摘 要：為提高糖醇類相變材料（PCM）的直接光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)性能，促進(jìn)其在光熱儲(chǔ)能方面的規(guī)?；瘧?yīng)用，該文以木糖醇和赤蘚糖醇為PCM前驅(qū)體，膨脹石墨（EG）為導(dǎo)熱添加物，采用機(jī)械混合-熔融真空吸附法制備Xy-in-EG（94 ℃）和Er-in-EG（120 ℃）兩種不同溫區(qū)的高導(dǎo)熱、高光熱轉(zhuǎn)換能力復(fù)合PCM，進(jìn)一步研究所制備復(fù)合PCM的光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)EG含量為25%時(shí)，兩種復(fù)合PCM導(dǎo)熱系數(shù)最大可達(dá)到4.39和3.61 W/（m·K），相較于原始PCM提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)EG含量為15%時(shí)，復(fù)合PCM的太陽能光譜吸收率分別達(dá)到84.3%和86.9%，且復(fù)合PCM達(dá)到封裝穩(wěn)定狀態(tài)，加熱熔融相變時(shí)不存在相分離引起的相變泄露等問題。對(duì)復(fù)合PCM進(jìn)行太陽能光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG光熱轉(zhuǎn)換效率相較于商業(yè)PCM木糖醇和赤蘚糖醇分別提升了63.3%和79.5%，Er-in-15%EG的光熱存儲(chǔ)速率與商業(yè)赤蘚糖醇相比提高了3.2倍。

關(guān)鍵詞：相變材料；導(dǎo)熱系數(shù)；太陽能；光熱轉(zhuǎn)換；熱能存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TK513.5" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

以太陽能為基礎(chǔ)的可再生能源均存在時(shí)間和空間上供需不匹配的矛盾［1］，采用儲(chǔ)能技術(shù)能夠降低可再生能源在使用中的波動(dòng)性，有效提升可再生能源的利用效率［2］。在不同的儲(chǔ)能方式中，熱物理儲(chǔ)能具有技術(shù)簡(jiǎn)單、使用過程安全、易規(guī)?；瘧?yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。在顯熱、潛熱、熱化學(xué)等主要熱物理儲(chǔ)能技術(shù)中，基于相變材料（phase change material，PCM）的相變儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)釋熱溫度穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于太陽光熱能的高效利用中［3-5］。

長(zhǎng)期以來，PCM的溫度、相變焓、導(dǎo)熱系數(shù)等關(guān)鍵熱物性參數(shù)是制約相變儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵因素之一。相較于已廣泛應(yīng)用的石蠟類、熔鹽類PCM，糖醇基PCM具有相變焓高、無腐蝕作用、環(huán)境友好且相變溫度處于中低溫區(qū)（70～230 ℃）的優(yōu)點(diǎn)，是中低溫太陽能光熱存儲(chǔ)的理想材料之一［6-8］。此外，與傳統(tǒng)的先集熱，再通過換熱將熱量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能材料內(nèi)的間接光熱儲(chǔ)能方式相比，新型太陽能轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料可直接吸收太陽光，并將光能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)，減少了中間換熱過程中的熱損，是一種更加高效的儲(chǔ)能方式［9-11］。然而，目前商業(yè)化的糖醇類PCM仍存在的不足有：吸光性差導(dǎo)致的光熱轉(zhuǎn)換率低（lt;50%）、導(dǎo)熱率低引起的儲(chǔ)熱速率慢（≤0.50 W/（m·K））。這些均是限制糖醇類PCM在太陽能光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)中規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸問題之一。

