將太陽(yáng)能“藏”起來(lái)

盧日升

太陽(yáng)能是一種取之不盡的清潔能源。發(fā)展太陽(yáng)能采集儲(chǔ)存技術(shù)，將收集的能量用于人們的生產(chǎn)、生活，對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境意義重大。

太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存技術(shù)是太陽(yáng)能熱應(yīng)用的關(guān)鍵。根據(jù)物理熱學(xué)原理，熱儲(chǔ)存技術(shù)主要有顯熱、潛熱儲(chǔ)存技術(shù)兩類(lèi)。顯熱儲(chǔ)存技術(shù)因儲(chǔ)能密度低、儲(chǔ)熱裝置體積大，有一定的應(yīng)用局限性。潛熱儲(chǔ)存技術(shù)利用材料狀態(tài)變化過(guò)程中大量吸熱儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)能密度大，優(yōu)點(diǎn)明顯，目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。

然而，常規(guī)單一成分的潛熱儲(chǔ)能材料在應(yīng)用中依然存在缺陷，如無(wú)機(jī)潛熱儲(chǔ)能材料有過(guò)冷和固液分離現(xiàn)象，有機(jī)潛熱儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱性能較差、熱導(dǎo)率低等。這些缺陷制約了潛熱儲(chǔ)能技術(shù)在太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存中的應(yīng)用。

鑒于此，我探究試制了一種復(fù)合型太陽(yáng)能熱儲(chǔ)存材料。

一、方案設(shè)計(jì)

經(jīng)查閱資料，綜合比較物質(zhì)的熱導(dǎo)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(zhì)作為原材料，設(shè)計(jì)利用其各自的結(jié)構(gòu)、性能、優(yōu)點(diǎn)，將它們復(fù)合制備所需要的儲(chǔ)能材料。

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

膨脹石墨脹開(kāi)的層間微空間作為一個(gè)個(gè)小容器和支撐結(jié)構(gòu)，避免赤藻糖醇固液狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)形狀變化，有助于提高材料的熱導(dǎo)率。赤藻糖醇的高熔化熱則提供大容量的潛熱儲(chǔ)存能力。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)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(fù)合儲(chǔ)能材料

將膨脹石墨預(yù)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(jìn)入膨脹石墨孔隙中，得到赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料。浸滲溫度為150℃，浸滲時(shí)間為180秒，吸附的赤藻糖醇含量為92%。

3.結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

使用掃描電子顯微鏡對(duì)加熱得到的膨脹石墨、赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料微觀組織的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。使用差示掃描量熱儀測(cè)量赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料試樣的固液轉(zhuǎn)化溫度和熔化熱，并采用閃光導(dǎo)熱儀測(cè)定其熱導(dǎo)率。

三、結(jié)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(jīng)加熱處理大幅膨脹后，長(zhǎng)成蠕蟲(chóng)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(kāi)，表面呈現(xiàn)網(wǎng)狀孔型結(jié)構(gòu)?？仔蜑槎噙呅位颡M縫型，其間還有許多更細(xì)微的孔隙，構(gòu)成了膨脹石墨內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖3是赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)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(fù)合儲(chǔ)能材料試樣的熱流-溫度曲線。曲線中有一個(gè)明顯的峰，即為赤藻糖醇的固液狀態(tài)轉(zhuǎn)化峰，溫度顯示為119℃。通過(guò)熱流對(duì)時(shí)間的積累計(jì)算，得到92%浸滲量赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料的熔化熱為258.1J/g。采用閃光導(dǎo)熱儀測(cè)試得到赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料的熱導(dǎo)率為5.37W/m·K，遠(yuǎn)大于赤藻糖醇的熱導(dǎo)率0.768W/m·K。

赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料試樣在150℃環(huán)境下保溫1小時(shí)后，濾紙上沒(méi)有赤藻糖醇滲出，說(shuō)明膨脹石墨對(duì)赤藻糖醇具有良好的封裝定型作用。

四、結(jié)論

1.可膨脹石墨顆粒經(jīng)過(guò)90秒微波加熱后可得到蠕蟲(chóng)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(fù)合儲(chǔ)能材料。

3.赤藻糖醇/膨脹石墨復(fù)合儲(chǔ)能材料具有良好的導(dǎo)熱性能和高儲(chǔ)能密度。

4.膨脹石墨對(duì)赤藻糖醇有良好的封裝定型作用，熱循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有赤藻糖醇滲出，性能穩(wěn)定。（指導(dǎo)老師：李明偉）