新材料可以在当天储存太阳能并以热的形式释放

2018-05-16

em麻省理工学院的工程师开发出了一种新材料,可以在白天收获阳光,并在几小时或几天后释放热量。 < / EM>

想象一下,如果您的衣服能够根据需要释放足够的热量以保持温暖舒适,您可以在恒温器设置上回拨,并在凉爽的房间中保持舒适。或者,拍摄一辆储存太阳能量的汽车挡风玻璃,然后将其释放为一阵热量以融化掉一层冰。

根据麻省理工学院的一个研究小组,研究人员表示,这两种情况可能不会持续太久,这要归功于一种新材料,可以在白天存储太阳能,并在需要时以热量释放。这种透明聚合物薄膜可以应用于许多不同的表面,如窗玻璃或衣服。

虽然太阳是一种几乎取之不尽的能量来源,但它只有大约一半的时间需要它 - 白天。为了让太阳成为人类需求的主要力量提供者,必须有一种有效的方式来保存它在夜间和暴风雨天使用。大多数此类努力都集中在以电力形式储存和回收太阳能,但新的发现可以提供一种高效的方法,通过化学反应来储存太阳能,并在晚些时候作为热量释放。

麻省理工学院教授Jeffrey Grossman,博士后David Zhitomirsky和研究生Eugene Cho的发现在Advanced Energy Materials杂志上发表。该团队说,实现太阳能热量长期稳定储存的关键是将其储存在化学变化的形式中,而不是储存热量本身。尽管随着时间的推移热量不可避免地会消散,无论其周围的绝缘有多好,化学储存系统可以将能量无限期地保持在稳定的分子构型中,直到其释放被小的热量(或光或电)引发。

具有两种配置的分子

关键是可以在两种不同配置中保持稳定的分子。当暴露在阳光下时,光的能量将分子踢入其“带电”的构型,并且可以长时间保持这种状态。然后,当被非常特定的温度或其他刺激触发时,分子会恢复到原来的形状,在此过程中释放出热量。

这种称为太阳热能燃料(STF)的化学储能材料之前已经开发出来,包括格罗斯曼和他的团队在之前的工作中。但是,这些早期的努力“在固态应用中的用途有限”,因为它们被设计用于液体溶液中,并且不能制造耐用的固态电影,Zhitomirsky说。这种新方法是第一种基于固态材料,在这种情况下是聚合物,第一种是基于廉价材料和广泛的制造技术。

多伦多大学的大学教授泰德萨金特说:“这项工作为同时采集和储存单一物质的能量提供了一个令人兴奋的途径,他没有参与这项研究。

制造这种新材料只需要两个步骤,“非常简单,可扩展性强”,Cho说。该系统是基于以前的工作,目的是开发一种太阳灶,可以在日落后储存太阳能进行烹饪,但是“这方面存在挑战”,他说。该团队意识到,如果储热材料可以制成薄膜形式,那么它可以“结合到许多不同的材料中”,他说,包括玻璃甚至织物。

为了使电影能够存储有用的热量,并确保它可以轻松可靠地制造,团队开始使用称为偶氮苯的材料,它们响应光线而改变其分子构型。然后,偶氮苯可以通过微小的热脉冲来激发,以恢复其原始构型并在该过程中释放更多的热量。研究人员修改了材料的化学成分,以改善其能量密度 - 在给定重量下可存储的能量数量 - 形成平滑均匀层的能力以及对激活热脉冲的响应能力。

把冰甩掉

格罗斯曼,Morton和Claire Goulder以及环境系统家庭教授和材料科学与工程教授说,他们最终获得的材料是高度透明的,这可以使其对汽车挡风玻璃除冰有用。虽然许多汽车已经为此埋入了后窗玻璃中的精细电热丝,但任何妨碍通过前窗观看的东西都是法律禁止的,即使是细线也是如此。但是,由新材料制成的透明薄膜夹在两层玻璃之间 - 正如目前用粘合聚合物所做的那样,以防止碎玻璃碎片在事故中飞来飞去 - 可以提供相同的除冰效果而不会发生任何堵塞。他说,德国汽车公司宝马公司是这项研究的赞助商,他对这种潜在的应用感兴趣。

有了这样的窗户,每次汽车在阳光下坐下时,能量都会储存在聚合物中。然后,“当你触发它时”,只需使用一根电热丝或加热空气即可提供的少量热量,“就能得到这种热量,”格罗斯曼说。 “我们做了测试,表明你可以获得足够的热量以将挡风玻璃上的冰块掉下来。”他解释说,实现这一点,并不要求所有的冰块实际上都会融化,而是最接近玻璃的冰块融化得足以提供这层水会释放其余的冰块在重力作用下滑落或被挡风玻璃刮水器推开。

格罗斯曼说,该团队正在继续努力改善电影的属性。这种材料目前有淡淡的淡黄色,所以研究人员正在努力提高其透明度。它可以释放比周围温度高10摄氏度的爆炸 - 足以满足冰融化应用 - 但他们正试图将其提高到20度。

现在这个系统已经可以为电动汽车带来巨大的好处,它们在加热和除冰方面投入了太多的精力,以至于在低温条件下,它们的行驶里程可以降低30%。格罗斯曼说,新聚合物可以显着减少排水量。

“这种方法具有创新性和独特性,”多伦多大学的萨金特说。 “这项研究是从科学和工程角度对固态储能/放热材料进行实际应用的一大进步。”

这项工作得到了NSERC加拿大班廷奖学金和BMW的支持。

出版物:David Zhitomirsky等人,“用于散热应用的固态太阳能热能燃料”,Advanced Energy Materials,2016; DOI:10.1002 / aenm.201502006

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler