快速捕捉太陽能全天候溫差發電裝置

宋亞楠，王浩蕾

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著工業社會的不斷發展，電能在人們的生活中不可或缺，太陽能資源已經成為人們熱衷于利用的能源。目前在野外生存和外太空等特殊場合利用太陽能的主流發電技術主要有光伏發電和溫差發電等。但光伏發電由于半導體帶隙的限制不能全光譜利用太陽能，且生產硅板的過程中污染嚴重，成本較高[1-2]，而以太陽能為熱源的溫差發電技術不存在這一問題。溫差發電技術作為一種新型的發電手段，具有成本低廉、安全無污染的優點。其原理是利用了半導體中的塞貝克效應[3-5]，當兩端存在溫度差時即可產生電能。這一特性要求溫差發電片有穩定的溫度差，然而以太陽能為熱源的溫差發電片易受太陽能資源強度與時間、空間不匹配的影響，尤其是在夜間和陰雨天氣沒有太陽能可利用，這就造成溫差發電裝置不能全天候發電，限制了其進一步發展；而相變儲熱材料因其優異的儲/放熱性能而被廣泛應用于太陽能應用領域中[6-7]。當在太陽能強的時候相變材料熔化吸收熱量存儲熱量，在太陽能弱或者沒有的時候，相變材料凝固釋放潛熱，從而源源不斷地提供熱能，且相變過程保持溫度不變，這也在一定程度上保證了發電片熱端不會過熱而發生損壞。

為了解決上述問題，本文通過引入仿生型的氮化鋁(AlN)-氮化鈦(TiN)-石蠟復合相變材料充當中間儲/傳熱介質。在太陽能強的時候一邊提供熱量，一邊發生熔化存儲熱量，在太陽能弱或者沒有的時候，相變材料凝固釋放熱量提供給溫差發電裝置。實驗測試結果表明其可以持續、穩定地產生電能，解決了傳統太陽能驅動溫差發電裝置存在的痛點。

1 設計方案

1.1 整體裝置設計

整體裝置示意圖如圖1所示。該裝置主要由仿生AlN-TiN-石蠟復合相變材料、陶瓷溫差發電片、真空石英保溫罩、散熱裝置組成。該裝置將復合相變材料緊密貼合在溫差發電片的熱端，裸露在外側的一端接收太陽能，通過仿生復合相變儲熱材料將熱量傳遞給溫差發電片作為熱源，且相變材料相變過程溫度不變，可防止發電片熱端溫度過高而損壞，發電片的冷端與散熱裝置相貼以提供冷源。此外，為了最大限度利用熱量，且低溫熱輻射主要為紅外波長，石英紅外波段透過率低[7-8]，采用雙層真空石英保溫罩來減少熱對流和熱輻射損失，底部用高溫膠密封。

圖1 裝置設計示意圖

1.2 仿生型AlN-TiN-石蠟復合相變儲熱材料制備及性能表征

如圖2(a)所示，采用發泡法[9-11]制備了孔隙率約為70%的高導熱AlN陶瓷骨架。具體工藝流程為：首先進行AlN的抗水解改性處理，將AlN粉體與氧化釔、無水乙醇按照質量比為100∶3∶70進行混合并球磨0.5 h，隨后加入0.2 wt.%的分散劑聚丙烯酸繼續球磨0.5 h，待其充分混合后加入1 wt.% 抗水劑聚氰酸酯球磨0.5 h。球磨結束后加入交聯劑四乙烯五胺并機械攪拌0.5 h，隨后烘干、研磨得到改性后的AlN粉體。將改性后的AlN粉體與0.3 wt.%分散劑Ib-104、去離子水混合制備成固體含量為25 Vol%的漿料，隨后球磨0.5 h，然后加入0.7 wt.%十二烷基硫酸三乙醇胺作為發泡劑機械攪拌10 min，隨后將漿料倒入方形模具中成型干燥脫模后得到多孔陶瓷素坯，在600 ℃下排膠4 h后置于1 950 ℃氬氣氣氛中燒結4 h，得到多孔AlN陶瓷。

如圖2(b)所示，SEM形貌圖顯示所制備的骨架孔隙結構與生物股骨內部孔隙結構極其相似，具有很好的仿生效果。將具有高光譜吸收能力的納米TiN[12-14]通過真空浸漬涂覆在骨架表面及內部，形成體系吸收，增強其光譜吸收能力。隨后采用真空浸漬法[15-17]將熔融石蠟[18-19]浸入到AlN-TiN多孔骨架中，形成仿生型復合相變儲熱材料。如圖2(c)-圖2(d)所示，通過紫外分光光度計測得該仿生復合相變儲熱材料在全光譜波段均具有優秀的光譜吸收能力，平均光譜吸收率高達83.78%，相對于未負載TiN的樣品提高將近30%。通過激光閃射導熱儀測得該復合材料導熱系數>30 W/(m·K)[20]。

