上海交通大学： 妙用磁力将太阳能热储存系统的储能速率提高107%

　　Magnetically-accelerated large-capacity solar-thermal energy storage within high-temperature phase-change materials

　　Peng Tao,* Chao Chang, Zhen Tong, Hua Bao, Chengyi Song, Jianbo Wu, Wen Shang and Tao Deng*

　　Energy Environ. Sci., 2019, Advance Article

　　DOI:  10.1039/C9EE00542K

　　太阳能是最重要的清洁能源之一，对于人类可谓“取之不尽，用之不竭”，很有希望帮助解决大量使用化石燃料带来的环境问题和能源危机。在各种形式的太阳能利用技术中，把太阳能转换为热能的技术已经非常成熟，以太阳能热水器为代表的工业化产品已经进入了千家万户。不过，在夜间以及阴雨天，这些依靠太阳能的产品就无法满足人们的需求了。为了解决这些问题，科学家们发展了太阳能热储存（solar-thermal energy storage, STES）技术，尤其是利用相变材料（phase change material, PCM）的潜热太阳能热储存技术。相比于低温相变材料（如有机石蜡），基于中高温相变材料（如熔融盐）的太阳能热储存技术有着更大的容量、更小的体积、更高的储能密度和更广泛的应用范围。然而，当前熔融盐储热材料的导热率一般较低，严重限制了储能系统内的热传递，储能速率低且容易造成局部过热。在熔融盐中加入一些高导热率的填料可以一定程度上解决问题，但是这一策略又会带来其他麻烦，比如反复加热-冷却循环中的相分离问题，以及填料加入带来的潜热储存容量的损失。

　　近日，上海交通大学邓涛教授、陶鹏副研究员等在Energy & Environmental Science 杂志报道了一种巧妙、简单的策略，可以显著加速熔融盐太阳能热储存系统的储能速率，同时完全不影响储存容量。在储能系统中，他们沿太阳光照射路径在熔融盐中设置了一个磁力驱动的可移动网状光热转换器来吸收太阳能，可以在不影响总容量的前提下将太阳能热储存系统的储能速率提高107%。这种磁加速的移动式储能策略还支持大面积的能量收集和批次化太阳能热储存，容易与各种现有热交换系统集成，有着广阔的应用前景。

图：磁加速的移动式熔融盐太阳能热储存系统

　　这种新策略对于磁力的妙用让人印象深刻。在太阳光照射下，磁性网状光热转换器可以有效地将太阳能转化为热能以熔化固态盐，并漂浮在液态熔融盐表面；在下方磁体的吸引下，这种磁性网状光热转换器的多孔结构使其可以快速通过液态熔融盐，并密切接触尚未熔化的固态盐；由于液态熔融盐高度透明，因此入射的太阳光子可以穿透液体区域并到达网状光热转换器的表面，进一步进行太阳光热转换，直至全部固态盐都完成相变。这时，只需将容器下方的磁体放到容器上方，就能把磁性网状光热转换器“吸”到起始位置，系统就可以进行放热过程，如此储热-放热反复循环。

　　这种磁性网状光热转换器结构并不复杂，制备起来也很简单。通过浸渍涂布法，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为粘合剂在磁性铁网基底上涂覆吸收太阳能的石墨纳米颗粒层，就得到了化学稳定性和热稳定性俱佳的磁性网状光热转换器。对于磁性网状光热转换器的表征结果可以看到，这种材料表面石墨-PDMS复合物沉积均匀，具有250 nm至2500 nm的大范围吸收，完全覆盖了太阳辐射光谱。而且，磁性网状光热转换器的孔径在储能性能中起关键作用。小孔径会增加表面积从而增加太阳能吸收，但这会阻碍网状光热转换器在熔融盐中运动；大孔径将有助于网状光热转换器的快速运动，但又会减少太阳能吸收。另外，由于PDMS涂层的疏水性和石墨纳米颗粒带来的表面粗糙度，所制备的网状光热转换器具有150度的静态水接触角，这种疏水表面涂层可有效地改善其抗腐蚀性能，提高化学稳定性。

图：磁性网状光热转换器及其表征

　　研究者随后通过实验验证了这种熔融盐太阳能热储存系统的性能。在能量密度为30 kW m-2的模拟聚光太阳光照下，熔融盐（60 wt% NaNO3和40 wt% KNO3）上放置磁性网状光热转换器，如果没有下方的磁铁，16分钟后只有约50%的盐熔化（加不加增加高导热率的泡沫铜填料差别不大）；而加上磁铁之后，在相同条件下，16分钟内无需泡沫铜所有盐都熔化成透明液体（下图b，从左到右）。此外，前者这种固定式储能过程中，光照区域温度最高可达约320 ℃（有泡沫铜的为约260 ℃），远高于后者这种移动式储能系统（约230 ℃），而且后者可以均匀加热整个熔融盐系统，避免了局部过热。数据分析表明，这种移动式储热系统的潜热太阳能热储存速率要比固定式高107%，而且对于整个系统的储存容量没有任何影响。反复多次储热-放热循环，对于磁性网状光热转换器以及熔融盐的热物理性质都没有明显改变。

图：磁加速移动式熔融盐太阳能热储存系统的实验室测试

　　研究者认为这种磁加速移动式储能策略可以用于大规模太阳能热储存，他们设想了两种方式：通过传送带进行批次化太阳能热储存（下图a/b），以及通过磁力移动磁性网状光热转换器进行大面积太阳能热储存（下图c/d）。而且，这种策略还能很方便地与现有热交换系统集成，用于供暖、水加热等等方面。

图：磁加速移动式熔融盐太阳能热储存系统的大规模应用

图：批次化太阳能热储存

　　邓涛教授团队通过使用磁力驱动的可移动网状光热转换器来吸收太阳能，在高温熔融盐相变材料中实现了快速太阳能热储存。与传统的固定式储能系统相比，这种移动式系统不仅使储能速率加倍，实现了均匀的温度分布，保留了100%潜热储存容量，同时也使得大面积和批次化太阳能热储存成为可能。与现有热交换系统相结合，可以直接释放储存的高温热能，加热生活热水或供暖，甚至用于工业，比如产生蒸汽以及发电。这一成果不仅为在高温相变材料和显热储存介质中快速、有效地进行太阳能热储存提供了新的方法，而且还考虑了规模化的可能性和相关问题，为未来的实际应用奠定了基础。