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太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)是(shi)最重要的(de)(de)清潔能(neng)(neng)源之一，對于人類可謂“取(qu)之不盡，用之不竭”，很有(you)希望(wang)幫助解決大量(liang)使(shi)用化石燃料帶來的(de)(de)環境問題和能(neng)(neng)源危機(ji)。在各種形式(shi)的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)利用技術(shu)中，把太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)轉換為熱(re)能(neng)(neng)的(de)(de)技術(shu)已經非常成熟，以太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)熱(re)水器(qi)為代(dai)表的(de)(de)工業(ye)化產品(pin)已經進(jin)入了千家萬(wan)戶。不過，在夜間(jian)以及陰雨天，這些依(yi)靠太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)的(de)(de)產品(pin)就無法滿足人們的(de)(de)需求了。

為了(le)解(jie)決這些(xie)問(wen)題，科(ke)學家們發展了(le)太陽(yang)(yang)能熱儲存(cun)（solar-thermal energy storage,STES）技術(shu)，尤(you)其是利用(yong)相變材(cai)料(liao)（phase change material,PCM）的(de)(de)(de)潛熱太陽(yang)(yang)能熱儲存(cun)技術(shu)。相比于(yu)低溫(wen)相變材(cai)料(liao)（如(ru)有(you)機石蠟），基于(yu)中高(gao)溫(wen)相變材(cai)料(liao)（如(ru)熔融鹽(yan)）的(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)能熱儲存(cun)技術(shu)有(you)著更大的(de)(de)(de)容量、更小的(de)(de)(de)體積、更高(gao)的(de)(de)(de)儲能密度和更廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)應用(yong)范圍。

然而，當(dang)前(qian)熔(rong)融(rong)鹽儲熱(re)(re)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)導熱(re)(re)率(lv)(lv)一(yi)般較(jiao)低(di)，嚴重限制了儲能(neng)系統內的(de)(de)(de)熱(re)(re)傳遞，儲能(neng)速率(lv)(lv)低(di)且容(rong)易(yi)造成局部過熱(re)(re)。在熔(rong)融(rong)鹽中(zhong)加(jia)入一(yi)些高導熱(re)(re)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)填料(liao)(liao)可以一(yi)定程度上解決問題(ti)，但是這一(yi)策略又會帶(dai)來其他麻煩，比(bi)如反復加(jia)熱(re)(re)-冷(leng)卻循環(huan)中(zhong)的(de)(de)(de)相(xiang)分離問題(ti)，以及填料(liao)(liao)加(jia)入帶(dai)來的(de)(de)(de)潛熱(re)(re)儲存容(rong)量的(de)(de)(de)損失(shi)。

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(zai)(zai)儲(chu)能(neng)系(xi)(xi)統(tong)中，他們沿太陽(yang)(yang)光(guang)照射路徑在(zai)(zai)熔融(rong)鹽(yan)中設置了一(yi)個磁(ci)力驅動(dong)的(de)(de)可移動(dong)網狀光(guang)熱(re)轉換器來吸收太陽(yang)(yang)能(neng)，可以在(zai)(zai)不影(ying)響(xiang)總容(rong)量(liang)的(de)(de)前提下將太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)儲(chu)存系(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)儲(chu)能(neng)速(su)率提高107%。這種(zhong)(zhong)磁(ci)加速(su)的(de)(de)移動(dong)式(shi)儲(chu)能(neng)策略還支持大面(mian)積的(de)(de)能(neng)量(liang)收集和(he)批(pi)次化(hua)太陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)儲(chu)存，容(rong)易與(yu)各種(zhong)(zhong)現(xian)有熱(re)交換系(xi)(xi)統(tong)集成，有著(zhu)廣闊的(de)(de)應用前景(jing)。

