泡沫金属/碳材料/相变复合体系的太阳能光热转换及热能存储

Direct absorption solar collectors (DASCs) with nanofluids are one of the most direct ways of utilizing solar energy, but they are restricted by instable and discontinuous characteristic of solar irradiation. Phase change materials cannot absorb visible light of solar energy, leading to poor photothermal conversion and heat storage efficiencies. Composite phase change systems with good photothermal conversion and heat storage properties provide feasible ways of solar energy utilization. However, microcapsules are the main form of the current systems, which exist problems such as low photothermal conversion efficiency, easy nanoparticles aggregation, slow heat release rate, vulnerable leaking phase change materials and etc. In order to overcome the above shortcomings, integrated systems with sunlight-harvesting, solar thermal conversion, thermal energy transport and storage are proposed in this project. Form-stable phase change materials with uniform distribution and stable performance are prepared by using carbon materials as effective solar energy capturers, solid-liquid phase change materials as energy storage molecules, foam metals as supports with high thermal conductivity. This work is also aimed to explore the key factors affecting the stability, compatibility, uniformity and durability of the phase change materials, to clarify the synergy mechanism among three properties of photothermal conversion, thermal energy storage and thermal conductivity. This project not only realizes the absorption and storage of solar energy, but also enhances heat release efficiency. It can provide experimental support and theoretical basis for high efficient utilization of solar energy.

纳米流体直接吸收式集热器是实现太阳能利用最直接的途径之一，但受到太阳辐射不稳定和不连续的限制。相变材料在太阳能利用中不能吸收可见光，导致光热转换与储热效果差。兼具光热转换和热能存储的复合相变体系能够实现太阳光的光热转换和热能存储，但目前该体系主要采用微胶囊形式，存在光热转换效率低、纳米颗粒易沉降、蓄放热速度慢、相变材料易泄露等问题，为了克服上述不足，本项目提出了“太阳能捕获、光热转换、热能输运及存储”的一体化设计思路。该体系中，碳材料为太阳能光热转换介质，相变材料为储能分子，泡沫金属为高导热支撑材料，从而构筑不易渗漏、分布均匀和性能稳定的复合型定形相变材料。本项目将重点研究影响相变材料稳定性、相容性、均匀性和耐久性的关键因素，阐明复合型定形相变材料的光热转换、储热和导热性能间的协同作用机制。本项目不仅实现太阳能的吸收与存储，而且提升蓄放热效率，为实现太阳能的高效利用提供实验支持与理论依据

能源危机已经成为人类重要难题，对太阳能这类无污染的一次能源的利用已经成为发展趋势。而太阳光到达地球表面的太阳辐射能密度低，受季节、气候、时间及纬度等自然条件变化而变动，且具有稀薄、非连续和不稳定性等缺点，难以被现有的储存材料及装置直接吸收利用，因此需要额外光捕集和光热转换材料或者装置。近年来，用于热能储存系统的相变材料受到越来越广泛关注，相变储存系统可以提供高储存容量和等温行为，但复合相变材料的广泛应用受到较低热导率的限制。为了克服这一限制，将高导热填料铜泡沫加入相变材料中能有效改善相变材料的导热性能。铜泡沫复合相变材料由铜泡沫作为载体，氧化石墨烯和还原的氧化石墨烯作为表面改性剂，石蜡和聚乙二醇10000作为有机相变材料复合组成。表面改性剂改性的铜泡沫为吸附相变材料提供了大量的活性位点，复合相变材料形态稳定且不易泄漏。当太阳辐照强度为1000 W∙m−2时，复合相变材料的表面温度在200 s内迅速升至70°C。与纯相变材料相比，铜泡沫/还原氧化石墨烯/石蜡的导热率提高了300％，潜热焓为111.53J/g，光热转化效率高达86.68％。此外，金属有机框架（MOFs）具有丰富的孔结构、高比表面积等优点，将MOFs材料与载体材料进行复合可以改善载体的功能性和界面相容性。通过原位生长的制备方法得到了铜泡沫基MOF材料，MOF颗粒为相变材料的吸附提供了可控的形貌结构。MOF基复合相变材料改善了纯相变材料导热性能、减少了相变材料的泄漏、强化了复合材料的光学吸收且提高复合材料的热能存储效率和总热能。本项目不仅为轻松制备高性能复合相变材料提供了一种新途径，而且还整合了太阳能利用的各个过程，实现了多孔铜基复合相变材料“太阳能采集、光热转换、热能输运及贮存”的一体化设计思路。