【摘 要】
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近年来,随着温室气体排放水平不断增加以及化石燃料快速消耗,环境污染和能源短缺的问题日益严峻,因而可再生能源受到了广泛的关注。太阳能作为最重要的清洁能源之一,具有成本
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近年来,随着温室气体排放水平不断增加以及化石燃料快速消耗,环境污染和能源短缺的问题日益严峻,因而可再生能源受到了广泛的关注。太阳能作为最重要的清洁能源之一,具有成本低、来源广等优势。相变材料(Phase Change Materials,PCMs)是一种在温度不变的情况下改变物质状态并能提供潜热的物质,在太阳能光热转化和能量存储中起着重要的作用,近年来受到越来越多的关注。通过掺杂高剂量的导热颗粒可以有效提高PCM的导热性能,但是导热颗粒易于在表面聚集降低光吸收,同时降低PCM整体储能密度。此研究中,通过集成中低温相变材料D-甘露醇(D-Mannitol,DM)和高导热乙炔黑纳米颗粒,设计了一种体吸收型太阳能吸收器。该吸收器通过掺入低浓度(0.05wt%)的乙炔黑纳米颗粒,使DM在保持较高的相变焓(295.2 k J/kg)的同时,提高了PCM的导热性能。实验结果表明,5.0 wt%的乙炔黑纳米颗粒使得热导率提高了26.4%,从DM的0.68 W·m-1·K-1提升至0.85 W·m-1·K-1。除此之外,乙炔黑纳米颗粒还促进了DM的形核,降低了过冷度,改善了热管理性能。通过多种表征手段对比了乙炔黑纳米颗粒不同掺杂浓度下PCM的性能,挑选出具有最适宜掺杂浓度(0.05wt%)的复合PCM,并将其与商业化典型的表面式吸收器进行了实际工作环境下的对比。光热转化试验中,添加乙炔黑纳米颗粒可以有效提高PCM的全光谱吸收,将DM材料41.86%光吸收率提高到90%以上。与传统的表面吸收型PCM相比,体吸收型PCM显著降低了材料内部的温度差。在同样10 mm的厚度下,体吸收的工作模式使得上下表面温差从表面吸收型的103.1℃降至62.7℃。除此之外,本研究首次在太阳能热电发电机(Solar Thermoelectric Generator,STEG)系统中研究了PCM的光热转化和充放能性能。结果表明,体吸收器在PCM的底部可以达到198.2℃,相应的开路电压为0.65 V,这些性能数据明显优于表面吸收器的135.1℃和0.45 V,表明体吸收模式可以极大提高PCM的性能。这种新型低成本、易制备的体吸收型复合相变储能材料为PCM的改进提供了一种非常有发展潜力的思路。
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