瑞典查爾默斯理工大學(xué)的研究人員提出了一種高效的混合太陽能熱能存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)將分子太陽能熱能存儲體系中化學(xué)鍵的能量存儲與熱水中的熱能存儲相結(jié)合。該系統(tǒng)旨在以液體形式儲存太陽能，通過將其連接到超薄芯片熱電發(fā)電機，該團隊現(xiàn)在已經(jīng)證明了它可以發(fā)電，他們認(rèn)為這一發(fā)展為按需使用太陽能的自充電電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

高效的太陽能轉(zhuǎn)換和太陽能存儲解決方案對可持續(xù)社會的發(fā)展至關(guān)重要。將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能和電能的技術(shù)正在被廣泛使用。太陽能轉(zhuǎn)換最常見的概念是太陽能到電能轉(zhuǎn)換（光伏發(fā)電）和太陽能到熱能轉(zhuǎn)換（太陽能熱水系統(tǒng)）。

最常見的光伏技術(shù)是基于單晶硅太陽能電池。由于光譜損耗，單晶太陽能光伏電池的最大效率估計為32%，而當(dāng)前模塊的典型效率高達(dá)20%以上。相反，太陽能水加熱系統(tǒng)（SWH）通常具有20-80%的效率（太陽能加熱）。從多晶與單晶文章中了解更多關(guān)于單晶光伏的信息。

 

 

最近，來自瑞典和中國的一個研究小組開發(fā)了一種能源系統(tǒng)，據(jù)說該系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲茏鳛榛瘜W(xué)能儲存長達(dá)18年，并使太陽能熱水系統(tǒng)和太陽能儲存的組合效率高達(dá)80%。更重要的是，這種儲能系統(tǒng)還可以通過超薄芯片作為發(fā)生器集成到耳機、智能手表和手機等電子產(chǎn)品中。瑞典查爾默斯理工大學(xué)的科學(xué)家團隊一直致力于將太陽能直接儲存在有機化學(xué)品的化學(xué)鍵中，并開發(fā)了分子太陽能熱能儲存系統(tǒng)。

早在2013年，該系統(tǒng)就在概念上得到了證明，它將太陽能作為潛在的化學(xué)能儲存在化學(xué)鍵的光異構(gòu)化中，使太陽能能夠儲存在液體介質(zhì)中，不僅可以按需從太陽釋放能量，而且可以運輸。瑞典查爾默斯理工大學(xué)的科學(xué)家最近與上海交通大學(xué)的研究人員合作，將這種太陽能存儲系統(tǒng)更進一步，將其與緊湊型熱電發(fā)電機相結(jié)合，將太陽能轉(zhuǎn)化為電力。實驗表明，它可以按需發(fā)電。

 

 

什么是分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)

分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)將太陽能作為光異構(gòu)化的潛在化學(xué)能存儲在化學(xué)鍵中，化學(xué)鍵的核心是專門設(shè)計的碳、氫和氮分子。當(dāng)它與陽光接觸時，分子中的原子會重新排列，改變其形狀，并將其轉(zhuǎn)化為能量豐富的異構(gòu)體，這些異構(gòu)體可以以液體形式儲存。

 

 

在分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)中，母體分子暴露于太陽光子，從而轉(zhuǎn)化為高能光異構(gòu)體，其在動力學(xué)上是穩(wěn)定的；同時，它可以通過熱活化或使用催化劑異構(gòu)化回母體分子并釋放熱量。

例如，基于降冰片二烯四環(huán)烷烴的分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)，科學(xué)家將一種名為降冰片二烯的碳?xì)浠衔锉┞对诠庀?，光會改變其化學(xué)鍵，將其轉(zhuǎn)化為四環(huán)烷烴，太陽能在這個過程中作為潛在的化學(xué)能存儲在化學(xué)鍵中。

改變四環(huán)烷烴的溫度或?qū)⑵浔┞对诖呋瘎┲芯哂心孓D(zhuǎn)作用，以熱的形式釋放能量。該系統(tǒng)顯示出高達(dá)966 kJ kg-1的儲能密度? 儲存時間超過幾個月。

 

 

