種固定式儲能過程中,光照區域溫度最高可達約320℃(有泡沫銅的為約260℃),遠高于后者這種移動式儲能系統(約230℃),而且后者可以均勻加熱整個熔融鹽系統,避免了局部過熱。數據分析表明,這種移動式儲熱系統的潛熱太陽能熱儲存速率要比固定式高107%,而且對于整個系統的儲存容量沒有任何影響。反復多次儲熱-放熱循環,對于磁性網狀光熱轉換器以及熔融鹽的熱物理性質都沒有明顯改變。


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圖:磁加速移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統的實驗室測試


研究者認為這種磁加速移動式儲能策略可以用于大規模太陽能熱儲存,他們設想了兩種方式:通過傳送帶進行批次化太陽能熱儲存(下圖a/b),以及通過磁力移動磁性網狀光熱轉換器進行大面積太陽能熱儲存(下圖c/d)。而且,這種策略還能很方便地與現有熱交換系統集成,用于供暖、水加熱等等方面。


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圖:磁加速移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統的大規模應用


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圖:批次化太陽能熱儲存


小結


鄧濤教授團隊通過使用磁力驅動的可移動網狀光熱轉換器來吸收太陽能,在高溫熔融鹽相變材料中實現了快速太陽能熱儲存。與傳統的固定式儲能系統相比,這種移動式系統不僅使儲能速率加倍,實現了均勻的溫度分布,保留了100%潛熱儲存容量,同時也使得大面積和批次化太陽能熱儲存成為可能。與現有熱交換系統相結合,可以直接釋放儲存的高溫熱能,加熱生活熱水或供暖,甚至用于工業,比如產生蒸汽以及發電。


這一成果不僅為在高溫相變材料和顯熱儲存介質中快速、有效地進行太陽能熱儲存提供了新的方法,而且還考慮了規模化的可能性和相關問題,為未來的實際應用奠定了基礎。

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