研究 | 适用于太阳能热应用的高导热3D定向膨胀石墨和硬脂酸能量收集和存储块
发布者:admin | 来源:Energy,热质纳能 | 0评论 | 1072查看 | 2022-05-17 15:31:04    

研究背景:


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 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。



上海第二工业大学邴乃慈副教授和于伟教授合作,以“Energy harvesting and storage blocks based 3D oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for solar thermal application”为题在《Energy》期刊(IF=7.147)发表研究性文章。


研究内容:


有机固液相变材料(PCM)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。然而考虑到制造出色的光热转换、传热和能量存储的集成设备仍然是一个挑战。


文中,作者通过压缩诱导石墨片自组装构建3D取向膨胀石墨(EG),然后加载硬脂酸(SA)以形成取向PCM。在相同的石墨质量分数和填充密度下,3D PCM的面内热导率、热响应和储能密度优于非取向PCM。


当石墨含量为20wt%时,定向相变材料的热导率比非定向相变材料高34.2%,潜热保持在159.36 J/g以上。


我们进一步制备了储能砖,并协调定向EG垂直于铜管轴向的热传导。储能砖的光热能转换效率达到95.3%,充放电过程平均功率分别为2.1 kW和2.4 kW。该太阳能储能装置的设计方法提高了PCMs的光热转换、储能效率,为大规模光热应用提供了一种简单且经济的策略。


研究结果:


图1.构建定向3D石墨骨架与EG/SA定向复合块的合成示意图。


图2.储能系统示意图。


图3.(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4.SA、EG、PCM1(S2)和PCM2(S8)的(a)XRD光谱和(b)FT-IR光谱。


图5.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6.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7.不同样品的加热和冷却过程及表面温度的红外热图像。


图8.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。Journal Pre-proof 21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9.(a)储能砖传热过程示意图和(b)红外照片。


图10.(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。


来源|Energy,热质纳能原文|https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124198

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