储能18年，效率达80%，分子太阳能储热系统会成为储能新选择吗

撰文 | Penn

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第138篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：瑞典查尔姆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，它将分子太阳能热系统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上，该团队现在已经证明它可以发电，他们认为这一发展为按需使用太阳能的自充电电子设备奠定了基础。

高效的太阳能转换和太阳能储存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被广泛运用。最常见的太阳能转化概念是太阳能-电能转化（光伏发电）和太阳能-热能转化（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。由于光谱损失，单晶太阳能光伏电池的最大效率估计为32%，而目前模块的典型效率高达20%以上。相比之下，太阳能热水系统（SWH）的效率（太阳能加热）通常为20-80%。

最近，一个来自瑞典和中国的研究团队开发了一种能源系统 ，据称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存储组合的效率高达 80%。

更关键的是，这种储能系统，还可以通过一种超薄芯片作为发电机，集成到耳机、智能手表和电话等电子产品中。

这个科学家团队来自瑞典查尔姆斯理工大学，他们一直致力于将太阳能直接存储在有机化学物质的化学键中的研究，并开发出了MOlecular Solar Thermal (MOST) 系统，早在 2013 年就进行了概念演示，该系统将太阳能作为潜在化学能存储在化学键中的光致异构化中，实现了以液体介质储存太阳能，该介质不仅可以根据需要从太阳中释放能量，而且还可以运输。

最近，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家又与上海交通大学研究人员合作，使这个太阳能储能系统更进一步，将其与紧凑型热电发电机结合起来，将太阳能转化为电能。实验证明它可以按需发电。

图说：分子太阳能储热系统（MOST）和太阳能热水系统（SWH）组成的混合太阳能系统

来源：[4]

01

什么是MOST系统（分子太阳能热系统）

MOlecular Solar Thermal (MOST) 系统将太阳能作为潜在化学能存储在化学键中的光致异构化中，其核心是专门设计的碳、氢和氮分子。当它与阳光接触时，分子内的原子会重新排列以改变其形状，并将其转化为富含能量的异构体，可以以液体形式储存。

图说：降冰片二烯-四环烷分子太阳能储热系统示意图

注：使用 NBD 2的值按比例绘制能级，其中松弛分子和激发分子之间的差异对应于 262 kJ mol -1，Δ H ‡对应于 92 kJ mol -1，以及 Δ H对应于 103 kJ mol -1

来源：[4]

在 MOST 系统中，母体分子暴露于太阳光子并由此转化为高能光异构体，这是动力学稳定的；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-四环烷的MOST系统，科学家们将一种叫做降冰片二烯的碳氢化合物暴露在光下，这会改变其化学键，将其变成四环烷，此过程中太阳能作为潜在化学能存储在化学键中。改变四环烷的温度或将其暴露于催化剂会产生逆转效果，并且以热量的形式释放能量。该系统显示出高达 966 kJ kg -1 的能量存储密度和超过几个月的存储时间。

图说：分子太阳能热 (MOST) 系统可以以液体形式储存太阳能

来源：查尔姆斯理工大学/Daniel Spacek

经过研究，高效 MOST 系统的要求可概括为：

（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）存储的能量密度应超过 300 kJ kg -1；（5）光异构体必须在较长时间内保持稳定，并且（6）所有反应必须定量进行，例如允许多个太阳能储存-释放循环。

02

混合太阳能系统

在MOST系统（分子太阳能热系统）的基础上，查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种分子太阳能储热系统（MOST）和太阳能热水系统（SWH）组成的混合太阳能系统，使其有可能利用MOST系统无法利用的亚带隙光子。该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，并在分子太阳能储热系统（MOST）中以化学能的形式储存高能量光子。通过使用降冰片二烯-四环烷（NBD-QC）系统储存部分太阳能，可以为现有的低温或中温太阳能热水系统（SWH）增加长期储能和按需输送能量的功能。

图说：混合太阳能转换装置的示意图。上收集器用于太阳能储热系统（MOST）的转换；下集热器用于太阳能热水系统（SWH）系统。

来源：[4]

为了证明在SWH中加入基于MOST的能量存储的效果，研究人员设计了一个微流控混合装置。该混合装置包含两层，SWH在底层（深灰色），MOST在顶层（浅灰色）。上层MOST部分由熔融石英微流控芯片构成；它允许来自太阳光谱的高能量光子将降冰片二烯（NBD）光化学地转化为四环烷（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，并用于加热下层收集器中的水，该收集器由一个3D打印的流动池构成，上面覆盖着石英玻璃片。该装置的正面尺寸为≈2乘2厘米。

图说：(a) NBD 1和2所用溶液光谱重叠以及可见光范围内的太阳光谱 (1.5 AM)；红线表示 MOST 的透过率，（虚线对应1，实线对应2）。(b) 化合物1和2的化学结构