為了證明體吸收的優勢，將3種導熱系數和尺寸相同的復合儲熱材料(表面和內部均涂覆TiN的體吸收樣品、僅在復合材料表面涂覆TiN的表面式吸收樣品、不含TiN的復合物直接吸收樣品)同時置于陽光照射下，底部布置熱電偶以檢測溫度變化，如圖2(e)所示。可見表面和內部均含TiN的體吸收樣品底部具有最快的升溫速率，在50 s左右就達到了石蠟熔點，而僅在表面含TiN的表面式吸收樣品則消耗了300 s才達到石蠟熔點，不含TiN的直接吸收樣品的升溫速率最慢，在600 s內仍未達到石蠟熔點。可見相對于傳統的表面式吸收，該仿生復合相變儲熱材料可在光照下實現更均衡的體吸收，更快速地實現熱量的均勻分布和傳導。

圖2 仿生型AlN骨架制備流程及AlN-TiN-石蠟復合相變儲熱材料光熱轉換性能

2 裝置性能測試

2.1 測試平臺搭建

如圖3所示，采用氙燈來模擬太陽光垂直照射在與發電片熱端緊密貼合的仿生復合相變儲熱材料上，氙燈功率約15 000 W/m2，發電片冷端與具有翅片結構的散熱裝置[21]相連接，散熱裝置置于冰水混合物中以提供穩定冷源，其中仿生復合相變儲熱材料完全覆蓋溫差發電片熱端，尺寸約為40 mm×40 mm×15 mm，散熱器尺寸為125 mm×125 mm。分別利用氙燈燈源的開關和可周期性旋轉的葉片遮擋光源模擬了晝夜交替(白天有太陽，晚上無太陽)和多云天氣(太陽時有時無)的工況。葉片旋轉速度為15 s/圈，氙燈光斑直徑約50 mm，功率密度約為98 000 W/m2。發電片產生的直流電壓通過數據采集器實時記錄。

圖3 全天候溫差發電裝置實驗測試示意圖

2.2 測試結果分析

圖4(a)展示了在相同光照條件下，無仿生復合相變材料(直接吸收)、有仿生復合相變材料(AlN-TiN-石蠟)及只含純石蠟的發電片發電情況。可以看出，由于多了一層中間介質，初始太陽光能量需要先傳遞給仿生復合相變儲熱材料再傳遞給溫差發電片，所以本文設計的發電裝置初始發電電壓值低于直接吸收太陽光的溫差發電片，但由于仿生復合材料的高導熱性和高吸光特性，其發電電壓很快便超越直接吸收太陽光的溫差發電片，而純的石蠟材料由于其本身光譜吸收能力和導熱系數低，不能很好地將熱量傳遞給溫差發電片，所以其發電電壓一直都處于三者最小值。在氙燈照射10 min后關閉氙燈光源，因為仿生復合相變儲熱材料中的石蠟在氙燈照射時發生了相變，氙燈關閉時，發生凝固可以釋放潛熱給發電片，提供持續的熱源，所以含仿生復合相變材料的發電片發電電壓下降緩慢，但依然可以持續地產生電能。而僅含石蠟的發電片因為純石蠟本身光譜吸收和導熱性能差，沒有發生相變，僅僅是存儲了部分顯熱提供給發電片，所以發電片電壓也很快下降，但下降速度沒有直接吸收得快。不含石蠟直接吸收的發電片因為潛熱和顯熱均沒有得到儲存，所以其產生的電動勢很快便下降至未發電狀態，不能持續產生電能。

圖4(b)展示了在照射一段時間后相同遮擋板轉動頻率下的發電裝置發電電壓變化，可見前期趨勢與模擬晝夜交替的工況相同，照射10 min后開啟旋轉遮擋板，發現熱端有純石蠟和無石蠟直接吸收的發電片產生的電壓先下降，然后隨著遮擋板的旋轉頻率發生高低值的周期性變化，電壓變得不穩定，波動嚴重，因為其存儲的僅僅是顯熱或者沒有熱量。而含有仿生復合相變儲熱材料的溫差發電片發電電壓略有下降，隨后基本維持在一個穩定值。其原因是在氙燈被遮擋時，仿生復合相變儲熱材料前期所存儲的顯熱與潛熱釋放出來發揮了巨大的作用，氙燈未被遮擋時，其快速的光熱捕捉轉換能力又及時補充了熱量。表1展示了兩種工況平均發電電壓大小，可見無論哪種工況，含仿生復合相變儲熱材料的發電電壓都是處于三者最高值。

圖4 不同工況下不同發電裝置的發電性能對比

表1 三種發電片在兩種工況下發電電壓對比 單位：V

3 結語

本文設計了一種利用具有容積式光熱轉換能力的仿生復合相變儲熱材料的全新溫差發電裝置，該仿生復合相變材料具有優異的高光譜吸收率、高導熱特性，可以快速捕捉太陽能并就地轉化為熱量以提供持續不斷的熱源。相對于原有的溫差發電技術，本文設計改進的溫差發電裝置具有優異的快速捕捉太陽能的全天候發電特性，可以在太陽能資源波動時保持穩定、持續、量大的電能輸出，具有優異的性能，可滿足野外供電和太空供電的穩定性需求。