近日，我院师生在国际期刊《Energy》（IF=7.147）在线发表了题为“Energy harvesting and storage blocks based 3D oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for solar thermal application”的研究论文。该论文是以上海第二工业大学能源与材料学院为第一单位，上海第二工业大学邴乃慈副教授和于伟教授通力合作的结果。这是我院深植材料研究领域的又一重要成果。
图文摘要
有机固液相变材料（PCM）的光热转换和存储在克服不连续太阳辐射方面显示出巨大的潜力。然而考虑到制造出色的光热转换、传热和能量存储的集成设备仍然是一个挑战。文中，作者通过压缩诱导石墨片自组装构建3D取向膨胀石墨(EG)，然后加载硬脂酸(SA)以形成取向PCM。在相同的石墨质量分数和填充密度下，3D PCM的面内热导率、热响应和储能密度优于非取向PCM。当石墨含量为20wt%时，定向相变材料的热导率比非定向相变材料高34.2%，潜热保持在159.36 J/g以上。我们进一步制备了储能砖，并协调定向EG垂直于铜管轴向的热传导。储能砖的光热能转换效率达到95.3%，充放电过程平均功率分别为2.1 kW和2.4 kW。该太阳能储能装置的设计方法提高了PCMs的光热转换、储能效率，为大规模光热应用提供了一种简单且经济的策略。
图1.构建定向3D石墨骨架与EG/SA定向复合块的合成示意图。
图2.储能系统示意图。
图3. (a)原始EG、(b) 3D定向EG、(c) PCM1 (S2)和(d) PCM2 (S8)的SEM图像。（SA标记为蓝色）。
图4. SA、EG、PCM1 (S2)和PCM2 (S8)的(a) XRD光谱和(b) FT-IR光谱。
图5.纯SA、PCM1和PCM2的相变行为。(a)纯SA和S8在加热和冷冻过程中的DSC曲线。(b)纯SA和加热和冷冻过程中的DSC曲线。(c)纯SA、S2、S8和S10的熔化和凝固潜热。(d) S2在不同循环时间的潜热。
图6. PCM1和PCM2在室温下的热传导特性。(a) PCM2的TC随EG含量的变化而变化(所有复合材料的堆积密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b)不同堆积密度的PCM1和PCM2的TC。(c) PCM1和PCM2的TC机制。(d)不同复合材料的TC和增强因子比较。
图7.不同样品的加热和冷却过程及表面温度的红外热图像。
图8.光热转换性能测试得到的不同样品的时间-温度曲线。(a)样品光热转换性能实验装置示意图。(b)从两个光热表面到复合块的传热示意图。(c)两个光热表面和纯SA表面的全光谱吸收。阴影显示太阳辐射。(d)在100 mW·cm-2光强下，炭黑@3D表面和纯SA复合块内部的温度分布。(e)在极端日照强度下，PCM1和PCM2的内部温度分布。Journal Pre-proof 21插图显示了其潜热存储时间。(f)不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）储能砖的热性能。插图显示了它的能量存储时间。
图9. (a)储能砖传热过程示意图和(b)红外照片。
图10. (a)和(b) PCM1在不同进水温度下的加热和冷却过程。(c)和(d)在加热过程中特定进水温度下ESB1和ESB2的温度演变。