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Applied Energy | 高储能密度固固相变材料用于中温太阳能光-热-电转换

近日,上海先进热功能材料工程技术研究中心的科研团队在国际知名期刊Applied Energy(IF=11.446)上在线发表了题为“High energy storage density titanium nitride-pentaerythritol solid–solid  composite phase change materials for light-thermal-electric conversion”的研究论文【Applied Energy, 331(2023) 120377】论文是以我课题组研究生骆荣荣为第一作者,我课题组谢华清教授和于伟教授共同指导的成果。


1 成果简介

  为了实现碳中和的目标,如何有效利用太阳能迫在眉睫。选择相变材料(PCMs)作为储能介质是实现实际利用的有效途径,可以解决太阳能的不连续性和不稳定性。固-固PCMs(SS-PCMs)由于其形状稳定、无相分离、无腐蚀性等优点,引起了人们的关注。在本文中,廉价的原材料季戊四醇(PE)被选为储能介质,具有局部表面等离子体效应的氮化钛(TiN)被用作光吸收剂和导热填料。结果表明,0.2wt%的TiN-复合相变材料(CPCMs)的相变焓仍高达287.8J/g,保持了PE 96.06%的储能密度,相变温度为180℃左右,适用于太阳能的中温利用。此外,0.2wt%的TiN-CPCMs的热导率提高了109.48%,光热转换效率高达90.66%。同时,本文还提出了一种将热电发电机(TEG)与SS-PCMs相结合的热电采集器。TiN-CPCMs-TEG系统的平均最大功率比PE-TEG系统高59.26%。系统的总能量也增加了58.99%,这为太阳能的中温集热工程应用提供了一些思路。

图2 图文摘要

图3. 系统测试及CPCMs的制备和过程机理

图4. TiN和CPCMs的微观表征

图5. PE和CPCMs的XRD和红外图谱

图6. PE和CPCMs的热力学性能

图7. 循环500次后PE和CPCMs的热力学性能

图8. PE和CPCMs的光热性能

图9. PE和CPCMs的热导率、吸收图谱及综合性能

图10. PE和CPCMs的阻燃性

图11. SS-PCM-TEG系统的示意图。

图12. 模拟过程中热发电机的温度、温差及最大输出功率

图13. 温度云图


2 小 结

在这项工作中,TiN-CPCMs通过物理混合和蒸发结晶法制备出高效光热转换材料。它在中温集热工程应用中显示出巨大的潜力。具体结论如下:TiN-CPCMs具有较高的储能密度和相变焓值,表现出良好的热稳定性和长期可靠性。0.2wt%TiN-CPCMs的相变焓值仍高达287.8J/g,保持了PE的96.06%储能密度。0.2 wt%的TiN-CPCMs的热导率达到0.88 W/(m?K),提高了109.48%,并且其光热转换效率达到90.66%。热电采集器的模拟结果显示,TiN-CPCMs-TEG系统的平均最大功率比PE-TEG系统高59.26%,系统总能量也增加了58.99%。