我院教師張亞芳、薛國斌等人在光波導內(nèi)通光加速太陽能相變蓄熱研究方面取得進展，相關成果“Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide”發(fā)表在6月份的nature communications雜志上，青年教師張亞芳博士為第一作者，薛國斌、劉宏教授為通訊作者，濟南大學為唯一作者單位。

《Nature Communications》是自然斯普林格集團下屬Nature系列期刊中的綜合類子刊，影響因子17.694，論文DOI : 10.1038/s41467-023-39190-1.

【研究內(nèi)容】

高效、穩(wěn)定的利用“取之不盡、用之不竭”的太陽能，對于緩解化石能源危機、保護“青山綠水”具有重要意義。在各種太陽能利用技術中，太陽能蓄熱技術通過利用蓄熱材料將太陽能以熱能形式儲存起來，以應對太陽能間歇性的問題，很好的權衡了能量供給與需求在時間尺度上的不平衡關系。不過各種蓄熱材料特別是相變蓄熱材料如石蠟、熔融鹽等，熱導率一般較低，導致蓄熱速率較低，特別是在大功率蓄熱中，甚至會因為能量累積出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，進而影響蓄熱效率和穩(wěn)定性。

近期，來自濟南大學的薛國斌教授、劉宏教授團隊提出了一種內(nèi)通光模式增強太陽能相變速率的策略，通過側發(fā)光光波導纖維將太陽光傳輸?shù)绞?石墨烯復合材料中，在空間維度上調(diào)節(jié)太陽熱轉(zhuǎn)換界面。這種內(nèi)部供光模式避免了蓄熱材料（PCM）表面過熱，充能速率比表面照射模式提高了123%，太陽能熱效率提高到94.85%。此外，采用內(nèi)通光供能方式的器件在大型室外也能有效工作，表明了該熱固定定策略在實際應用中的潛力。。該研究成功以“Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide”為題，發(fā)表于Nature communications，第一作者為濟南大學物理學院張亞芳博士。

圖1 表面輻射（a）和內(nèi)通過模式（b）太陽能相變蓄熱示意圖。

圖2 光波導纖維側發(fā)光性能表征。

本文所用的商業(yè)PMMA基光波導纖維如圖2a所示，光主要由光導纖維端面發(fā)出，這種光導纖維在日常生活中經(jīng)常被用來作為燈光裝飾品。經(jīng)過化學刻蝕（丙酮正己烷溶液），光滑的波導纖維表面形成粗糙結構（圖2b-e），這種粗糙結構可以賦予光導纖維側方光性能（圖2f-g）。不同刻蝕時間下光導纖維側發(fā)光性質(zhì)如圖2h。利用COMSOL模擬不同粗糙結構下側面發(fā)光性能，可以看到孔徑大小會直接影響側發(fā)光性能（圖2i,j）。通過實驗結果結合模擬分析，可選定最均勻的側面發(fā)光纖維。

圖3 實驗室條件下光熱存儲過程研究

然后將這種光導纖維組裝到相變材料內(nèi)，利用波長450 nm激光進行相比蓄熱測試，如圖3a。圖3b比較了有無光導纖維時相變材料的溫度分布隨時間變化，并將溫度分布提取出來，如圖3c 和3d。可以明顯的看出，光導纖維存在時，蓄熱更快，在30min時有光導纖維的樣品基本全部相變（4cm），而直接輻照模式下石蠟只有一般達到相變溫度（2cm）。將蓄熱55分鐘后的裝置如圖倒置，容器內(nèi)剩余的石蠟如圖3e所示。可以看到，光波導存在時石蠟基本全部融合，而表面輻射模式下石蠟只融化了表面的一部分。圖3f為循環(huán)穩(wěn)定性測試，在光導纖維輔助下，相變儲能材料可以很好的完成多次蓄熱與散熱。

圖4 太陽能相變蓄熱戶外測試

為了驗證這種策略的實用性，作者在一個較為晴朗的夏季的上午進行了戶外實驗，比較了有無光波導纖維是太陽能相變蓄熱的效果，如圖4a-d。相變材料的溫度變化用紅外相機進行記錄，如圖4e，在光波導纖維的輔助下，容器中的石蠟可以很快融化，而沒有波導纖維的對照組在相同時間內(nèi)只能融化一小部分（圖4f-g）。

圖5 大尺寸下的太陽能相變蓄熱性能研究

為了進一步驗證這種策略在擴大蓄熱材料規(guī)模時的可行性，搭建了如圖4a-c所示簡易的戶外裝置。作者將光導纖維以陣列形式插入500 mL的石蠟中，利用聚光鏡將光導入光導纖維。蓄熱過程如圖4d和4e所示，大概經(jīng)過80 min，500 mL石蠟全部達到相變溫度，證明了這種策略的可拓展性。

另外，作者指出，這種內(nèi)通光模式可以和現(xiàn)有的增強蓄熱材料熱導率的策略結合，從光傳輸和熱傳輸兩個方面共同實現(xiàn)高效的太陽能相變蓄熱；光波導纖維也可以選用無機的玻璃纖維，以匹配中高溫蓄熱過程。