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科学研究

 

张亚芳等人在nature communications杂志发表光波导内通光加速太阳能相变蓄热研究成果

2023年07月02日 17:28  点击:[]

院教师张亚芳、薛国斌等人在光波导内通光加速太阳能相变蓄热研究方面取得进展,相关成果“Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide”发表在6月份的nature communications杂志上,青年教师张亚芳博士为第一作者,薛国斌、刘宏教授为通讯作者,pg电子官方为唯一作者单位

Nature Communications》是自然斯普林格集团下属Nature系列期刊中的综合类子刊,影响因子17.694,论文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pg中,太阳能蓄热pg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pg电子官方的薛国斌教授、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pg电子官方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。

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出,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时相变材料的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。

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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