經(jīng)過研究，對高效分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)的要求可以概括為：

（1） 母體化合物必須吸收大部分太陽光譜；

（2） 光異構(gòu)體不得競爭吸收陽光；

（3） 光反應(yīng)的量子產(chǎn)率應(yīng)為100%；

（4） 儲存的能量密度應(yīng)超過300 kJ kg-1；

（5） 光異構(gòu)體必須長時間保持穩(wěn)定

（6） 所有反應(yīng)都必須定量進行，例如允許多次太陽能儲存釋放循環(huán)。

 

混合太陽能系統(tǒng)

在分子太陽能熱能儲存系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，查爾默斯理工大學(xué)的研究人員提出了一種由分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)（MOST）和太陽能熱水系統(tǒng)（SWH）組成的混合太陽能系統(tǒng)，使利用分子太陽能熱能儲存系統(tǒng)無法利用的子帶隙光子成為可能。

這種混合太陽能系統(tǒng)可以有效地利用太陽能熱水系統(tǒng)（SWH）的低能量光子，并將化學(xué)能形式的高能光子存儲在分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)（MOST）中。通過使用降冰片二烯四環(huán)烷烴（NBD-QC）系統(tǒng)存儲部分太陽能，可以將長期能量存儲和按需能量輸送添加到現(xiàn)有的低溫或中溫太陽能熱水系統(tǒng)（SWH）中。

 

 

為了證明在SWH中加入分子太陽能熱儲能的效果，研究人員設(shè)計了一種微流體混合裝置?；旌涎b置由兩層組成，底層為SWH（深灰色），頂層為分子太陽能熱能（淺灰色）。上部分子太陽能熱部分由熔融二氧化硅微流體芯片組成；它允許來自太陽光譜的高能光子將降冰片二烯（NBD）光化學(xué)轉(zhuǎn)化為四環(huán)烷烴（QC）。

如圖所示，能量低于降冰片二烯（NBD）吸收起始點的光子有效地穿過裝置的上層，并用于加熱下部收集器中的水，下部收集器由覆蓋有石英玻璃片的3D打印流動池組成。該裝置的正面尺寸約為2×2cm。

 

 

（a） 用于NBD 1和2的溶液與可見光范圍（1.5 AM）內(nèi)的太陽光譜的光譜重疊；紅線表示分子太陽熱的透射率，（虛線對應(yīng)1，實線對應(yīng)2）。（b） 化合物1和2的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

同時，為了進一步評估降冰片二烯的性能，在60°C的溶液中對最有前途的化合物（2）進行了循環(huán)測試（光異構(gòu)化和隨后的熱轉(zhuǎn)化）。

化合物（2）經(jīng)歷了127次循環(huán)，降解可忽略不計，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)健性。此外，循環(huán)試驗是在環(huán)境條件下進行的（無放氣），導(dǎo)致每個轉(zhuǎn)化循環(huán)0.2%的降解，這表明需要無氧環(huán)境才能進行可忽略的降解。

 

 

在循環(huán)試驗中，光轉(zhuǎn)換后在60°C下進行熱反應(yīng)，共127次循環(huán)。在熱轉(zhuǎn)化和光異構(gòu)化的每個半周期之后，2的溶液的歸一化吸收（au）顯示在途中。插圖顯示了循環(huán)81至86的歸一化吸收（au）的細(xì)節(jié)。

該團隊負(fù)責(zé)人說：“這項技術(shù)意味著我們可以將太陽能儲存在化學(xué)鍵中，并在需要時將其作為熱量釋放?！??！盎旌咸柲芟到y(tǒng)將化學(xué)儲能與水加熱太陽能電池板相結(jié)合，可以轉(zhuǎn)換80%以上的入射陽光?！?/p>

 

分子太陽能熱能儲存系統(tǒng)的特點和挑戰(zhàn)

由于分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)中的一部分能量以化學(xué)鍵的形式存儲，因此存在非常穩(wěn)定的長期存儲的潛力，這受到存儲容量大小的限制。這種能量可以以非常精確的數(shù)量和高度的可靠性進行運輸和輸送。

