王心怡 ，楊露怡 ，周麟輝 ，宋源普 ，倪忠進

（浙江農(nóng)林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

浙貝母是浙江省著名的中藥材之一，具有重要的經(jīng)濟和藥用價值[1]。浙貝母種植期間對氣溫和光照的要求較高，其出苗最佳溫度為6 ℃~7 ℃，植株生長溫度為10 ℃~22 ℃，鱗莖可在10 ℃~25 ℃溫度范圍內正常膨大，過高和過低的氣溫都會影響浙貝母植株的生長發(fā)育[2]。因此，采用大棚栽培模式并結合有效的溫度調控方式是提高浙貝母產(chǎn)量的重要手段[3-4]。

儲能材料作為一種新型材料，具備太陽能存儲和利用的能力，有望作為綠色環(huán)保的載體用于大棚溫度調控。在眾多的儲能材料中相變材料已被廣泛研究，并且應用于許多領域，如電力調峰[5]、綠色建筑[6-7]、蓄熱冷凝器[8]、聚光太陽能[9-10]、農(nóng)業(yè)溫度適應大棚[11]等。相變材料利用潛熱儲能，相變發(fā)生在一個溫度范圍內，在儲能過程中，通過可逆的化學或物理過程而產(chǎn)生和釋放能量。

然而，現(xiàn)有有機相變材料存在致命的缺點——導熱系數(shù)低和熔融態(tài)泄漏問題，這限制了其應用和更大的發(fā)展。為了克服這一障礙，獲得優(yōu)異的熱性能，研究人員提出了各種提高相變材料導熱性的技術，如添加高導熱性的金屬或非金屬顆粒[12-13]，插入翅片[14]，加入多孔或膨脹材料[15-16]，插入纖維材料[17]等。上述提高相變材料導熱系數(shù)的方法中，加入高導熱性材料提高相變材料的導熱系數(shù)是最簡單可行的方法。另外，為了滿足未來儲能設備的需求，實現(xiàn)一種有效保持PCMs形狀穩(wěn)定的方案也是研究的關鍵方面[18]。形狀穩(wěn)定過程由兩部分組成：載體和相變材料。相變材料，會經(jīng)歷從固體到液體的相變。這種相變會導致潛熱的儲存和釋放，而在上述相變過程中，支撐材料可以防止液體泄漏。不同類型的材料均可用于PCMs的形狀穩(wěn)定，從多孔材料到納米材料和聚合物[19]。

本實驗利用油胺作為分散穩(wěn)定劑，將Cu納米顆粒添加到PW中優(yōu)化了其熱性能，還采用了MF作為載體解決了PW的液態(tài)泄漏問題，制備了一種具備光熱轉換性能和太陽能存儲能力的MF支撐的Cu納米顆粒/PW復合相變材料。研究分析了PCMs的熱性能和光熱轉換性能，討論了其在浙貝母智能溫室大棚和太陽能儲能系統(tǒng)中的應用潛力。

1 材料和實驗

1.1 材料

石蠟（Tm：60 ℃~62 ℃）購自上海華靈康復機械廠。三聚氰胺泡沫（密度：0.025 g/cm3）購自廈門思航納米科技有限公司。銅納米顆粒購自清河縣鑫盾金屬材料有限公司。油胺購自上海阿拉丁生化科技有限公司。正己烷購自上海麥克林生化科技有限公司。所有化學試劑均可用于樣品制備，無需進一步處理。

1.2 實驗

首先，將一定量的Cu納米顆粒和0.02 mol油胺超聲混合均勻。其次，將Cu納米顆粒和油胺形成的配合物與40 g熔化后的PW混合，得到分散良好的Cu納米顆粒/油胺配合物和PW的均勻混合液體，稱為Cu/PW復合溶液。然后，取15 g Cu/PW復合溶液與正己烷配成50 mL溶液，在65 ℃下超聲混合30 min得到均勻溶液（0.3 g/mL）。隨后，將MF（尺寸：1 cm×2 cm×3 cm）置于Cu/PW的正己烷溶液中，在55 ℃、0.4 MPa的條件下真空浸漬15 min吸收Cu/PW。得到的MF/Cu/PW復合材料置于65 ℃的烘箱中干燥，直到正己烷完全揮發(fā)，得到最終的MF/Cu/PW PCMs。為了研究Cu納米顆粒對性能的影響，設置了Cu納米顆粒在PW中不同的含量（0.2wt%、0.6wt%、1.0wt%）。為比較性能，課題組還采用相同的工藝制備了不添加Cu納米顆粒的MF/PW PCMs，記為0.0wt%。樣品的實物對比如圖1所示。

