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瑞典查尔默斯理工大学的研究人员提出了一种高效的混合太阳能热能存储系统，该系统将分子太阳能热能存储体系中化学键的能量存储与热水中的热能存储相结合。该系统旨在以液体形式储存太阳能，通过将其连接到超薄芯片热电发电机，该团队现在已经证明了它可以发电，他们认为这一发展为按需使用太阳能的自充电电子产品奠定了基础。

高效的太阳能转换和太阳能存储解决方案对可持续社会的发展至关重要。将太阳能转化为热能和电能的技术正在被广泛使用。太阳能转换最常见的概念是太阳能到电能转换（光伏发电）和太阳能到热能转换（太阳能热水系统）。

最常见的光伏技术是基于单晶硅太阳能电池。由于光谱损耗，单晶太阳能光伏电池的最大效率估计为32%，而当前模块的典型效率高达20%以上。相反，太阳能水加热系统（SWH）通常具有20-80%的效率（太阳能加热）。从多晶与单晶文章中了解更多关于单晶光伏的信息。

 

 

最近，来自瑞典和中国的一个研究小组开发了一种能源系统，据说该系统能够将太阳能作为化学能储存长达18年，并使太阳能热水系统和太阳能储存的组合效率高达80%。更重要的是，这种储能系统还可以通过超薄芯片作为发生器集成到耳机、智能手表和手机等电子产品中。瑞典查尔默斯理工大学的科学家团队一直致力于将太阳能直接储存在有机化学品的化学键中，并开发了分子太阳能热能储存系统。

早在2013年，该系统就在概念上得到了证明，它将太阳能作为潜在的化学能储存在化学键的光异构化中，使太阳能能够储存在液体介质中，不仅可以按需从太阳释放能量，而且可以运输。瑞典查尔默斯理工大学的科学家最近与上海交通大学的研究人员合作，将这种太阳能存储系统更进一步，将其与紧凑型热电发电机相结合，将太阳能转化为电力。实验表明，它可以按需发电。

 

 

什么是分子太阳能热能存储系统

分子太阳能热能存储系统将太阳能作为光异构化的潜在化学能存储在化学键中，化学键的核心是专门设计的碳、氢和氮分子。当它与阳光接触时，分子中的原子会重新排列，改变其形状，并将其转化为能量丰富的异构体，这些异构体可以以液体形式储存。

 

 

在分子太阳能热能存储系统中，母体分子暴露于太阳光子，从而转化为高能光异构体，其在动力学上是稳定的；同时，它可以通过热活化或使用催化剂异构化回母体分子并释放热量。

例如，基于降冰片二烯四环烷烃的分子太阳能热能存储系统，科学家将一种名为降冰片二烯的碳氢化合物暴露在光下，光会改变其化学键，将其转化为四环烷烃，太阳能在这个过程中作为潜在的化学能存储在化学键中。

改变四环烷烃的温度或将其暴露在催化剂中具有逆转作用，以热的形式释放能量。该系统显示出高达966 kJ kg-1的储能密度  储存时间超过几个月。

 

 

经过研究，对高效分子太阳能热能存储系统的要求可以概括为：

（1） 母体化合物必须吸收大部分太阳光谱；

（2） 光异构体不得竞争吸收阳光；

（3） 光反应的量子产率应为100%；

（4） 储存的能量密度应超过300 kJ kg-1；

（5） 光异构体必须长时间保持稳定

（6） 所有反应都必须定量进行，例如允许多次太阳能储存释放循环。

 

混合太阳能系统

在分子太阳能热能储存系统的基础上，查尔默斯理工大学的研究人员提出了一种由分子太阳能热能存储系统（MOST）和太阳能热水系统（SWH）组成的混合太阳能系统，使利用分子太阳能热能储存系统无法利用的子带隙光子成为可能。

这种混合太阳能系统可以有效地利用太阳能热水系统（SWH）的低能量光子，并将化学能形式的高能光子存储在分子太阳能热能存储系统（MOST）中。通过使用降冰片二烯四环烷烃（NBD-QC）系统存储部分太阳能，可以将长期能量存储和按需能量输送添加到现有的低温或中温太阳能热水系统（SWH）中。

 

 

为了证明在SWH中加入分子太阳能热储能的效果，研究人员设计了一种微流体混合装置。混合装置由两层组成，底层为SWH（深灰色），顶层为分子太阳能热能（浅灰色）。上部分子太阳能热部分由熔融二氧化硅微流体芯片组成；它允许来自太阳光谱的高能光子将降冰片二烯（NBD）光化学转化为四环烷烃（QC）。

如图所示，能量低于降冰片二烯（NBD）吸收起始点的光子有效地穿过装置的上层，并用于加热下部收集器中的水，下部收集器由覆盖有石英玻璃片的3D打印流动池组成。该装置的正面尺寸约为2×2cm。