同時，該實驗系統(tǒng)的技術(shù)性能為397 kJ kg-1=110 W h kg-1（當(dāng)前化合物：降冰片二烯），略低于前十大鋰離子電池制造商比亞迪磷酸鐵鋰刀片電池的140 W h kg-1；電勢為966kJ kg-1＝268 W h kg-1（未取代的降冰片二烯），

它與現(xiàn)代鋰離子電池化學(xué)物質(zhì)的能量密度非常有競爭力，這表明它在任何使用電池能量進行電阻加熱的應(yīng)用中都可能是一種可行的技術(shù)。它還超過了大多數(shù)常見相變材料的熔化焓（例如，石蠟為200-270 kJ kg-1）。

因此，從重量級能量密度的角度來看，分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)也具有競爭力。此外，分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)表現(xiàn)出很強的可回收性，如前所述，在循環(huán)測試（光異構(gòu)化和隨后的熱轉(zhuǎn)化）中，化合物（2）經(jīng)歷了127次循環(huán)，降解可忽略不計，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)健性。

分子太陽能熱技術(shù)未來的任何大規(guī)模應(yīng)用都面臨兩個主要挑戰(zhàn)，這兩個挑戰(zhàn)共同構(gòu)成了長期的研發(fā)路線圖。在這種熱化學(xué)儲存技術(shù)的進一步發(fā)展中要克服的第一個挑戰(zhàn)可能是溶劑的毒性。減少毒性或消除溶劑將開辟更多潛在的應(yīng)用，例如可以通過太陽充電并在太陽下山時烹飪的便攜式烹飪器具。

其次，與任何新技術(shù)一樣，分子太陽能熱技術(shù)也面臨著高成本的挑戰(zhàn)。在這種系統(tǒng)能夠在大宗能源應(yīng)用中與其他太陽能可再生技術(shù)競爭之前，需要通過大規(guī)模生產(chǎn)成分化學(xué)品來降低成本。

 

未來的應(yīng)用和發(fā)展

分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)的工作原理是吸收光子并以亞穩(wěn)態(tài)光異構(gòu)化狀態(tài)存儲能量，其捕獲的能量可以在這種液態(tài)下存儲長達(dá)18年，然后由專門設(shè)計的催化劑將分子恢復(fù)到原始形狀并將能量以熱的形式釋放。查爾默斯理工大學(xué)的團隊目前正在與中國上海交通大學(xué)的科學(xué)家合作，他們使用一種緊湊的熱電發(fā)電機將熱量轉(zhuǎn)化為電力。

查爾默斯科技大學(xué)的研究人員說，“發(fā)電機是一種超薄芯片，可以集成到耳機、智能手表和手機等電子產(chǎn)品中。到目前為止，我們只生產(chǎn)了少量電力，但新的結(jié)果表明，這個概念確實有效，而且看起來非常有前景。為移動設(shè)備充電的分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)的概念圖

概念驗證電流輸出高達(dá)0.1nW（每單位體積的功率輸出高達(dá)1.3W m-3），這可能很小，但科學(xué)家們看到了他們的分子太陽能熱能存儲系統(tǒng)的巨大潛力，該系統(tǒng)可以通過一個單一的存儲解決太陽能的間歇性問題數(shù)月或數(shù)年，并按需使用。

 

 

查爾默斯大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程教授兼該研究負(fù)責(zé)人表示，“這是一種利用太陽發(fā)電的全新方式。這意味著我們可以利用太陽發(fā)電，而不受天氣、時間、季節(jié)或地理位置的影響。這是一個封閉的系統(tǒng)，可以在沒有二氧化碳排放的情況下運行?！?/p>

在證明該系統(tǒng)可以用于發(fā)電后，該團隊正專注于提高其性能，同時致力于為小工具充電和家庭供暖提供負(fù)擔(dān)得起的商業(yè)解決方案。此外，該系統(tǒng)還可用于衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)。

打破競爭激烈的太陽能領(lǐng)域的商業(yè)化障礙將是一項重大而艱巨的挑戰(zhàn)，但考慮到太陽能技術(shù)的創(chuàng)新性質(zhì)和當(dāng)前全球逐步淘汰化石燃料的趨勢，突破很可能正在發(fā)生。