近年來，為提升糖醇基PCM的光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)性能，促進(jìn)其在光熱儲(chǔ)能技術(shù)中的商業(yè)化應(yīng)用，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者開展了一些研究。在增強(qiáng)PCM光熱轉(zhuǎn)換效率方面，針對(duì)糖醇基PCM的研究仍較少，相關(guān)同類研究中，文獻(xiàn)［12］提出沿太陽光路徑布置的磁控可移動(dòng)網(wǎng)狀太陽能吸收層，提升熔鹽類PCM的光熱存儲(chǔ)性能。研究結(jié)果表明，這種磁控加速光熱轉(zhuǎn)換策略使得太陽能存儲(chǔ)效率提升了107%，且對(duì)PCM的潛熱性能影響較小。為增強(qiáng)石蠟類PCM的太陽熱能存儲(chǔ)效率，先前研究在PCM表面涂覆炭黑涂層增加界面的光譜吸收率［13］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過涂覆的PCM界面的全光譜太陽吸收率達(dá)到0.988，涂覆后的PCM在3倍太陽光下的光熱存儲(chǔ)效率最高達(dá)到98.31%。由以上研究可看出，目前提升PCM光熱轉(zhuǎn)換性能方面的工作主要是通過提高PCM界面的太陽光譜吸收率來提高PCM的光熱轉(zhuǎn)換效率。在導(dǎo)熱性能強(qiáng)化方面，文獻(xiàn)［14］采用添加高導(dǎo)熱膨脹石墨（EG）來增強(qiáng)木糖醇PCM的導(dǎo)熱性能，木糖醇能夠很好地浸漬到EG的微孔中，并具有良好的化學(xué)相容性。研究結(jié)果表明，隨著EG的增加，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)急劇增大，最大可達(dá)到木糖醇的9.29倍，潛熱降低。同樣地，文獻(xiàn)［15］使用EG來增強(qiáng)赤蘚糖醇的導(dǎo)熱性能。熱物性測(cè)試表明，隨著EG含量的增加，復(fù)合PCM的導(dǎo)熱系數(shù)（最大提高17.38倍）和結(jié)晶溫度增加，熔融溫度、過冷度和潛熱降低，可用于中低溫潛熱存儲(chǔ)。綜上所述，目前提升糖醇基PCM導(dǎo)熱方面的研究主要是通過添加高導(dǎo)熱材料，提升糖醇基復(fù)合PCM的導(dǎo)熱性能。用于太陽能轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的糖醇類PCM的相關(guān)研究仍較缺乏，針對(duì)糖醇基復(fù)合PCM導(dǎo)熱性能強(qiáng)化的微觀機(jī)理待揭示，亟需開展適用于太陽能光熱直接轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的高吸光、高導(dǎo)熱PCM的研究。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于光熱能直接轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的物理過程，提出EG強(qiáng)化PCM界面光吸收及增大材料內(nèi)部傳熱面積強(qiáng)化導(dǎo)熱的糖醇基高性能光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)復(fù)合PCM開發(fā)思路。首先，以糖醇基PCM為前驅(qū)體，通過與EG機(jī)械混合-熔融真空吸附的方法制備具有高導(dǎo)熱、高吸光性以及高穩(wěn)定性的木糖醇-膨脹石墨（Xy-in-EG）和赤蘚糖醇-膨脹石墨（Er-in-EG）兩種不同溫區(qū)的復(fù)合PCM。進(jìn)一步優(yōu)化EG的添加量，得到最佳導(dǎo)熱系數(shù)、相變穩(wěn)定性及儲(chǔ)能密度的兩種復(fù)合PCM。接著，使用差示掃描量熱儀（DSC）、瞬態(tài)平面熱導(dǎo)儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射光譜（XRD）、紫外可見近紅外分光光度計(jì)（UV-NIR）對(duì)其熱物性、內(nèi)部微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)及太陽光譜吸收率進(jìn)行表征，揭示所制備的復(fù)合PCM高導(dǎo)熱性及相變穩(wěn)定性的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理。最后，探析所制備復(fù)合PCM在太陽能光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)方面的性能，研究結(jié)果表明，相同條件下復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG的光熱轉(zhuǎn)換性能相較于原始商業(yè)糖醇PCM分別提高了63.3%和79.5%。本文的研究思路為用于高效太陽能光熱轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)的復(fù)合PCM開發(fā)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要材料