圖：磁(ci)加速的(de)移動式(shi)熔(rong)融鹽太(tai)陽能熱儲(chu)存系統

這種新策略對于(yu)磁力(li)的(de)(de)妙用讓人(ren)印象深刻(ke)。在太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)(guang)照射下，磁性網狀(zhuang)光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器可(ke)以(yi)(yi)有效地(di)將太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)化為熱(re)(re)(re)(re)能(neng)以(yi)(yi)熔化固態(tai)鹽，并(bing)漂(piao)浮在液態(tai)熔融(rong)鹽表面(mian)；在下方(fang)磁體的(de)(de)吸引(yin)下，這種磁性網狀(zhuang)光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器的(de)(de)多(duo)孔結構(gou)使其可(ke)以(yi)(yi)快速(su)通過(guo)液態(tai)熔融(rong)鹽，并(bing)密切接(jie)觸尚未熔化的(de)(de)固態(tai)鹽；由于(yu)液態(tai)熔融(rong)鹽高度(du)透明(ming)，因此(ci)入射的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)(guang)子可(ke)以(yi)(yi)穿透液體區(qu)域并(bing)到達網狀(zhuang)光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器的(de)(de)表面(mian)，進一(yi)步進行太(tai)陽(yang)(yang)光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)，直至全部固態(tai)鹽都完(wan)成相變。這時，只需將容(rong)(rong)器下方(fang)的(de)(de)磁體放(fang)到容(rong)(rong)器上方(fang)，就(jiu)能(neng)把(ba)磁性網狀(zhuang)光(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)器“吸”到起始位置，系(xi)統就(jiu)可(ke)以(yi)(yi)進行放(fang)熱(re)(re)(re)(re)過(guo)程，如此(ci)儲熱(re)(re)(re)(re)-放(fang)熱(re)(re)(re)(re)反復循環。

這(zhe)種磁(ci)性(xing)(xing)網狀光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)結構并不復雜，制備起來也很簡單。通過浸(jin)漬(zi)涂(tu)布法(fa)，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為粘(zhan)合劑在磁(ci)性(xing)(xing)鐵(tie)網基底上涂(tu)覆吸收太陽(yang)能的(de)(de)石墨納(na)米(mi)顆粒(li)層，就得到(dao)了化學穩(wen)(wen)定性(xing)(xing)和(he)熱(re)(re)穩(wen)(wen)定性(xing)(xing)俱佳的(de)(de)磁(ci)性(xing)(xing)網狀光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)。對于磁(ci)性(xing)(xing)網狀光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)的(de)(de)表征結果可(ke)以看到(dao)，這(zhe)種材(cai)料表面石墨-PDMS復合物沉積均(jun)勻，具有(you)250nm至(zhi)2500nm的(de)(de)大范圍吸收，完全覆蓋了太陽(yang)輻(fu)射光(guang)(guang)譜。

而(er)且，磁性(xing)(xing)網(wang)狀(zhuang)光熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)的(de)(de)孔(kong)(kong)徑在(zai)儲能(neng)性(xing)(xing)能(neng)中起關鍵作用。小孔(kong)(kong)徑會增加(jia)表(biao)面積從而(er)增加(jia)太陽能(neng)吸收，但這會阻礙網(wang)狀(zhuang)光熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)在(zai)熔融鹽中運(yun)動；大孔(kong)(kong)徑將有(you)助于網(wang)狀(zhuang)光熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)的(de)(de)快速運(yun)動，但又會減少(shao)太陽能(neng)吸收。另(ling)外，由于PDMS涂層的(de)(de)疏水(shui)性(xing)(xing)和石墨(mo)納米(mi)顆粒帶來(lai)的(de)(de)表(biao)面粗糙度(du)，所制備的(de)(de)網(wang)狀(zhuang)光熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)(huan)器(qi)(qi)具有(you)150度(du)的(de)(de)靜態水(shui)接觸角(jiao)，這種疏水(shui)表(biao)面涂層可(ke)有(you)效地改(gai)善其抗(kang)腐蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)，提高(gao)化學穩定(ding)性(xing)(xing)。

圖：磁性網狀光熱轉換(huan)器及(ji)其表征(zheng)

