成果简介
为缓解资源短缺和环境污染问题，可将太阳能转化为热能储存在相变材料中，进而产生电能。为提高太阳能-热能-电能转换装置的太阳能利用效率，防止夜间热量散失到环境中，本文，北京化工大学李晓锋 教授、于中振 教授等在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“An Intelligent, Solar-Responsive, and Thermally Conductive Phase-Change System Toward Solar-Thermal-Electrical Conversion Featuring Daytime Blooming for Solar Energy Harvesting and Nighttime Closing for Thermal Preservation”的论文，研究创新设计了一种智能太阳响应式相变系统，该系统由导热系数高达46.7Wm-1 K-1 的石墨烯气凝胶薄膜/石蜡花蕊和热保存气凝胶薄膜/液晶弹性体双层花瓣组成，通过太阳热能转换和热诱导收缩的协同效应，实现太阳响应式弯曲。
该太阳响应式相变系统实现了白天开花以进行太阳热能转换，同时储能，夜间闭合以最大限度地减少热量向环境的散失，太阳热能转换和储能效率高达 89.4%，并通过花瓣的保温效应延缓温度下降。组装好的太阳响应式太阳能热发电装置在光照强度为500mW cm-2时输出电压可达1033.8mV，并能在夜间继续产生电能，在高效太阳能转换、储存和利用方面前景广阔。
图文导读
图1、a) rGAF 的制备示意图。c-f) （c、d）GOF 和（e、f）rGAF 的截面扫描电子显微镜图像。
图2、相变复合薄膜的制备、热导率和热物理性能。
图3、a) LCE 的制备示意图；b,c) (b) 多域-LCE 薄膜和 (c) 单域-LCE 薄膜的二维 WAXS 图；d) rGAF/LCE 双层薄膜的组装示意图；e) rGAF/LCE 薄膜的太阳响应机制；f) rGAF/LCE 薄膜在强度为 200 mW cm-2 的太阳光照射下的太阳响应弯曲和恢复过程。
图4、S-GAF/PW相变系统的组装和太阳能热转换行为。
图5、STE发电机的组装和STE能量转换性能
小结
创新设计的智能太阳响应相变系统，集相变花蕊的高效热传导和太阳响应双层膜花瓣的夜间保温于一体，基于太阳响应rGAF/LCE花瓣的保温效应，可实现白天绽放，暴露GAF/PW花蕊进行太阳热能转换，同时储能，夜间恢复覆盖状态，抑制向环境散热。得益于石墨烯片的面对面接触和 GAF 中各向异性的导热路径，GAF/PW 相变花蕊在 7.83 wt.% 的低填料含量下就具有 46.7 W m-1 K-1 的超高导热系数，解决了相变材料储能率低的问题。此外，GAF 的引入还解决了相变材料光热转换性能差的缺点，使 GAF/PW 相变花蕊在强度为 200 mW cm-2 的太阳光照射下，光热转换和储能效率达到 89.4%，太阳能转换的热量可以储存在潜热中，并在夜间释放出来。此外，还首次设计了巧妙的太阳响应式 rGAF/LCE 花瓣，它可以在白天弯曲以暴露相变系统中的 GAF/PW 雄蕊，并在夜间恢复对 GAF/PW 雄蕊的覆盖。由于 rGAF 中多孔结构的保温效果，太阳响应 rGAF/LCE 花瓣可将 GAF/PW 相变花蕊的温度下降过程延迟近 800 秒，从而解决了夜间相变花蕊向环境散热严重的问题。
组装后的 S-STEG 可实现高效的 STE 转换，从而拓宽了太阳能的应用领域。此外，为了进一步提高 S-STEG 的储能能力，在 S-GAF/PW 周围引入了一个储热池，在太阳光强度为 500 mW cm-2 时，S-STEG 的最大输出电压可达 1033.8 mV。得益于 rGAF/LCE 花瓣的保温效果，以及相变雄蕊和储热池的储能和释能作用，S-STEG 可以在夜间继续输出电能。在模拟应用场景中，S-STEG 可以为模拟交通灯的运行提供电力和支持。所设计的 S-STEG 可实现太阳能的高效利用，在太阳能转换和储存领域大有可为。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202406236
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