木糖醇（98%，阿拉丁試劑有限公司），赤蘚糖醇（99%，阿拉丁試劑有限公司），可膨脹石墨（河南六工石墨有限公司，80目）。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用瞬態(tài)平面導(dǎo)熱儀（DZDR-S）測(cè)試了復(fù)合PCM熱導(dǎo)率；潛熱和熔化溫度使用動(dòng)態(tài)差示掃描量熱儀（Netzsch， STA449F3）進(jìn)行了測(cè)量；利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ZEISS， GEMINI 500）對(duì)復(fù)合PCM的微觀形貌進(jìn)行了表征；使用粉末X射線衍射光譜儀（Bruker D8 Advance）對(duì)復(fù)合PCM的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；使用紫外可見近紅外分光光度計(jì)（Lambd950）測(cè)試了材料的太陽能光譜吸收性能；光熱實(shí)驗(yàn)使用300 W氙燈（CEL-HXF300-T3）作為光源，使用紅外熱像儀/數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Keithley 2700）進(jìn)行溫度測(cè)試。

1.3 樣品制備

1）PCM的預(yù)處理：首先，將40 g木糖醇置于球磨罐，使用行星球磨機(jī)在250 r/min轉(zhuǎn)速下研磨處理15 min；然后，使用150目分樣篩對(duì)研磨過后的木糖醇粉末進(jìn)一步篩選處理，得到粒徑統(tǒng)一的微徑化木糖醇顆粒備用。赤蘚糖醇的預(yù)處理同上。

2）微波加熱制備EG：稱量1 g鱗片石墨（80目，98%）置于300 mL高溫坩堝中，使用實(shí)驗(yàn)用微波爐在400 W功率下對(duì)其加熱3 min進(jìn)行膨脹處理，得到大尺寸、蠕蟲狀EG備用。

3）機(jī)械混合-熔融真空吸附法制備Xy-in-EG：圖1所示，為基于固態(tài)糖醇基PCM與EG機(jī)械混合-熔融真空吸附法制備不同溫區(qū)復(fù)合PCM過程的示意圖。

首先，對(duì)不同糖醇PCM使用機(jī)械球磨法進(jìn)行微徑化處理，使其粒徑lt; 30 μm且形貌更加均勻，便于與EG進(jìn)一步復(fù)合；其次，將鱗片石墨使用微波加熱膨脹得到蠕蟲狀的大尺寸EG；然后，將預(yù)處理后的微徑化PCM前驅(qū)體顆粒加入不同質(zhì)量的蠕蟲狀EG中，并不斷攪拌，得到不同EG含量的復(fù)合PCM前驅(qū)體；最后，在真空干燥箱中加熱復(fù)合PCM前驅(qū)體并進(jìn)行真空吸附使得熔融的PCM進(jìn)入EG的孔隙中，得到復(fù)合PCM-in-EG。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合PCM的制備及其熱物性分析

圖2為不同EG含量時(shí)1 g Xy-in-EG和Er-in-EG復(fù)合PCM實(shí)物圖。由圖2可知，隨著EG含量的增加，復(fù)合PCM體積明顯增大，這是由于EG所特有的高比表面積及孔隙率引起的，同時(shí)高孔隙率也為其抑制復(fù)合PCM相變泄露提供了理論基礎(chǔ)，保證復(fù)合PCM的高效封裝。

為進(jìn)一步探究EG含量對(duì)復(fù)合PCM熱物性的影響規(guī)律，分別對(duì)不同EG含量時(shí)兩種復(fù)合PCM的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。如圖3a所示，隨著EG含量的增加，復(fù)合PCM導(dǎo)熱系數(shù)整體呈不斷增大的趨勢(shì)，分別從最初始的木糖醇0.42 W/（m·K）、

赤蘚糖醇 0.47 W/（m·K）提升至Xy-in-25%EG 4.39 W/（m·K）、Er-in-25%EG 3.61 W/（m·K）。分析可知，這是由于隨著復(fù)合PCM中EG含量的增加，復(fù)合PCM中EG之間形成的導(dǎo)熱通道得到極大地增強(qiáng)，EG帶來的高導(dǎo)熱石墨片層增加了復(fù)合PCM中的聲子傳遞路徑，減少了聲子散射。另一方面，復(fù)合PCM中EG含量的上升進(jìn)一步增大了材料內(nèi)部的高導(dǎo)熱石墨片傳熱面積，從而增加了復(fù)合PCM的傳熱效率。

