节省热量直到你需要它

麻省理工学院的研究人员已经证明了一种储存汽车发动机未使用热量的新方法,工业机械,甚至在需要的时候也能享受阳光。他们系统的核心是研究人员所说的“相变”材料,它在熔化时吸收大量的热量,在再溶解时释放出来。

一旦被紫外线熔化并激活,这种材料储存吸收的热量,直到可见光束触发凝固和放热。这种控制的关键是添加分子,通过改变形状来对光作出反应,从阻碍凝固的分子变成允许凝固的分子。在概念验证实验中,研究人员将一种液态样品混合物保持在室温下——完全低于10摄氏度——应该在那里凝固——然后,10小时后,使用光束来触发凝固并释放储存的热能。

一半以上的能量用来驱动机械,化学的,其他过程则以热的形式被排放到环境中。发电厂,汽车发动机,以及工业过程,例如,产生大量的热量,但使用其中相对较小的一部分来实际工作。当阳光提供充足的辐射能时,如今的光伏设备只将其中的一小部分转化为电能。其余的被反射或吸收并转化为未使用的热量。

挑战在于找到一种方法来储存所有的热能,直到我们想要使用它。杰弗里·格罗斯曼,莫顿和克莱尔·古尔德,环境系统家庭教授,材料科学与工程教授,德赢手机版这个问题已经解决了十多年了。

储存热能的一个好方法是使用相变材料(PCM),如蜡。加热一块固体蜡,它会逐渐变热,直到开始融化。当它从固相转变为液相时,它会继续吸收热量,但它的温度基本上保持不变。一旦完全融化,随着热量的增加,它的温度将再次开始升高。然后是好处。当液体蜡冷却时,它会凝固,正如它所做的那样,它将释放所有储存的相变热,也叫潜热。

PCMS现在应用于太阳能浓缩器等领域。建筑供暖系统,以及偏远地区的太阳能炊具。但是,虽然多氯联苯可以释放出大量的热量,没有办法精确控制他们什么时候做。时间取决于周围空气的温度。

“你可以给电池充电,它会储存电力直到你想用它,说,在你的手机或电动车里,”格罗斯曼说。“但是当太阳出来的时候,人们必须加热他们的太阳能炊具,当他们想吃晚饭的时候,它很可能把所有储存的热量都散发到凉爽的夜晚空气中。”

因此,多氯联苯被证明是一种非常成功的热能储存方法,但是,以一种有用的方式将其恢复出来仍然是一个挑战。格罗斯曼说:“我们需要的是一个能让我们控制热量释放时间的触发器。”

能够触发的分子

几年前,格罗斯曼开始怀疑他是否已经有了所需的扳机。在相关工作中,他的小组一直在研究光开关这种特殊分子的能量存储。

在光开关上照射一定波长的光,它的形状也会改变。同样的原子存在,但它们之间的相对方向发生了变化。此外,它们将保持这种变换的结构,直到它们暴露在另一波长的光中。然后它们会恢复原来的形状,在这个过程中释放热能。

格罗斯曼的团队在设计存储能量的光开关方面取得了良好的进展,但是分子有一个关键的限制:它们只能通过光转换成它们的储能结构。因此,他们不能使用汽车或其他机器或阳光产生的废热充电。

因此,材料科学与工程系的格罗斯曼和前博士后格蕾丝•韩和华山•李开始研究以新的方式使用光开关的可能性——作为控制相变材料能量释放的触发器。德赢手机版

“我们可以调整它的化学性质,使它在一种形式下与相变材料非常匹配,但是当我们切换它的时候,它不再匹配了,”格罗斯曼解释说。

如果以不匹配的形式与熔化的PCM混合,光开关可以防止它变成固体,甚至低于它的正常凝固温度。不同波长的光照可以改变光开关的匹配结构。然后PCM会凝固,释放储存的潜热。

概念验证测试

为了探索这种方法的可行性,研究人员使用一种称为十三酸的传统PCM,制备了一种特殊的光开关分子偶氮苯。它由两个相连的原子环组成,原子环之间的位置可以不同。

以分子的“反式”形式,环是扁平的-它是自然发生的基态。以其“cis”形式,其中一个苯环相对于另一个苯环倾斜56度,研究人员说。它根据光线从一个形状切换到另一个形状。将紫外线照射在平板上,它会扭曲。在扭曲的版本上发出可见光,它会变平。

上面幻灯片中的图1显示了格罗斯曼所说的热能储存和释放循环,并说明了偶氮苯光开关作为低浓度“掺杂剂”(一种添加来改变物质性质的物质)所起的作用。当PCM偶氮苯混合物,或复合材料,与偶氮苯呈反式固态,这两种成分紧密地结合在一起。受热时,复合材料吸收热能,PCM熔化。在紫外光照射下,偶氮苯掺杂剂由反式改为顺式。当混合物冷却时,顺式偶氮苯可防止PCM凝固,因此潜热仍然存在。可见光照明将偶氮苯转换回其反式形式。混合物现在可以凝固,释放过程中储存的潜热。

一系列的测试表明他们的系统运行良好。将一盏紫外线灯(波长为365纳米)照射在液体混合物上,使大部分起始的反式偶氮苯分子转变为顺式偶氮苯分子。一旦被起诉,这种混合物即使在室温下也不会凝固——完全低于10摄氏度,在这里没有带电荷的光电开关。

