將太陽能“藏”起來

盧日升

太陽能是一種取之不盡的清潔能源。發展太陽能采集儲存技術，將收集的能量用于人們的生產、生活，對保護大氣環境意義重大。

太陽能熱儲存技術是太陽能熱應用的關鍵。根據物理熱學原理，熱儲存技術主要有顯熱、潛熱儲存技術兩類。顯熱儲存技術因儲能密度低、儲熱裝置體積大，有一定的應用局限性。潛熱儲存技術利用材料狀態變化過程中大量吸熱儲存能量，儲能密度大，優點明顯，目前發展勢頭強勁。

然而，常規單一成分的潛熱儲能材料在應用中依然存在缺陷，如無機潛熱儲能材料有過冷和固液分離現象，有機潛熱儲能材料導熱性能較差、熱導率低等。這些缺陷制約了潛熱儲能技術在太陽能熱儲存中的應用。

鑒于此，我探究試制了一種復合型太陽能熱儲存材料。

一、方案設計

經查閱資料，綜合比較物質的熱導率、熔化熱和其他理化性能，最后選擇可膨脹石墨粉和赤藻糖醇兩種物質作為原材料，設計利用其各自的結構、性能、優點，將它們復合制備所需要的儲能材料。

復合方案是，將可膨脹石墨粉通過加熱處理變成膨脹石墨，然后利用具有微孔結構和大比表面積的膨脹石墨作為吸附基質，采用常壓熔融浸滲法，使液態赤藻糖醇在膨脹石墨微孔的表面張力和毛細管吸附力的作用下被吸附至微孔內， 制得赤藻糖醇/膨脹石墨復合潛熱儲能材料。

膨脹石墨脹開的層間微空間作為一個個小容器和支撐結構，避免赤藻糖醇固液狀態轉變時出現形狀變化，有助于提高材料的熱導率。赤藻糖醇的高熔化熱則提供大容量的潛熱儲存能力。

二、實驗過程

1.制備膨脹石墨

將可膨脹石墨粉體置于坩堝中，再放入微波爐中加熱，加熱功率為700瓦，90秒后得到膨脹石墨。

2.制備復合儲能材料

將膨脹石墨預壓成坯，采用常壓熔融浸滲工藝，在干燥箱中讓赤藻糖醇浸滲吸附進入膨脹石墨孔隙中，得到赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料。浸滲溫度為150℃，浸滲時間為180秒，吸附的赤藻糖醇含量為92%。

3.結構與性能測試

使用掃描電子顯微鏡對加熱得到的膨脹石墨、赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料微觀組織的形貌、結構進行觀察。使用差示掃描量熱儀測量赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料試樣的固液轉化溫度和熔化熱，并采用閃光導熱儀測定其熱導率。

三、結果與分析

圖1和圖2分別為膨脹前后的膨脹石墨宏觀外形及微觀形貌。由圖1可知，石墨粉經加熱處理大幅膨脹后，長成蠕蟲狀膨脹石墨。由圖2可知，由于加熱膨脹，石墨片層沿垂直方向被不均勻地撕裂開，表面呈現網狀孔型結構。孔型為多邊形或狹縫型，其間還有許多更細微的孔隙，構成了膨脹石墨內部豐富的孔隙結構。

圖3是赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料試樣及其掃描顯微照片。顯微照片顯示，赤藻糖醇呈顆粒狀被吸附在膨脹石墨片層孔隙中。

圖4為赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料試樣的熱流-溫度曲線。曲線中有一個明顯的峰，即為赤藻糖醇的固液狀態轉化峰，溫度顯示為119℃。通過熱流對時間的積累計算，得到92%浸滲量赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料的熔化熱為258.1J/g。采用閃光導熱儀測試得到赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料的熱導率為5.37W/m·K，遠大于赤藻糖醇的熱導率0.768W/m·K。

赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料試樣在150℃環境下保溫1小時后，濾紙上沒有赤藻糖醇滲出，說明膨脹石墨對赤藻糖醇具有良好的封裝定型作用。

四、結論

1.可膨脹石墨顆粒經過90秒微波加熱后可得到蠕蟲狀膨脹石墨。

2.采用常壓熔融浸滲工藝可制得赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料。

3.赤藻糖醇/膨脹石墨復合儲能材料具有良好的導熱性能和高儲能密度。

4.膨脹石墨對赤藻糖醇有良好的封裝定型作用，熱循環過程中沒有赤藻糖醇滲出，性能穩定。（指導老師：李明偉）