對(duì)所制備的兩種復(fù)合PCM的相變焓及熔化溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在兩種復(fù)合PCM中，隨著EG含量的增加，其相變焓呈線性下降，這是由于EG含量的增加使得復(fù)合PCM中封裝的有效PCM量下降引起的。值得注意的是，兩種復(fù)合PCM的初始融化溫度并不會(huì)隨EG含量發(fā)生變化，始終與原始PCM相變溫度一致，表明制備的復(fù)合PCM內(nèi)部未生成新物質(zhì)（圖3b、圖3c），復(fù)合PCM的制備過程中僅發(fā)生物理變化。

2.2 復(fù)合PCM的相變穩(wěn)定性分析

相變穩(wěn)定性是制約相變儲(chǔ)熱技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的另一重要因素，特別是相變泄露帶來的儲(chǔ)熱裝置腐蝕、儲(chǔ)熱密度下降等問題一直以來備受關(guān)注。因此，在新型復(fù)合PCM的開發(fā)中，抑制相變泄漏是提升PCM應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵因素。對(duì)制備的復(fù)合PCM的相變泄漏性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為測(cè)試所制備的復(fù)合PCM的封裝穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中通過機(jī)械壓片法制備尺寸為3 cm×3 cm×1 cm、密度分別為1520和1450 kg/m3不同EG含量時(shí)兩種復(fù)合PCM定型樣品（圖4）。根據(jù)前邊的相變溫度測(cè)試結(jié)果，將Xy-in-EG和Er-in-EG分別加熱至100、130 ℃，并保溫1.5 h，使其能夠完全相變，觀察其封裝穩(wěn)定性。

復(fù)合PCM的相變封裝穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，原始木糖醇、赤蘚糖醇PCM（即EG含量為0）相變后形狀被破壞且嚴(yán)重泄露；當(dāng)EG含量為5%～10%時(shí)，相變前后形狀穩(wěn)定，但仍出現(xiàn)一定量PCM泄露，即發(fā)生了相分離現(xiàn)象。這主要是由于此時(shí)復(fù)合PCM中EG含量較小，PCM融化后EG內(nèi)部提供的孔隙不足以吸附過量的熔融PCM，引起部分PCM相變后溢出。導(dǎo)致其在應(yīng)用過程中會(huì)存在腐蝕儲(chǔ)熱裝置、污染環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)。而當(dāng)EG含量達(dá)到15%及以上時(shí)，復(fù)合PCM在相變過程中不會(huì)發(fā)生泄露，結(jié)果較為理想；說明此時(shí)EG帶來的孔隙結(jié)構(gòu)足以吸附復(fù)合PCM中熔融后的液態(tài)PCM，復(fù)合PCM相變前后形狀穩(wěn)定一致。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在后續(xù)研究中選擇Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG兩種復(fù)合PCM作為主要研究對(duì)象。

2.3 復(fù)合PCM的微觀形貌表征及其對(duì)導(dǎo)熱與封裝性能的強(qiáng)化機(jī)理分析

為進(jìn)一步探究復(fù)合PCM內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合PCM導(dǎo)熱及封裝性能的強(qiáng)化機(jī)理，利用SEM進(jìn)行樣品微觀形貌的表征。圖5為EG的微觀形貌圖，其整體呈現(xiàn)具有取向性的蠕蟲狀形態(tài)，這使得儲(chǔ)熱過程中熱流可通過其內(nèi)部進(jìn)行快速傳導(dǎo)，提升復(fù)合PCM內(nèi)部導(dǎo)熱性能，促進(jìn)復(fù)合PCM儲(chǔ)能過程中的功率密度。圖5中的局部放大圖內(nèi)部構(gòu)成為層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。豐富的孔隙及片層結(jié)構(gòu)為PCM顆粒的附著及熔融相變后的吸附提供了大量位點(diǎn)，是復(fù)合PCM封裝穩(wěn)定性的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，EG內(nèi)部的大尺寸單層石墨片的導(dǎo)熱最大可達(dá)到103 W/（m·K），在復(fù)合PCM中極大的提高了傳熱面積和聲子傳輸效率，提升復(fù)合PCM導(dǎo)熱性能。