 

 

（a） 用于NBD 1和2的溶液与可见光范围（1.5 AM）内的太阳光谱的光谱重叠；红线表示分子太阳热的透射率，（虚线对应1，实线对应2）。（b） 化合物1和2的化学结构。

同时，为了进一步评估降冰片二烯的性能，在60°C的溶液中对最有前途的化合物（2）进行了循环测试（光异构化和随后的热转化）。

化合物（2）经历了127次循环，降解可忽略不计，显示出优异的稳健性。此外，循环试验是在环境条件下进行的（无放气），导致每个转化循环0.2%的降解，这表明需要无氧环境才能进行可忽略的降解。

 

 

在循环试验中，光转换后在60°C下进行热反应，共127次循环。在热转化和光异构化的每个半周期之后，2的溶液的归一化吸收（au）显示在途中。插图显示了循环81至86的归一化吸收（au）的细节。

该团队负责人说：“这项技术意味着我们可以将太阳能储存在化学键中，并在需要时将其作为热量释放。”。“混合太阳能系统将化学储能与水加热太阳能电池板相结合，可以转换80%以上的入射阳光。”

 

分子太阳能热能储存系统的特点和挑战

由于分子太阳能热能存储系统中的一部分能量以化学键的形式存储，因此存在非常稳定的长期存储的潜力，这受到存储容量大小的限制。这种能量可以以非常精确的数量和高度的可靠性进行运输和输送。

同时，该实验系统的技术性能为397 kJ kg-1=110 W h kg-1（当前化合物：降冰片二烯），略低于前十大锂离子电池制造商比亚迪磷酸铁锂刀片电池的140 W h kg-1；电势为966kJ kg-1＝268 W h kg-1（未取代的降冰片二烯），

它与现代锂离子电池化学物质的能量密度非常有竞争力，这表明它在任何使用电池能量进行电阻加热的应用中都可能是一种可行的技术。它还超过了大多数常见相变材料的熔化焓（例如，石蜡为200-270 kJ kg-1）。

因此，从重量级能量密度的角度来看，分子太阳能热能存储系统也具有竞争力。此外，分子太阳能热能存储系统表现出很强的可回收性，如前所述，在循环测试（光异构化和随后的热转化）中，化合物（2）经历了127次循环，降解可忽略不计，表现出优异的稳健性。

分子太阳能热技术未来的任何大规模应用都面临两个主要挑战，这两个挑战共同构成了长期的研发路线图。在这种热化学储存技术的进一步发展中要克服的第一个挑战可能是溶剂的毒性。减少毒性或消除溶剂将开辟更多潜在的应用，例如可以通过太阳充电并在太阳下山时烹饪的便携式烹饪器具。

其次，与任何新技术一样，分子太阳能热技术也面临着高成本的挑战。在这种系统能够在大宗能源应用中与其他太阳能可再生技术竞争之前，需要通过大规模生产成分化学品来降低成本。

 

未来的应用和发展

分子太阳能热能存储系统的工作原理是吸收光子并以亚稳态光异构化状态存储能量，其捕获的能量可以在这种液态下存储长达18年，然后由专门设计的催化剂将分子恢复到原始形状并将能量以热的形式释放。查尔默斯理工大学的团队目前正在与中国上海交通大学的科学家合作，他们使用一种紧凑的热电发电机将热量转化为电力。

查尔默斯科技大学的研究人员说，“发电机是一种超薄芯片，可以集成到耳机、智能手表和手机等电子产品中。到目前为止，我们只生产了少量电力，但新的结果表明，这个概念确实有效，而且看起来非常有前景。为移动设备充电的分子太阳能热能存储系统的概念图

概念验证电流输出高达0.1nW（每单位体积的功率输出高达1.3W m-3），这可能很小，但科学家们看到了他们的分子太阳能热能存储系统的巨大潜力，该系统可以通过一个单一的存储解决太阳能的间歇性问题数月或数年，并按需使用。

 

 

查尔默斯大学化学与化学工程教授兼该研究负责人表示，“这是一种利用太阳发电的全新方式。这意味着我们可以利用太阳发电，而不受天气、时间、季节或地理位置的影响。这是一个封闭的系统，可以在没有二氧化碳排放的情况下运行。”

在证明该系统可以用于发电后，该团队正专注于提高其性能，同时致力于为小工具充电和家庭供暖提供负担得起的商业解决方案。此外，该系统还可用于卫星热控制系统。

打破竞争激烈的太阳能领域的商业化障碍将是一项重大而艰巨的挑战，但考虑到太阳能技术的创新性质和当前全球逐步淘汰化石燃料的趋势，突破很可能正在发生。