来源：[4]

同时，为了进一步评估降冰片二烯的性能，研究人员将最有希望的化合物 ( 2 ) 在 60 °C 的溶液中进行了循环测试（光异构化和随后的热反向转换）。化合物( 2 )经历了 127 次循环，降解可忽略不计，表现出出色的稳健性。此外，循环测试是在环境条件下进行的（无脱气），导致每个转换循环降解 0.2%，这表明需要无氧环境以获得可忽略的降解。

图说：循环试验，光转化后在60℃下进行热反作用，共127个循环。途中显示了热反向转换和光异构化的每个半循环后 2 的溶液的归一化吸收 (au)。插图显示了循环 81 至 86 的归一化吸收 (au) 的细节。

来源：[4]

“这项技术意味着我们可以将太阳能储存在化学键中，并在需要时将能量以热量的形式释放出来。” 团队负责人 Kasper Moth-Poulsen 说。“混合太阳能系统将化学能量储存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。”

03

MOST系统的特点及挑战

由于MOST系统中的一部分能量被储存在化学键中，因此存在着非常稳定的长期储存的潜力，而这种储存受限于储存容量的大小。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交付。

同时，实验系统展示的技术性能为397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1（当前化合物：降冰片二烯），略低于比亚迪磷酸铁锂刀片电池的140 W h kg-1；潜力为966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1（未取代的降冰片二烯），与现代锂离子电池化学的能量密度相比非常有竞争力，表明它可能是任何使用电池能量进行电阻性加热的应用中可行的技术。它还超过了大多数普通相变材料（如石蜡为200-270 kJ kg-1）的熔化焓。因此，从重量级能量密度的角度来看，MOST系统也具有竞争力。

此外，MOST系统展现除了强大的可循环性能，如前所述，在循环测试（光异构化和随后的热反向转换），化合物( 2 )经历了 127 次循环，降解可忽略不计，表现出出色的稳健性。

MOST 技术的任何未来更大规模应用都面临两个主要挑战，它们共同构成了长期研发的路线图。进一步发展这种热化学储存技术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的潜在应用，如可利用阳光充电的便携式烹饪设备，并可在太阳落山时进行烹饪。其次，与任何新技术一样，MOST 技术还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组成化学品来降低成本。

04

未来应用及发展

MOST 系统通过吸收光子并将能量储存在亚稳态光异构化状态，其捕获的能量可以在这种液态下储存长达 18 年，然后通过专门设计的催化剂将分子恢复到原来的形状并将能量以热量的形式释放出来。

目前，查尔姆斯理工大学团队现在与中国上海交通大学的科学家合作，他们使用紧凑型热电发电机将热量转化为电能。

查尔姆斯理工大学研究员王志航说：“发电机是一种超薄芯片，可以集成到耳机、智能手表和电话等电子产品中。到目前为止，我们只产生了少量电力，但新的结果表明这个概念确实有效，它看起来非常有前途。”

图说：MOST系统为移动设备充电的概念图

来源：[1]

据报道，概念验证的电流输出高达 0.1 nW（每单位体积的功率输出高达 1.3 W m-3），这可能非常小，但科学家们看到了他们的 MOST 系统的巨大潜力，它可以通过一次存储数月或数年来解决太阳能的间歇性问题，并可以按需利用它。

查尔默斯化学与化学工程系教授、研究负责人 Kasper Moth-Poulsen 说：“这是一种全新的太阳能发电方式。这意味着我们可以利用太阳能发电，不受天气、时间、季节或地理位置的影响。它是一个封闭的系统，可以在不产生二氧化碳排放的情况下运行。”

在证明了该系统可以用来发电之后，该团队正专注于改善其性能，同时致力于为小工具充电和为家庭供暖提供经济实惠的商业解决方案。此外，该系统还可用于卫星热控系统。在竞争激烈的太阳能领域，突破商业化的障碍将是一个重大而困难的挑战，但考虑到太阳能技术的创新性和目前全世界淘汰化石燃料的趋势，突破很可能正在发生。

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参考资料：

[1]https://newatlas.com/energy/liquid-system-solar-energy-most/

[2]https://newatlas.com/most-transportable-solar-energy-storage/48596/?itm_source=newatlas&itm_medium=article-body

[3]https://iea-pvps.org/trends_reports/trends-in-pv-applications-2021/

[4]https://doi.org/10.1039/C6EE01952H

[5]https://doi.org/10.1039/D1SE00041A

[6]https://research.chalmers.se/en/publication/528477

[7]https://research.chalmers.se/en/publication/527757

[8]https://research.chalmers.se/en/publication/526331

[9] 刘芳,王莅,张香文,米镇涛.降冰片二烯光敏异构化反应的工艺研究[J].化学反应工程与工艺,2006(06):560-564.

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