Energy：基于三维定向膨胀石墨和高导热硬脂酸的太阳能热利用的能量收集和存储块

三维定向膨胀石墨在低含量下赋予复合相变材料高的储能容量、优异的热导率、光热转换、储放热性能

1.成果简介

由于有机固液相变材料具有高相变焓、稳定的相变温度、低成本和优异的物理化学性能，因此他们在建筑节能、电池热管理、光伏组件温度控制、光热利用和热能存储广泛应用。并且，基于有机固液相变材料的光热转换和存储技术，有望克服太阳能的间歇性和热能供需不匹配的问题，在太阳能应用中展现出巨大的前景。然而，固液相变过程中固有的低热导率（TC）和易泄漏限制了其广泛的实际应用。研究人员为提高有机固液相变材料的综合性能做出了许多努力。提高 PCMs 的TC 的主要方法是在 PCMs 中添加填料，碳基材料（碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨（EG）、泡沫碳)、金属泡沫和纳米颗粒。同时，部分TC填料还起到一定的防渗漏、吸收太阳光和作为支撑载体等作用。

基于有机固液相变材料（PCMs）的光热转换和存储在克服不连续太阳辐射方面显示出巨大的潜力。如何制造出具有良好光热转换、传热和储能性能的集成器件仍然是一个挑战。该研究通过压缩诱导石墨片自组装构建三维定向膨胀石墨（EG），然后加载硬脂酸（SA）形成定向PCM。在石墨质量分数和堆积密度相同的情况下，三维取向PCM的面内导热系数、热响应和储能密度均优于无取向PCM。当乙二醇含量为20%时，定向相变材料的导热系数比无定向相变材料高34.2%，潜热保持在159.36 J/g以上。作者进一步制备了储能砖，并协调了定向乙二醇垂直于铜管轴向的导热。储能砖的光热转换效率达到95.3%，充电和放电过程中的平均功率分别为2.1 kW和2.4 kW。太阳能储能装置的设计方法提高了PCMs的光热转换效率、热导率和储能能力，为大规模光热应用提供了一种简单、经济的策略。

2.图文信息

  图1. 图文简介

图2. 构建定向 3D 石墨骨架与 EG/SA 定向复合块的合成示意图

图3. 储能系统示意图

图4. (a) 原始 EG、(b) 3D 定向 EG、(c) PCM1 (S2) 和 (d) PCM2 (S8) 的 SEM 图像（SA 标记为蓝色）

图5. SA、EG、PCM1 (S2) 和 PCM2 (S8) 的 (a) XRD 光谱和 (b) FT-IR 光谱

图6. 纯 SA、PCM1 和 PCM2 的相变行为。(a) 纯 SA 和 S8 在加热和冷冻过程中的 DSC 曲线。(b) 纯 SA 和加热和冷冻过程中的 DSC 曲线。(c) 纯 SA、S2、S8 和 S10 的熔化和凝固潜热。(d) S2 在不同循环时间的潜热

图7.  PCM1 和 PCM2 在室温下的热传导特性。(a) PCM2的TC随EG含量的变化而变化(所有复合材料的堆积密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b) 不同堆积密度的 PCM1 和 PCM2 的 TC。(c) PCM1 和 PCM2 的 TC 机制。(d) 不同复合材料的TC和增强因子比较

图8. 不同样品的加热和冷却过程及表面温度的红外热图像

图9. 光热转换性能测试得到的不同样品的时间-温度曲线。(a) 样品光热转换性能实验装置示意图。(b) 从两个光热表面到复合块的传热示意图。(c) 两个光热表面和纯 SA 表面的全光谱吸收。阴影显示太阳辐射。(d) 在100 mW·cm-2 光强下，炭黑@3D表面和纯SA复合块内部的温度分布。(e) 在极端日照强度下，PCM1 和 PCM2 的内部温度分布。插图显示了其潜热存储时间。(f) 不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）储能砖的热性能。插图显示了它的能量存储时间

图10. (a) 储能砖传热过程示意图和 (b) 红外照片

图11.  (a) 和 (b) PCM1 在不同进水温度下的加热和冷却过程。(c) 和 (d) 在加热过程中特定进水温度下 ESB1 和 ESB2 的温度演变

3. 小结

该研究采用压缩诱导自组装方法构建了三维定向EG。负载SA后，获得了性能优异的三维定向EG/SA复合储能块和储能砖。

（1） 与非定向PCM相比，3D取向EG/SA复合能量收集块的面内热导率、热响应和储能密度都有所提高。当EG含量为20%时，储能块的TC为9.78 W/（m·K），相变潜热为159.36 J/g，分别比非定向PCM高34.2%和5.84%。

（2） 以三维定向EG/SA复合储能块为基础，制备了具有快速充电和散热性能的储能砖。最大蓄热和放热功率分别为2.2和2.6 kW。

（3） 储能砖表面的光吸收率约为94%。三维定向向PCM的光热转换效率达到95.3%。

（4） 在100 mW·cm-2的光照强度下，厚度为7 cm的储能砖可以在阳光照射约4小时后完成相变储能过程。

（5） 所制备的三维定向EG基储能砖具有良好的光热转换和储能释放性能，具有广阔的工业应用前景。

以上成果发表在Energy期刊（中科院一区，TOP期刊，IF 7.147）上，上海第二工业大学硕士研究生高欢为第一作者，上海第二工业大学能源与材料学院邴乃慈副教授和于伟教授为共同通讯作者。Title：Energy harvesting and storage blocks based on 3D

oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for

solar thermal application, Energy 254 (2022) 124198。