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我院薛国斌教授、刘宏教授团队在Nature communications发表文章,博士研究生张亚芳为第一作者,刘宏教授、薛国斌教授为通讯作者

作者:    来源: 7321com必赢    发布时间: 2023-11-13


【文章信息】

光波导内通光加速太阳能相变蓄热

第一作者:张亚芳

通讯作者:刘宏,薛国斌

单位:BWIN必赢官网

Article Title : Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide

Cite: Nat. Commun. 2023, 14, 3456; DOI : 10.1038/s41467-023-39190-1

【研究内容】

高效、稳定的利用“取之不尽、用之不竭”的太阳能,对于缓解化石能源危机、保护“青山绿水”具有重要意义。在各种太阳能利用技术中,太阳能蓄热技术通过利用蓄热材料将太阳能以热能形式储存起来,以应对太阳能间歇性的问题,很好的权衡了能量供给与需求在时间尺度上的不平衡关系。不过各种蓄热材料特别是相变蓄热材料如石蜡、熔融盐等,热导率一般较低,导致蓄热速率较低,特别是在大功率蓄热中,甚至会因为能量累积出现局部过热现象,进而影响蓄热效率和稳定性。

近期,来自BWIN必赢官网的薛国斌教授、刘宏教授团队提出了一种内通光模式增强太阳能相变速率的策略,通过侧发光光波导纤维将太阳光传输到石蜡-石墨烯复合材料中,在空间维度上调节太阳热转换界面。这种内部供光模式避免了蓄热材料(PCM)表面过热,充能速率比表面照射模式提高了123%,太阳能热效率提高到94.85%。此外,采用内通光供能方式的器件在大型室外也能有效工作,表明了该热固定定策略在实际应用中的潜力。。该研究成功以“Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide”为题,发表于Nature communications,第一作者为BWIN必赢官网物理学院张亚芳博士。


1 表面辐射(a)和内通过模式(b)太阳能相变蓄热示意图。

图2 光波导纤维侧发光性能表征。

本文所用的商业PMMA基光波导纤维如图2a所示,光主要由光导纤维端面发这种光导纤维在日常生活中经常被用来作为灯光装饰品。经过化学刻蚀(丙酮正己烷溶液),光滑的波导纤维表面形成粗糙结构(图2b-e),这种粗糙结构可以赋予光导纤维侧方光性能(图2f-g不同刻蚀时间下光导纤维侧发光性质如图2h。利用COMSOL模拟不同粗糙结构下侧面发光性能,可以看到孔径大小会直接影响侧发光性能(图2i,j)。通过实验结果结合模拟分析,可选定最均匀的侧面发光纤维。


3 实验室条件下光热存储过程研究

然后将这种光导纤维组装到相变材料内,利用波长450 nm激光进行相比蓄热测试,如图3a。图3b比较了有无光导纤维相变材料温度分布随时间变化,并将温度分布提取出来,如图3c 3d。可以明显的看出,光导纤维存在时,蓄热更快,在30min时有光导纤维的样品基本全部相变(4cm),而直接辐照模式下石蜡只有一般达到相变温度(2cm)。将蓄热55分钟后的装置如图倒置,容器内剩余的石蜡如图3e所示可以看到,光波导存在时石蜡基本全部融合,而表面辐射模式下石蜡只融化了表面的一部分。图3f为循环稳定性测试,在光导纤维辅助下,相变储能材料可以很好的完成多次蓄热与散热。

图4 太阳能相变蓄热户外测试

为了验证这种策略的实用性,作者在一个较为晴朗的夏季的上午进行了户外实验,比较了有无光波导纤维是太阳能相变蓄热的效果,如图4a-d。相变材料的温度变化用红外相机进行记录,如图4e,在光波导纤维的辅助下,容器中的石蜡可以很快融化,而没有波导纤维的对照组在相同时间内只能融化一小部分(图4f-g)。

5 大尺寸下的太阳能相变蓄热性能研究

为了进一步验证这种策略在扩大蓄热材料规模时的可行性,搭建了如图4a-c所示简易的户外装置。作者将光导纤维以阵列形式插入500 mL的石蜡中,利用聚光镜将光导入光导纤维。蓄热过程如图4d和4e所示,大概经过80 min,500 mL石蜡全部达到相变温度,证明了这种策略的可拓展性。

另外,作者指出,这种内通光模式可以和现有的增强蓄热材料热导率的策略结合,从光传输和热传输两个方面共同实现高效的太阳能相变蓄热;光波导纤维也可以选用无机的玻璃纤维,以匹配中高温蓄热过程。

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