【文章信息】

光波导内通光加速太阳能相变蓄热

第一作者：张亚芳

通讯作者：刘宏，薛国斌

单位：济南大学

Article Title : Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide

Cite: Nat. Commun. 2023, 14, 3456; DOI : 10.1038/s41467-023-39190-1

【研究内容】

高效、稳定的利用“取之不尽、用之不竭”的太阳能，对于缓解化石能源危机、保护“青山绿水”具有重要意义。在各种太阳能利用技术中，太阳能蓄热技术通过利用蓄热材料将太阳能以热能形式储存起来，以应对太阳能间歇性的问题，很好的权衡了能量供给与需求在时间尺度上的不平衡关系。不过各种蓄热材料特别是相变蓄热材料如石蜡、熔融盐等，热导率一般较低，导致蓄热速率较低，特别是在大功率蓄热中，甚至会因为能量累积出现局部过热现象，进而影响蓄热效率和稳定性。

近期，来自济南大学的薛国斌教授、刘宏教授团队提出了一种内通光模式增强太阳能相变速率的策略，通过侧发光光波导纤维将太阳光传输到石蜡-石墨烯复合材料中，在空间维度上调节太阳热转换界面。这种内部供光模式避免了蓄热材料（PCM）表面过热，充能速率比表面照射模式提高了123%，太阳能热效率提高到94.85%。此外，采用内通光供能方式的器件在大型室外也能有效工作，表明了该热固定定策略在实际应用中的潜力。。该研究成功以“Accelerating the solar-thermal energy storage via inner-light supplying with optical waveguide”为题，发表于Nature communications，第一作者为济南大学物理学院张亚芳博士。

图1 表面辐射（a）和内通过模式（b）太阳能相变蓄热示意图。

图2 光波导纤维侧发光性能表征。

本文所用的商业PMMA基光波导纤维如图2a所示，光主要由光导纤维端面发出，这种光导纤维在日常生活中经常被用来作为灯光装饰品。经过化学刻蚀（丙酮正己烷溶液），光滑的波导纤维表面形成粗糙结构（图2b-e），这种粗糙结构可以赋予光导纤维侧方光性能（图2f-g）。不同刻蚀时间下光导纤维侧发光性质如图2h。利用COMSOL模拟不同粗糙结构下侧面发光性能，可以看到孔径大小会直接影响侧发光性能（图2i,j）。通过实验结果结合模拟分析，可选定最均匀的侧面发光纤维。

图3 实验室条件下光热存储过程研究

然后将这种光导纤维组装到相变材料内，利用波长450 nm激光进行相比蓄热测试，如图3a。图3b比较了有无光导纤维时相变材料的温度分布随时间变化，并将温度分布提取出来，如图3c 和3d。可以明显的看出，光导纤维存在时，蓄热更快，在30min时有光导纤维的样品基本全部相变（4cm），而直接辐照模式下石蜡只有一般达到相变温度（2cm）。将蓄热55分钟后的装置如图倒置，容器内剩余的石蜡如图3e所示。可以看到，光波导存在时石蜡基本全部融合，而表面辐射模式下石蜡只融化了表面的一部分。图3f为循环稳定性测试，在光导纤维辅助下，相变储能材料可以很好的完成多次蓄热与散热。

图4 太阳能相变蓄热户外测试

为了验证这种策略的实用性，作者在一个较为晴朗的夏季的上午进行了户外实验，比较了有无光波导纤维是太阳能相变蓄热的效果，如图4a-d。相变材料的温度变化用红外相机进行记录，如图4e，在光波导纤维的辅助下，容器中的石蜡可以很快融化，而没有波导纤维的对照组在相同时间内只能融化一小部分（图4f-g）。

图5 大尺寸下的太阳能相变蓄热性能研究

为了进一步验证这种策略在扩大蓄热材料规模时的可行性，搭建了如图4a-c所示简易的户外装置。作者将光导纤维以阵列形式插入500 mL的石蜡中，利用聚光镜将光导入光导纤维。蓄热过程如图4d和4e所示，大概经过80 min，500 mL石蜡全部达到相变温度，证明了这种策略的可拓展性。

另外，作者指出，这种内通光模式可以和现有的增强蓄热材料热导率的策略结合，从光传输和热传输两个方面共同实现高效的太阳能相变蓄热；光波导纤维也可以选用无机的玻璃纤维，以匹配中高温蓄热过程。