上海第二工業大學于偉&汪玲玲CEJ：相變材料解鎖太陽能跨季節儲熱高效利用新路徑

近日，我院師生在國際知名期刊《Chemical Engineering Journal》(JCR一區，中科院一區TOP，IF=13.2)上發表了題為“Efficient Cross-Seasonal Utilization of Solar Energy Driven by Sodium Acetate Supercooled Phase Change Materials”的研究論文，論文第一作者為我院2022級碩士畢業生潘明明，通訊作者為汪玲玲教授和王德兵老師。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171225

內容簡述：

太陽能的間歇性和不穩定性導致供需在時間和空間上的錯配，從而限制了其利用效率。相變材料（PCMs）是太陽能熱儲存的理想候選材料，但其在放熱過程中的自發結晶限制了潛熱儲存時長。為此，我們開發出具有顯著過冷效應的復合相變材料以突破此 局限。首先采用乙酸鈉（SA）-水體系作為相變基質，通過羥乙基纖維素（HEC）增強過冷穩定性，并引入碳微球（CB）提升光熱轉換效率。優化后的SA/HEC-CB 80 復合材料展現出96.43%的高光熱轉換效率，在-18℃至-20℃環境下仍保持120天以上穩定性，并可通過電觸發實現潛熱釋放調控。實際演示中，該系統實現“夏儲冬用”模式，持續3.5小時供應40℃熱水；集成式應急服裝通過機械觸發可在60秒內升溫5-8℃。本研究為高效跨季節太陽能熱儲存提供了可行方案，有效緩解了太陽能利用時空錯配問題

最主要創新點：

該材料在室溫下即使經受機械振動，仍能保持120天的卓越穩定性。

光熱轉換效率高達96.43%，顯著提升太陽能利用率。

支持電控與機械觸發等多樣化放熱方式，可適應各類應用場景。

跨季節儲熱系統展現出顯著的實際應用價值。

圖文導讀：

圖1. SA/HEC-CB相變材料復合物的制備過程。

圖2. (a) SA的掃描電子顯微鏡圖像；(b) HEC的掃描電子顯微鏡圖像；(c) CB的透射電子顯微鏡圖像；(d) SA/HEC-CB復合相變材料的掃描電子顯微鏡圖像；(e) 傅里葉變換紅外光譜圖；(f) 復合相變材料各組分的X射線衍射圖譜。

圖3. (a) 不同SA含量下的相變焓；(b) 制備前與室溫儲存后的結晶現象；(c) 不同HEC含量對SA相變焓的影響；(d) 低溫儲存后的結晶現象。圖3. (a) 不同SA含量下的相變焓值；(b) 制備前與室溫儲存后的結晶現象；(c) 不同HEC含量對SA相變焓值的影響；(d) 低溫儲存后的結晶現象。

圖4. (a) 透射率；(b) 消光系數；(c) 光譜輻照度；以及 (d) SA/HEC-CB的太陽加權吸光率。

圖5. SA/HEC-CB80復合相變材料：(a)相變焓值；(b)加熱與冷卻曲線；(c)光熱轉換效率；(d)電觸發紅外照片； (e) 新制備相變材料與儲存120天后材料的照片；(f) SA/HEC-CB80復合相變材料的可控觸發加熱曲線。

圖6. SA/HEC-CB80復合相變材料（a）堆放120天前后結晶狀態；（b）循環前后相變焓值；（c）低溫儲存后的結晶過程；（d）經24小時振動后的結晶狀態。

圖7. 應急防護服系統的紅外熱成像圖，顯示0秒、30秒、60秒及熱量釋放期間的內部溫度變化（a）正面視圖；（b）背面視圖。

圖8. (a) 技術路線；(b) 集成槽式集熱器的跨季節蓄熱裝置；(c) 蓄熱曲線；(d) 電控熱釋放曲線。

上海第二工業大學能源與材料學院汪玲玲、于偉教授團隊近年來專注于太陽能高效利用、儲能及熱管理材料的研發，取得了一系列重要成果，包括太陽能光熱利用（ACS Nano 2022, 16, 3843-3851；Energy & Buildings 2022, 271, 112336；Renewable Energy 2021, 175, 307-317等），大氣集水（Journal of Cleaner Production 2024，461，142661； Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2023, 262: 112532），相變水凝膠實現高效太陽能存儲與建筑熱管理的應用（ACS Appl. Mater, 2023, 15(32): 38474-38484.），跨季節儲熱（Chem. Eng. J. 2024, 499: 156058.）