用可见光(450纳米)照射液体30秒,激活凝固并释放储存的潜热。此外,基本上,所有的潜热都出来了——很少或没有一个潜热因泄漏而丢失。“通过增加的开关,热能被锁住了,”格罗斯曼说。“因此,对于用来防止热量从传统的PCMS中泄漏出来的厚绝缘材料,可能不需要太多。”

当研究人员没有把可见光照在他们的混合物上时,他们发现它在低于初始凝固点的温度下保持液态10小时。然后混合物逐渐凝固,释放储存的热量。

为了证明系统的耐久性和可重复性,研究人员在超过50小时的时间内,在充放电之间来回切换了100次。在初始放电步骤中,PCM的结晶度与起始材料略有不同,但之后,其结构保持不变。

其他测试证实了仔细选择或设计与特定PCM有效交互的光开关的重要性。再一次,光开关必须与液体PCM充分混合才能形成复合材料,并且必须改变,当被光激活时,混合或干扰所选PCM包装的两个不同结构之间。研究人员还发现,优化光开关在PCM中的浓度至关重要。如果太低,不会影响凝固。当它太高时,紫外线不能完全穿透混合物,掺杂分子可以相互反应,聚集在一起,而不是分散得很好,并防止了PCM包装。

实用装置基础

格罗斯曼强调到目前为止这项工作是原则的证明。他说:“要根据这个概念制作应用程序需要做很多工作。”

但是研究人员设想了以下类型的装置:这种混合物将被保存在一个装有窗户的容器中,窗户可以被盖住以控制光线的摄入。热交换器将太阳能或其他来源的热能输送至PCM复合材料,另外,一个单独的LED或气体放电灯会同时将紫外光透过无遮盖的窗户照射进来,给偶氮苯掺杂剂充电。然后将窗户覆盖起来,以便进行热存储,即使混合物降至室温。

当需要放热时,窗户会被打开,液体复合材料将暴露在环境光或蓝色LED光下以获得更快的响应。窗户将由普通的硼硅酸盐玻璃制成,它能传输90%以上的紫外线和可见光,容器内的搅拌器有助于防止偶氮苯分子粘在一起。

电影,珠,以及不同的材料

格罗斯曼的团队正在继续致力于应用和改进蓄热概念。例如,他们正在研究它作为一种新型除冰系统的可能用途——格罗斯曼一直感兴趣的话题,世卫组织指出,今天的电动汽车在除冰和取暖方面消耗了大量的电池能量,在寒冷的天气下,它们的行驶里程会下降30%。更好的方法是将热能储存在薄的当需要融化那层麻烦的冰时,它会引发一股热。

“考虑到这一点,格罗斯曼说:“我们想知道,我们是否可以在更大的面积上用我们的材料制作薄膜,让它表现出我们在实验室样品中看到的相同行为。”他们把液态的PCM复合材料放在一块玻璃板上,把另一张纸放在上面,把它封起来。他们发现他们可以用紫外线给混合物充电,然后用可见光放电。把储存的相变能作为热能回收。此外,他们可以选择性地这样做,使膜的一部分凝固,其余部分保持液态。

其他的工作重点是设计一种太阳能炊具,它可以在太阳下山后储存热量,比当今最好型号的10分钟长。它仍然依靠传统的pcm来存储。PCM复合材料可以做得更好,除了一个缺点:当它从固体变成液体时,它的体积也会变化——可能会损坏容器。

为了防止这种行为,C.Dric Vyy,材料科学与工程研究生和德赢手机版塔塔技术设计中心,正致力于用二氧化硅或碳酸钙制成的外壳将这种复合材料封装在微珠中。受限复合材料将经历必要的相变,但强壳会限制无侧限混合物中发生的大量体积变化。胶囊珠可以悬浮在其他液体中,更好的将光传送到材料中的方法是可能的。“一旦我们让微胶囊发挥作用,将会有更多的应用程序,”格罗斯曼说。

最后,研究人员正在将他们的概念扩展到不同的材料和温度范围。格罗斯曼说:“我们已经找到了系统工作方式的一些有趣和重要的技术方面,尤其是,PCMS和光开关如何在分子水平上相互作用。”

这种基本的理解已经使他们能够开发出使用具有不同分子结构的多氯联苯的系统——特别是,vwin手机版有原子链而不是原子环-以及为每一个优化的光开关。未来,格罗斯曼认为,他们应该能够开发出能够储存更多热能并能在各种温度范围内工作的系统,vwin手机版包括对生物医学和电子应用感兴趣的低温。

这项研究得到了麻省理工学院能源计划(MITEI)塔塔中心的支持。格蕾丝·韩是麻省理工学院的塔塔研究员,现在是布兰代斯大学的化学助理教授。布兰代斯她和她的新团队正在通过研究能量和光电应用中不同分子开关和金属配合物的相位变化来扩展她的麻省理工学院的工作。李华山现在在中山大学核工程与技术系任教。广州中国。研究的其他参与者是Eugene Cho博士17岁和Joshua Deru,牛津大学客座本科生,英国。麻省理工学院早期的光电开关研究部分得到了米蒂种子基金项目的支持。

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