圖1 不同Cu納米顆粒含量的樣品實物對比圖

1.3 特征和測量

采用差示掃描量熱儀（DSC TA Q20，美國）研究了不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的熔融和結晶行為。先將樣品從0 ℃升溫到100 ℃，再從100 ℃降溫到0 ℃，升溫/降溫速率為5 ℃/min。DSC測量在氮氣的氣氛下進行。采用紅外熱成像相機（FLIR T620，美國）記錄PCMs的儲能和釋能行為。

利用自制的光熱轉換性能測試系統(tǒng)對不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs進行了光熱轉換性能測試，研究了PCMs的太陽能存儲和釋放行為。該光熱轉換性能測試系統(tǒng)包含了兩部分：太陽模擬器和數(shù)據(jù)收集器。太陽光照由氙氣燈（HSX-F300）來模擬，利用數(shù)字熱電偶實時檢測樣品的內部溫度，每間隔1 s進行一次數(shù)據(jù)采集，熱電偶測量精度為0.1 ℃。通過公式（1）可以計算在光照過程中樣品的光熱轉換效率。

式中，樣品的光熱轉換效率用η來表示，m為樣品的質量，CP為樣品的比熱容，Gs代表模擬光源的輻照強度，A代表樣品接收光照的面積，t和T分別為樣品接收光照的時間和樣品的溫度。在本實驗中，輻照強度為800 W/m2，樣品接收光照的面積為6 cm2。

2 結果與討論

2.1 復合相變材料的DSC分析

PCMs的儲能和釋能性能用DSC進行表征，研究了不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的相變焓、相變溫度等性能。DSC升溫和降溫曲線如圖2所示，升溫和降溫過程均存在兩個明顯的峰，其中主峰為石蠟的固-液相變峰，次峰為石蠟的固-固相變峰。在降溫曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，添加了Cu納米顆粒的MF/Cu/PW PCMs在主峰和次峰之間都分別存在一個小峰，這是在石蠟在固液共存的階段由于Cu納米顆粒的添加使得其導熱性得到了明顯的提升，并且可以看到，Cu納米顆粒的含量越高，小峰表現(xiàn)得越明顯。

圖2 不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的DSC升溫曲線（a）和降溫曲線（b）

不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的熔化溫度Tm、結晶溫度Tc、熔化潛熱△Hm和結晶潛熱△Hc可以從DSC曲線中推出，結果如表1所示。與不添加Cu納米顆粒的MF/PW PCMs（0.0wt%）相比，添加了Cu納米顆粒的MF/Cu/PW PCMs的相變潛熱均有略微的下降，但是變化并不大。Cu納米顆粒的添加量不高，因此對于MF/Cu/PW PCMs的相變潛熱的影響不大，可以忽略不計。

表1 不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的熱特性

2.2 復合相變材料的光熱轉換性能

光熱轉換材料目前應用在太陽能的蓄熱、傳熱方面。通過自制的光熱轉換性能測試系統(tǒng)，研究得到了不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs在相同實驗條件下的時間-溫度曲線（圖3a）。比較圖3a中的曲線不難發(fā)現(xiàn)，在同一波長和功率的氙氣燈照射下，添加了Cu納米顆粒的樣品升溫速度均高于未添加Cu納米顆粒的樣品。在溫度到達60 ℃左右，PCMs的時間-溫度曲線均存在一個平臺。這是因為PCMs中的PW處于固-液轉變的過程，吸收的能量一部分用于PW的相變，這時PCMs所吸收的光能以潛熱的形式儲存起來。同時，研究組還能觀察到，經(jīng)過了60 ℃左右的溫度平臺后，Cu納米顆粒含量為0.6wt%和1.0wt%的PCMs的升溫速率也明顯高于Cu納米顆粒含量為0.0wt%和0.2wt%的PCMs。經(jīng)過相同時間的氙氣燈照射，Cu納米顆粒含量為0.0wt%、0.2wt%、0.6wt%和1.0wt%的MF/Cu/PW PCMs的溫度分別從室溫提高到了70.3 ℃、69.4 ℃、74.2 ℃和74.7 ℃。圖3b分別展示了不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs在不同溫度下的光熱轉換效率。從40 ℃左右開始，添加了Cu納米顆粒的樣品就比未添加Cu納米顆粒的樣品表現(xiàn)出更優(yōu)異的光熱轉換性能。在60 ℃~65 ℃時，Cu納米顆粒含量為1.0wt%的MF/Cu/PW PCMs光熱轉換效率能夠達到35.42%。在比較光熱轉換效率曲線時發(fā)現(xiàn)，PCMs在50 ℃~60℃時的光熱轉換效率均有所下降，這一現(xiàn)象也是由PW的固-液轉變引起的，這也說明了PCMs具備儲能的能力?？偨Y上述結果，均說明了Cu納米顆粒的添加有效地提高了PCMs的光熱轉換性能。