復(fù)合PCM的微觀形貌表征結(jié)果如圖6所示，分別為兩種原始PCM及EG含量為15%時(shí)復(fù)合PCM及其熔融真空吸附前后的微觀形貌圖。由圖6a、圖6d可知，預(yù)處理后的微徑化PCM顆粒粒徑尺寸＜30 μm，形貌更加統(tǒng)一，有利于在復(fù)合PCM制備過程中附著及進(jìn)入EG的片層表面及孔隙內(nèi)部。圖6b、圖6e分別為Xy-with-15%EG和Er-with-15%EG兩種復(fù)合PCM在熔融真空吸附前的SEM圖像，在復(fù)合PCM中，處理后的微徑化PCM顆粒被成功附著在EG表面，且分布均勻，圖中圈出了EG表面的部分PCM顆粒。此外，進(jìn)一步研究熔融吸附后復(fù)合PCM的微觀形貌變化，如圖6c、圖6f所示。其整體結(jié)構(gòu)仍為蠕蟲狀形貌，然而，不同于熔融吸附前復(fù)合PCM中EG層次分明的層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)表面附著了大量PCM顆粒，熔融吸附后的復(fù)合PCM中EG的孔隙明顯被再結(jié)晶的PCM所填滿，且顆粒狀PCM很少，說明相變后的PCM得到了EG微孔的有效封裝，與前文封裝穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果一致。

為了更加直觀展現(xiàn)PCM在EG表面上的分布情況，進(jìn)一步測(cè)試兩種復(fù)合PCM的元素分布能譜如圖7所示。分析其中的C、O元素分布可知，兩種復(fù)合PCM中的PCM顆粒在EG表面分布均勻，說明該方法制備糖醇基復(fù)合PCM性能可靠，這與前文的分析一致。

2.4 復(fù)合PCM的化學(xué)結(jié)構(gòu)表征及其對(duì)封裝性能的影響分析

利用XRD探究復(fù)合PCM的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息對(duì)其性能的影響。如圖8a所示，首先分別測(cè)試EG與兩種原始PCM的XRD圖譜，明確幾種材料的特征峰位置。進(jìn)一步對(duì)比其與兩種復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG的XDR特征峰位置（圖8b、圖8c中樣品曲線）可知，復(fù)合PCM的所有峰位置等于原始PCM的峰位置疊加上EG的峰位置，且兩種復(fù)合PCM的特征峰位置均未發(fā)生偏移。這說明該方法所制備的復(fù)合PCM并未發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變，即制備過程只發(fā)生物理變化，復(fù)合PCM的儲(chǔ)熱性質(zhì)主要取決于其中PCM前驅(qū)體的性質(zhì)。此外，圖8b、圖8c中循環(huán)曲線為兩種復(fù)合PCM經(jīng)過50次相變穩(wěn)定性測(cè)試后的XRD圖譜，對(duì)比其與之前XRD特征峰位置發(fā)現(xiàn)：復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG在經(jīng)過循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試后的特征峰位置與其穩(wěn)定性測(cè)試前均保持一致，僅衍射峰強(qiáng)度發(fā)生部分變化，這是由于部分PCM進(jìn)入EG孔隙后導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度下降，意味著熔融相變不會(huì)對(duì)其化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)一步說明其熱穩(wěn)定性高，這與前邊的封裝穩(wěn)定性及微觀形貌表征結(jié)果一致。同樣地，對(duì)其他EG含量的復(fù)合PCM進(jìn)行XRD測(cè)試，如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同EG含量的同類復(fù)合PCM中，除了特征峰強(qiáng)度存在差異外，圖譜中的特征峰位置均相同。進(jìn)一步表明復(fù)合PCM的穩(wěn)定性主要取決于前驅(qū)體的穩(wěn)定性，因此在制備復(fù)合PCM時(shí)應(yīng)對(duì)其前驅(qū)體的穩(wěn)定性進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。

2.5 與國(guó)際前沿的對(duì)比及其用于光熱直接轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的應(yīng)用

