太陽能是最重要的清潔能源之一，對于人類可謂“取之不盡，用之不竭”，很有希望幫助解決大量使用化石燃料帶來的環(huán)境問題和能源危機(jī)。在各種形式的太陽能利用技術(shù)中，把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，以太陽能熱水器為代表的工業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶。不過，在夜間以及陰雨天，這些依靠太陽能的產(chǎn)品就無法滿足人們的需求了。

為了解決這些問題，科學(xué)家們發(fā)展了太陽能熱儲存（solar-thermal energy storage,STES）技術(shù)，尤其是利用相變材料（phase change material,PCM）的潛熱太陽能熱儲存技術(shù)。相比于低溫相變材料（如有機(jī)石蠟），基于中高溫相變材料（如熔融鹽）的太陽能熱儲存技術(shù)有著更大的容量、更小的體積、更高的儲能密度和更廣泛的應(yīng)用范圍。

然而，當(dāng)前熔融鹽儲熱材料的導(dǎo)熱率一般較低，嚴(yán)重限制了儲能系統(tǒng)內(nèi)的熱傳遞，儲能速率低且容易造成局部過熱。在熔融鹽中加入一些高導(dǎo)熱率的填料可以一定程度上解決問題，但是這一策略又會帶來其他麻煩，比如反復(fù)加熱-冷卻循環(huán)中的相分離問題，以及填料加入帶來的潛熱儲存容量的損失。

近日，上海交通大學(xué)鄧濤教授、陶鵬副研究員等在Energy&Environmental Science雜志報(bào)道了一種巧妙、簡單的策略，可以顯著加速熔融鹽太陽能熱儲存系統(tǒng)的儲能速率，同時(shí)完全不影響儲存容量。在儲能系統(tǒng)中，他們沿太陽光照射路徑在熔融鹽中設(shè)置了一個(gè)磁力驅(qū)動的可移動網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器來吸收太陽能，可以在不影響總?cè)萘康那疤嵯聦⑻柲軣醿Υ嫦到y(tǒng)的儲能速率提高107%。這種磁加速的移動式儲能策略還支持大面積的能量收集和批次化太陽能熱儲存，容易與各種現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)集成，有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖：磁加速的移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統(tǒng)

這種新策略對于磁力的妙用讓人印象深刻。在太陽光照射下，磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能以熔化固態(tài)鹽，并漂浮在液態(tài)熔融鹽表面；在下方磁體的吸引下，這種磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的多孔結(jié)構(gòu)使其可以快速通過液態(tài)熔融鹽，并密切接觸尚未熔化的固態(tài)鹽；由于液態(tài)熔融鹽高度透明，因此入射的太陽光子可以穿透液體區(qū)域并到達(dá)網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的表面，進(jìn)一步進(jìn)行太陽光熱轉(zhuǎn)換，直至全部固態(tài)鹽都完成相變。這時(shí)，只需將容器下方的磁體放到容器上方，就能把磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器“吸”到起始位置，系統(tǒng)就可以進(jìn)行放熱過程，如此儲熱-放熱反復(fù)循環(huán)。

這種磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，制備起來也很簡單。通過浸漬涂布法，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為粘合劑在磁性鐵網(wǎng)基底上涂覆吸收太陽能的石墨納米顆粒層，就得到了化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性俱佳的磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器。對于磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的表征結(jié)果可以看到，這種材料表面石墨-PDMS復(fù)合物沉積均勻，具有250nm至2500nm的大范圍吸收，完全覆蓋了太陽輻射光譜。

而且，磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的孔徑在儲能性能中起關(guān)鍵作用。小孔徑會增加表面積從而增加太陽能吸收，但這會阻礙網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器在熔融鹽中運(yùn)動；大孔徑將有助于網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器的快速運(yùn)動，但又會減少太陽能吸收。另外，由于PDMS涂層的疏水性和石墨納米顆粒帶來的表面粗糙度，所制備的網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器具有150度的靜態(tài)水接觸角，這種疏水表面涂層可有效地改善其抗腐蝕性能，提高化學(xué)穩(wěn)定性。

圖：磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器及其表征

研究者隨后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種熔融鹽太陽能熱儲存系統(tǒng)的性能。在能量密度為30kWm-2的模擬聚光太陽光照下，熔融鹽（60wt%NaNO3和40wt%KNO3）上放置磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器，如果沒有下方的磁鐵，16分鐘后只有約50%的鹽熔化（加不加增加高導(dǎo)熱率的泡沫銅填料差別不大）；而加上磁鐵之后，在相同條件下，16分鐘內(nèi)無需泡沫銅所有鹽都熔化成透明液體（下圖b，從左到右）。此外，前者這種固定式儲能過程中，光照區(qū)域溫度最高可達(dá)約320℃（有泡沫銅的為約260℃），遠(yuǎn)高于后者這種移動式儲能系統(tǒng)（約230℃），而且后者可以均勻加熱整個(gè)熔融鹽系統(tǒng)，避免了局部過熱。數(shù)據(jù)分析表明，這種移動式儲熱系統(tǒng)的潛熱太陽能熱儲存速率要比固定式高107%，而且對于整個(gè)系統(tǒng)的儲存容量沒有任何影響。反復(fù)多次儲熱-放熱循環(huán)，對于磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器以及熔融鹽的熱物理性質(zhì)都沒有明顯改變。

圖：磁加速移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測試

研究者認(rèn)為這種磁加速移動式儲能策略可以用于大規(guī)模太陽能熱儲存，他們設(shè)想了兩種方式：通過傳送帶進(jìn)行批次化太陽能熱儲存（下圖a/b），以及通過磁力移動磁性網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器進(jìn)行大面積太陽能熱儲存（下圖c/d）。而且，這種策略還能很方便地與現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)集成，用于供暖、水加熱等等方面。

圖：磁加速移動式熔融鹽太陽能熱儲存系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用

圖：批次化太陽能熱儲存

小結(jié)

鄧濤教授團(tuán)隊(duì)通過使用磁力驅(qū)動的可移動網(wǎng)狀光熱轉(zhuǎn)換器來吸收太陽能，在高溫熔融鹽相變材料中實(shí)現(xiàn)了快速太陽能熱儲存。與傳統(tǒng)的固定式儲能系統(tǒng)相比，這種移動式系統(tǒng)不僅使儲能速率加倍，實(shí)現(xiàn)了均勻的溫度分布，保留了100%潛熱儲存容量，同時(shí)也使得大面積和批次化太陽能熱儲存成為可能。與現(xiàn)有熱交換系統(tǒng)相結(jié)合，可以直接釋放儲存的高溫?zé)崮埽訜嵘顭崴蚬┡踔劣糜诠I(yè)，比如產(chǎn)生蒸汽以及發(fā)電。

這一成果不僅為在高溫相變材料和顯熱儲存介質(zhì)中快速、有效地進(jìn)行太陽能熱儲存提供了新的方法，而且還考慮了規(guī)模化的可能性和相關(guān)問題，為未來的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。