Energy：基于三維定向膨脹石墨和高導熱硬脂酸的太陽能熱利用的能量收集和存儲塊
三維定向膨脹石墨在低含量下賦予復合相變材料高的儲能容量、優異的熱導率、光熱轉換、儲放熱性能
1.成果簡介
由于有機固液相變材料具有高相變焓、穩定的相變溫度、低成本和優異的物理化學性能，因此他們在建筑節能、電池熱管理、光伏組件溫度控制、光熱利用和熱能存儲廣泛應用。并且，基于有機固液相變材料的光熱轉換和存儲技術，有望克服太陽能的間歇性和熱能供需不匹配的問題，在太陽能應用中展現出巨大的前景。然而，固液相變過程中固有的低熱導率（TC）和易泄漏限制了其廣泛的實際應用。研究人員為提高有機固液相變材料的綜合性能做出了許多努力。提高 PCMs 的TC 的主要方法是在 PCMs 中添加填料，碳基材料（碳納米管、石墨烯、膨脹石墨（EG）、泡沫碳)、金屬泡沫和納米顆粒。同時，部分TC填料還起到一定的防滲漏、吸收太陽光和作為支撐載體等作用。
基于有機固液相變材料（PCMs）的光熱轉換和存儲在克服不連續太陽輻射方面顯示出巨大的潛力。如何制造出具有良好光熱轉換、傳熱和儲能性能的集成器件仍然是一個挑戰。該研究通過壓縮誘導石墨片自組裝構建三維定向膨脹石墨（EG），然后加載硬脂酸（SA）形成定向PCM。在石墨質量分數和堆積密度相同的情況下，三維取向PCM的面內導熱系數、熱響應和儲能密度均優于無取向PCM。當乙二醇含量為20%時，定向相變材料的導熱系數比無定向相變材料高34.2%，潛熱保持在159.36 J/g以上。作者進一步制備了儲能磚，并協調了定向乙二醇垂直于銅管軸向的導熱。儲能磚的光熱轉換效率達到95.3%，充電和放電過程中的平均功率分別為2.1 kW和2.4 kW。太陽能儲能裝置的設計方法提高了PCMs的光熱轉換效率、熱導率和儲能能力，為大規模光熱應用提供了一種簡單、經濟的策略。
2.圖文信息
圖1. 圖文簡介
圖2. 構建定向 3D 石墨骨架與 EG/SA 定向復合塊的合成示意圖
圖3. 儲能系統示意圖
圖4. (a) 原始 EG、(b) 3D 定向 EG、(c) PCM1 (S2) 和 (d) PCM2 (S8) 的 SEM 圖像（SA 標記為藍色）
圖5. SA、EG、PCM1 (S2) 和 PCM2 (S8) 的 (a) XRD 光譜和 (b) FT-IR 光譜
圖6. 純 SA、PCM1 和 PCM2 的相變行為。(a) 純 SA 和 S8 在加熱和冷凍過程中的 DSC 曲線。(b) 純 SA 和加熱和冷凍過程中的 DSC 曲線。(c) 純 SA、S2、S8 和 S10 的熔化和凝固潛熱。(d) S2 在不同循環時間的潛熱
圖7. PCM1 和 PCM2 在室溫下的熱傳導特性。(a) PCM2的TC隨EG含量的變化而變化(所有復合材料的堆積密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b) 不同堆積密度的 PCM1 和 PCM2 的 TC。(c) PCM1 和 PCM2 的 TC 機制。(d) 不同復合材料的TC和增強因子比較
圖8. 不同樣品的加熱和冷卻過程及表面溫度的紅外熱圖像
圖9. 光熱轉換性能測試得到的不同樣品的時間-溫度曲線。(a) 樣品光熱轉換性能實驗裝置示意圖。(b) 從兩個光熱表面到復合塊的傳熱示意圖。(c) 兩個光熱表面和純 SA 表面的全光譜吸收。陰影顯示太陽輻射。(d) 在100 mW·cm-2 光強下，炭黑@3D表面和純SA復合塊內部的溫度分布。(e) 在極端日照強度下，PCM1 和 PCM2 的內部溫度分布。插圖顯示了其潛熱存儲時間。(f) 不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）儲能磚的熱性能。插圖顯示了它的能量存儲時間
圖10. (a) 儲能磚傳熱過程示意圖和 (b) 紅外照片
圖11. (a) 和 (b) PCM1 在不同進水溫度下的加熱和冷卻過程。(c) 和 (d) 在加熱過程中特定進水溫度下 ESB1 和 ESB2 的溫度演變
3. 小結
該研究采用壓縮誘導自組裝方法構建了三維定向EG。負載SA后，獲得了性能優異的三維定向EG/SA復合儲能塊和儲能磚。
（1） 與非定向PCM相比，3D取向EG/SA復合能量收集塊的面內熱導率、熱響應和儲能密度都有所提高。當EG含量為20%時，儲能塊的TC為9.78 W/（m·K），相變潛熱為159.36 J/g，分別比非定向PCM高34.2%和5.84%。
（2） 以三維定向EG/SA復合儲能塊為基礎，制備了具有快速充電和散熱性能的儲能磚。最大蓄熱和放熱功率分別為2.2和2.6 kW。
（3） 儲能磚表面的光吸收率約為94%。三維定向向PCM的光熱轉換效率達到95.3%。
（4） 在100 mW·cm-2的光照強度下，厚度為7 cm的儲能磚可以在陽光照射約4小時后完成相變儲能過程。
（5） 所制備的三維定向EG基儲能磚具有良好的光熱轉換和儲能釋放性能，具有廣闊的工業應用前景。
以上成果發表在Energy期刊（中科院一區，TOP期刊，IF 7.147）上，上海第二工業大學碩士研究生高歡為第一作者，上海第二工業大學能源與材料學院邴乃慈副教授和于偉教授為共同通訊作者。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。