CRPS：实现太阳能异地存储且按需发电的新型绿色能源技术

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物质科学

Physical science

2022年3月2日，中国上海交通大学胡志宇教授、李涛教授团队与瑞典查尔姆斯理工大学Kasper Moth-Poulsen教授团队合作在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇新研究，题为“Chip-scale solar thermal electrical power generation”。

他们提出了一种可持续能源的解决方案，首次实现了分子太阳能至热能储存释放继而转换为电能，并成功生产出一种新型微机电超薄热电芯片用于低品位热能至电能的转换。原文

研究亮点

中国上海交通大学胡志宇教授、李涛教授团队与瑞典查尔姆斯理工大学Kasper Moth-Poulsen教授团队共同提出了一种可持续能源的解决方案：采用MOST与MEMS-TEG组合太阳能储能发电技术，既可以把太阳能安全高效存储（如存储夏天/白天的太阳能量），还可以把存储了太阳能的MOST材料运到需要的地方，根据需求放出热量并且提供电力（如冬季或夜间）。研究团队展示了把存储有瑞典哥德堡的太阳能的MOST材料（降冰片二烯），几个月后运到中国上海，成功利用MEMS-TEG发电芯片进行了按需放热发电的实验室演示。

此次试验首次实现了分子太阳能至热能储存释放继而转换为电能

成功生产出一种新型微机电超薄热电芯片用于低品位热能至电能的转换

首次实现微小尺度阵列组合热电器件的连续电功率输出

伴随全球人口的持续增长，能源的需求正在日益加重。然而以煤炭，石油和天然气为主的传统能源却正在逐步耗尽，并对人类生存环境造成诸多有害影响。开发新型环保的可持续能源正是当务之急。太阳作为人类取之不尽的能量源，近年来一直作为科研热点被加以开发。在众多课题中，将光能储存在化学键中，并在未来有需求时放出能量加以使用的想法尤为新颖。分子光储热系统（MOST）即是一种新型能源储存的概念，旨在使用光开关分子可吸光继而通过异构化反应形成高能同素异构体的特有属性，将光能转化为化学键能加以储存。当需使用时，通过催化剂或其他方式将储能以热的形式释放出来。通过使用热电芯片，释放的热能将被转化成电能加以利用；至此，一种新型、不受时间和空间限制的有机太阳能电池油然而生。

图1. MOST与MEMS-TEG 发电概念示意图

高效分子光储热系统（MOST）

对于液态MOST，瑞典查尔姆斯理工大学Kasper Moth-Poulsen教授与汪志航博士团队以2+2环加成反应为机理的降冰片二烯（NBD）为基本分子，通过引入给受体基团，将吸收谱红移至近可见光范围。其量子转换产率在甲苯中实测高达68%，可储存焓值高达ΔHstorage = 93 kJ mol-1。对于固态MOST，中国上海交通大学李涛教授与张召阳博士团队通过功能化顺反异构吡唑偶氮苯（AZO），成功将相变能量储存引入可储存焓值，实测最终ΔHstorage = ΔHisom +ΔHphase change = 102 kJ mol-1。在放热实验中，通过使用钴酞菁催化剂，降冰片二烯衍生物在0.78M甲苯溶液中实测释放出13℃绝对温差。而吡唑偶氮分子衍生物则通过光引发释放出17℃绝对温差。

图 2. 本工作中使用的两种MOST化合物结构和吸收光谱：(a) NBD和AZO光开关对的分子结构。热(Δ)或催化(cat.)路线可以促进QC → NBD的反向转化。顺式→反式AZO的反向转化可以通过热或光诱导来实现。(b) 用340 nm光（甲苯中）照射前后NBD的吸收曲线。(c) AZO光开关在365 nm光（乙腈中）照射前后的吸收曲线。

图 3. 红外热像仪下NBD和AZO的宏观放热性能:(a)储能后的NBD系统放热试验。(b)储能后的AZO系统放热试验。

能够利用微小温差发电的微机电系统热电芯片（MEMS-TEG）

为了将释放的热量有效转化为电能，中国上海交通大学胡志宇教授与吴振华博士团队设计制造出了一种高效灵敏的高集成、大阵列微机电系统温差发电芯片（MEMS-TEG），MEMS发电芯片可以在传统机械式热机无法工作的很小温差（<0.001℃）条件下有效发电，芯片发电系统没有运动部件，具有无噪音、使用寿命长、可以模块化组合、规模化生产低成本等优点。这个国际合作团队在论文中展示了利用两种MOST材料释放的低品位热能，在1微米厚的热电器件上建立温差，并将其转化为电能。通过简单的原型实验，降冰片二烯衍生物最终可放出高达0.1 nW，吡唑偶氮苯为0.06 nW。

图 4. MOST发电性能展示图:(a) MOST发电的示意图,(b) 基于NBD的太阳能储能发电实验装置,(c) 通过热电偶和MEMS-TEG芯片随时间产生的电压监测热量释放。(d) 基于AZO薄膜的太阳能发电的示意图实验装置,(e) MEMS-TEG芯片随时间产生的净电压。

该研究首次将两种类型的MOST分子嵌入热电器件中，以验证太阳能储存并且发电的实验室验证。这样的化学材料与发电芯片的创新组合，可以有效地将太阳能光谱转化为化学能，然后根据需要将储存的太阳能作为热能释放出来发电。这种绿色能源技术将创造一种利用太阳能的新方式，将阳光转化为不受时间、空间和地理位置限制的电能。在这篇论文中瑞典团队先把哥德堡的太阳能存储在MOST材料降冰片二烯中，几个月后利用这个存储了瑞典太阳能量的材料，在中国上海成功进行了按需放热发电的演示。

发展可再生能源技术是实现碳中和可持续能源社会目标的一个重点，由于地面上太阳能光照受地理位置、时间与气候影响很大，光照不连续也缺乏稳定性，如何克服太阳能利用受自然条件限制是一项很有挑战性的工作。采用的MOST与MEMS-TEG组合太阳能储能发电技术，既可以把太阳能安全高效存储（如存储夏天/白天的太阳），还可以把存储了太阳能的MOST材料运到需要的地方，并在需要时放出热量和提供电力（如冬季/夜晚）。未来随着进一步提高能量利用率与规模化生产方面的突破，该技术有望在化石能源缺乏的地区得到广泛的应用。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上

▌论文标题：

Chip-scale solar thermal electrical power generation

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00056-X#%20

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100789

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