研究者(zhe)隨后(hou)通過實驗驗證了這(zhe)種(zhong)熔(rong)融(rong)鹽(yan)太陽能(neng)(neng)熱(re)(re)儲(chu)(chu)存(cun)系統的(de)(de)(de)性能(neng)(neng)。在能(neng)(neng)量密度為30kWm-2的(de)(de)(de)模(mo)擬聚(ju)光(guang)太陽光(guang)照下，熔(rong)融(rong)鹽(yan)（60wt%NaNO3和40wt%KNO3）上放(fang)置磁(ci)(ci)性網(wang)狀光(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)器，如果(guo)沒有(you)(you)下方的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)鐵，16分(fen)(fen)鐘后(hou)只(zhi)有(you)(you)約(yue)(yue)(yue)50%的(de)(de)(de)鹽(yan)熔(rong)化(hua)（加(jia)不加(jia)增加(jia)高(gao)(gao)導熱(re)(re)率(lv)的(de)(de)(de)泡(pao)沫(mo)銅(tong)填料差別不大）；而(er)加(jia)上磁(ci)(ci)鐵之后(hou)，在相同條件(jian)下，16分(fen)(fen)鐘內無需泡(pao)沫(mo)銅(tong)所有(you)(you)鹽(yan)都(dou)熔(rong)化(hua)成透明液體（下圖b，從左到(dao)右）。此外，前者(zhe)這(zhe)種(zhong)固(gu)定式儲(chu)(chu)能(neng)(neng)過程中，光(guang)照區域溫度最高(gao)(gao)可(ke)達約(yue)(yue)(yue)320℃（有(you)(you)泡(pao)沫(mo)銅(tong)的(de)(de)(de)為約(yue)(yue)(yue)260℃），遠高(gao)(gao)于(yu)后(hou)者(zhe)這(zhe)種(zhong)移動(dong)式儲(chu)(chu)能(neng)(neng)系統（約(yue)(yue)(yue)230℃），而(er)且(qie)后(hou)者(zhe)可(ke)以均(jun)勻加(jia)熱(re)(re)整(zheng)個(ge)熔(rong)融(rong)鹽(yan)系統，避(bi)免了局部過熱(re)(re)。數據分(fen)(fen)析表明，這(zhe)種(zhong)移動(dong)式儲(chu)(chu)熱(re)(re)系統的(de)(de)(de)潛熱(re)(re)太陽能(neng)(neng)熱(re)(re)儲(chu)(chu)存(cun)速率(lv)要比固(gu)定式高(gao)(gao)107%，而(er)且(qie)對于(yu)整(zheng)個(ge)系統的(de)(de)(de)儲(chu)(chu)存(cun)容量沒有(you)(you)任(ren)何影響(xiang)。反復多次儲(chu)(chu)熱(re)(re)-放(fang)熱(re)(re)循環，對于(yu)磁(ci)(ci)性網(wang)狀光(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換(huan)器以及熔(rong)融(rong)鹽(yan)的(de)(de)(de)熱(re)(re)物理性質都(dou)沒有(you)(you)明顯改(gai)變。

圖(tu)：磁加速移動式熔融鹽太陽(yang)能熱儲(chu)存系統(tong)的實驗室測試

研究者認(ren)為這種(zhong)磁(ci)(ci)加速移(yi)動式儲能(neng)(neng)(neng)策(ce)略(lve)可以用于大規模太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)儲存，他們設(she)想(xiang)了兩種(zhong)方式：通過傳(chuan)送帶進行批次化太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)儲存（下圖(tu)a/b），以及(ji)通過磁(ci)(ci)力移(yi)動磁(ci)(ci)性(xing)網狀光(guang)熱(re)轉換器進行大面(mian)積(ji)太(tai)陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)儲存（下圖(tu)c/d）。而且，這種(zhong)策(ce)略(lve)還能(neng)(neng)(neng)很(hen)方便地與(yu)現(xian)有熱(re)交(jiao)換系(xi)統(tong)集成，用于供暖、水加熱(re)等等方面(mian)。

圖：磁加(jia)速移動式熔融鹽(yan)太陽能(neng)熱儲存(cun)系(xi)統(tong)的大規模(mo)應(ying)用

圖：批次化太(tai)陽能熱儲存

小結

鄧(deng)濤教授團隊通過(guo)使(shi)用(yong)磁力驅(qu)動的可移動網狀光熱(re)轉換(huan)器(qi)來(lai)吸收太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)，在高溫(wen)熔融鹽相(xiang)變材料中實現(xian)了快速太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)熱(re)儲存(cun)。與傳統(tong)的固定式儲能(neng)系統(tong)相(xiang)比(bi)，這種移動式系統(tong)不(bu)僅使(shi)儲能(neng)速率加倍(bei)，實現(xian)了均勻的溫(wen)度分布，保留了100%潛(qian)熱(re)儲存(cun)容量，同時也使(shi)得大面積和批次(ci)化太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)熱(re)儲存(cun)成為可能(neng)。與現(xian)有熱(re)交(jiao)換(huan)系統(tong)相(xiang)結合，可以直接釋放儲存(cun)的高溫(wen)熱(re)能(neng)，加熱(re)生活熱(re)水或(huo)供暖，甚至用(yong)于(yu)工業，比(bi)如產生蒸汽(qi)以及發(fa)電(dian)。

這一(yi)成果不僅(jin)為(wei)在高溫相(xiang)變材料和(he)顯熱(re)儲存介質中快速(su)、有(you)效地進(jin)行太陽能(neng)熱(re)儲存提供了新的(de)方法，而且還考慮了規模化的(de)可能(neng)性和(he)相(xiang)關問題，為(wei)未來的(de)實際應用奠定(ding)了基(ji)礎。