進(jìn)一步對(duì)比本文所制備材料性能與國(guó)際相關(guān)研究的差異。表1列出了本文與國(guó)際相關(guān)報(bào)道的復(fù)合PCM的研究結(jié)果對(duì)比，這兩項(xiàng)性能參數(shù)主要反映了PCM在應(yīng)用過程中儲(chǔ)熱的功率密度和能量密度。相比之下，本文中制備的復(fù)合PCM具有更優(yōu)的儲(chǔ)釋熱速率和更高的儲(chǔ)熱密度。

如圖10所示，通過對(duì)原始PCM及所制備的復(fù)合PCM的太陽光譜吸收測(cè)試可知，兩種原始糖醇基PCM的光譜吸收率均低于40%，而本文中制備的Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG兩種復(fù)合PCM的平均光吸收率分別達(dá)到84.3%和86.9%。結(jié)合前邊的微觀形貌表征可知，EG特有的片層結(jié)構(gòu)能極大的增加入射光的有效輻射面；另一方面，EG表面的大量多孔結(jié)構(gòu)形成了光陷，增加了入射光的光程，提高了復(fù)合PCM的光熱轉(zhuǎn)換性能。

最后，基于制備的復(fù)合PCM優(yōu)異的性能，綜合考慮材料性能兼顧儲(chǔ)能密度。使用原始PCM木糖醇、赤蘚糖醇及制備的復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG進(jìn)行直接光熱轉(zhuǎn)換測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，通過模擬光源AM1.5（實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品表面的輻照強(qiáng)度調(diào)節(jié)至1000 W/m2）照射放置在樣品平臺(tái)上的PCM樣品，借助紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品表面溫度變化，探究不同材料的光熱轉(zhuǎn)換性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在300 W氙燈照射150 s后，測(cè)試樣品表面溫度迅速升高，隨后繼續(xù)照射至300 s，樣品表面溫度則緩慢上升，這是由于測(cè)試過程中未采取保溫措施，隨著溫度的升高，其對(duì)流與輻射熱損增大，溫度上升速率下降，如圖12所示。從圖12可看出，在經(jīng)過AM1.5模擬光源照射300 s后，木糖醇和赤蘚糖醇的表面溫度分別達(dá)到36.6和38.7 ℃。而在相同實(shí)驗(yàn)條件下，兩種復(fù)合PCM的表面溫度達(dá)到Xy-in-15%EG～43.2 ℃、Er-in-15%EG～45.1 ℃，不考慮樣品表面溫度差異造成的熱損，計(jì)算可知Xy-in-15%EG和 Er-in-15%EG的光熱轉(zhuǎn)換效率相較于原始的商業(yè)糖醇PCM分別提升了63.3%和79.5%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合PCM在太陽能直接光熱存儲(chǔ)方面的性能，結(jié)合前邊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選用赤蘚糖醇及Er-in-15%EG進(jìn)行直接光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。圖13為本團(tuán)隊(duì)搭建的直接光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，其中光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置主要由內(nèi)部的PCM填充室及外層儲(chǔ)水室構(gòu)成；儲(chǔ)水層與多通道溫度傳感器相接，通過熱電偶監(jiān)測(cè)外層水溫，可更加直觀地反映不同PCM的光熱轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)效率。

實(shí)驗(yàn)中光源為300 W氙燈，連續(xù)照射4 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。通過對(duì)比不同PCM填充下的外層水溫變化，可以發(fā)現(xiàn)，以復(fù)合PCM Er-in-15%EG作為光熱轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)材料時(shí)，僅需1.25 h就可使水溫升高至72.1 ℃，而使用原始赤蘚糖醇轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)相同的光熱能需要4 h，復(fù)合PCM Er-in-15%EG的光熱存儲(chǔ)速率相比于原始赤蘚糖醇提升了3.2倍。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法所制備的復(fù)合PCM較好的提升了糖醇基PCM的太陽能直接光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)效率。