圖3 強光照射下不同Cu納米顆粒含量的MF/Cu/PW PCMs的溫度變化曲線（a）、光熱轉換效率（b）

2.3 復合相變材料的熱紅外研究

圖4直觀地對比了Cu納米顆粒含量為0.0wt%和1.0wt%的PCMs的光熱轉換性能。近紅外燈模擬光源，通過熱紅外成像相機記錄樣品置于模擬光源下的光熱轉換行為。經(jīng)過相同時間的照射，與未添加Cu納米顆粒的PCMs相比，Cu納米顆粒含量為1.0wt%的PCMs能夠更高效地將光能轉換為熱能，從而溫度上升得更快。在相同的實驗條件下，經(jīng)過8 min后，Cu納米顆粒含量為1.0wt%的PCMs的溫度已經(jīng)上升到101.3 ℃，而沒有添加Cu納米顆粒的PCMs的溫度只有65.8 ℃。移除光源，1.0wt%的MF/Cu/PW PCMs因為添加了Cu納米顆粒后具備了更高的導熱性，從而降溫速度更快。兩個樣品在10 min左右后溫度下降到大致相同的水平。以上實驗也更直接地證明了，Cu納米顆粒的加入使PCMs具備了更好的光熱轉換性能。

圖4 紅外熱圖像顯示Cu納米顆粒含量為1.0wt%的PCMs（a）和Cu納米顆粒含量為0.0wt%的PCMs（b）的光能存儲和釋放行為

2.4 復合相變材料在浙貝母生產(chǎn)領域的潛在應用

本研究制備的MF/Cu/PW PCMs具有熱效率高、光響應速率快等諸多優(yōu)點，在太陽能利用和溫度調控等方面具有重要的潛力。圖5為MF/Cu/PW PCMs應用于溫室大棚的工作原理示意圖。白天，PCMs吸收了大量光能并將能量以潛熱的方式儲存起來。當環(huán)境溫度降低時，PCMs將白天存儲的能量通過熱能的方式緩慢釋放，使大棚內溫度一直保持在適合浙貝母生長所需的溫度范圍內。結合PCMs調溫手段的溫室大棚有望降低生產(chǎn)能耗，提高浙貝母產(chǎn)量，實現(xiàn)綠色低碳高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范式。

圖5 MF/Cu/PW PCMs應用于溫室大棚的工作原理示意圖

3 結論

本研究以油胺作為分散穩(wěn)定劑，在PW體系中制備了Cu/PW復合材料。通過真空浸漬法將Cu/PW引入MF中，成功制備了一種具有光熱轉換性能和太陽能存儲能力的新型柔性MF/Cu/PW PCMs。Cu納米顆粒增強了PCMs的導熱性和吸光性。MF使PW在相變過程中仍然能夠保持良好的形狀穩(wěn)定性，防止泄漏的發(fā)生。得到的MF/Cu/PW PCMs具有較大的潛熱（約152.9 J·g-1）和良好的光熱轉換能力?？偨Y以上特點，本研究制備了具有熱效率高、光響應速率高以及光熱轉換性能好等諸多優(yōu)點的MF/Cu/PW PCMs，在浙貝母生產(chǎn)的太陽能利用領域具有重要的潛力。