3 結(jié) 論

為開發(fā)適用于中低溫太陽能規(guī)?；鎯?chǔ)的高性能復(fù)合PCM，本文提出EG強(qiáng)化PCM界面光吸收及增大材料內(nèi)部傳熱面積強(qiáng)化導(dǎo)熱的糖醇基高性能直接光熱轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)復(fù)合PCM開發(fā)思路。研究中以糖醇基PCM為前驅(qū)體，通過與EG的機(jī)械混合-熔融真空吸附，制備了兩種不同溫區(qū)的復(fù)合PCM；通過對(duì)復(fù)合PCM的微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)以及熱物性的表征及分析，獲得了EG添加量對(duì)復(fù)合PCM性能的影響規(guī)律，揭示了復(fù)合PCM性能提升的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，并研究了其在光熱直接轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)方面的綜合性能。主要結(jié)論如下：

1）蠕蟲狀EG具有較豐富褶皺片層和極大的比表面積，為固態(tài)PCM顆粒的附著提供了大量位點(diǎn)，EG片層獨(dú)特的高導(dǎo)熱性使得復(fù)合PCM內(nèi)部的傳熱面積增加，有利于形成有效的導(dǎo)熱鏈路，從而提高了復(fù)合PCM導(dǎo)熱性能。當(dāng)EG含量為25%時(shí)，兩種復(fù)合PCM導(dǎo)熱系數(shù)提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，分別為Xy-in-25%EG～4.39 W/（m·K），Er-in-25%EG～3.61 W/（m·K）。

2）EG內(nèi)部存在大量的層級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)能有效地吸附熔融相變的液態(tài)PCM，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM的有效封裝。當(dāng)EG含量大于15%時(shí)，兩種復(fù)合PCM相變過程均無泄漏且性能穩(wěn)定。

3）EG的高比表面積較大的增大了入射光的有效光熱界面，層級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)增加了入射光程，使得Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG兩種復(fù)合PCM的太陽光譜吸收率分別達(dá)到84.3%和86.9%。

4）復(fù)合PCM Xy-in-15%EG和Er-in-15%EG的直接光熱轉(zhuǎn)換效率相較原始木糖醇和赤蘚糖醇分別提高了63.3%和79.5%，Er-in-15%EG的光熱存儲(chǔ)速率比赤蘚糖醇提升了3.2倍。

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PREPARATION AND STUDY ON PHOTOTHERMAL CONVERSION AND

STORAGE PERFORMANCE OF SUGAR ALCOHOL-BASED

COMPOSITE PHASE CHANGE MATERIALS

Qian Cuncun1，Li Mingjia2，Zhang Hongtai1

（1. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE， School of Energy and Power Engineering，

Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China；

2. School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Abstract：To enhance the direct solar-thermal conversion and storage performance of sugar alcohol-based phase change materials （PCMs） and promote their large-scale application in solar thermal energy storage， Xy-in-EG （94 ℃） and Er-in-EG （120 ℃） composite PCMs with high thermal conductivity and excellent light-to-thermal conversion efficiency were prepared using mechanical mixing and melting vacuum adsorption. Xylitol and erythritol served as PCM precursors， while expanded graphite （EG） was used as a thermal conductivity additive. The application of these composite PCMs in solar-thermal direct conversion and storage was systematically investigated. The results show that with 25% EG content， the maximum thermal conductivity of the Xy-in-EG and Er-in-EG composite PCMs reached 4.39 W/（m·K） and 3.61 W/（m·K）， respectively， which is approximately an order of magnitude higher than that of the original PCMs. When the EG content was 15%， the solar spectral absorptivity of the composite PCMs reached 84.3% and 86.9%， respectively. At this concentration， the composite PCMs achieved stable encapsulation， without issues such as phase transition leakage caused by phase separation during the heating and melting phase transition processes. Furthermore， in solar-thermal direct conversion and storage experiments， the solar-thermal conversion efficiency of Xy-in-15%EG and Er-in-15%EG composite PCMs increased by～63.3% and 79.5%， respectively， compared to commercial xylitol and erythritol PCMs." The photothermal storage rate of Er-in-15%EG was 3.2 times higher than that of commercial erythritol.

Keywords：phase change materials； thermal conductivity； solar energy； photo-thermal conversion； thermal energy storage