科学家说，新的蓄热材料可以帮助建筑物保持温暖

一种新型材料可以减少我们的能源费用吗？

      来自马丁路德大学哈勒维滕贝格 (MLU) 和德国莱比锡大学的一组研究人员开发了一种新的蓄热材料，可以集成到建筑物中以提高能源效率。

      该物质被称为形状稳定的相变材料或ss-PCM，这意味着它可以将状态从固态变为液态并在此过程中吸收热能。当材料变硬时，这些储存的热量会被重新释放。MLU 化学研究所的 Thomas Hahn 教授将化学过程比作一次性暖手器。“很多人都熟悉暖手器的这一原理，” 哈恩解释道。

       这种材料的突破在于，它不仅可以储存和释放“显着更多”的热量，而且更稳定，并且由稻壳中的环保脂肪酸和添加剂制成。研究人员表示，“形状稳定的相变材料 (ss-PCM) 可存储的热能是基于核壳 PCM 的市售复合 PCM 板的五倍，但机械稳定性较低。” 因此，我们最近通过一种新型致孔剂辅助溶胶-凝胶工艺合成了具有高机械稳定性的 ss-PCM。

更有效的热质量

      该团队认为这种新材料稳定、高效且环保，非常适合用于建筑行业的热质量。如果集成到墙板中，这种材料会在阳光明媚的时候吸收热量，然后在夜幕降临和温度下降时将热能释放回建筑物中。当然，一些建筑材料已经具备这种功能，例如混凝土或砖块。然而，研究人员发现他们的材料效率更高，每 10°C 储存的热量比传统混凝土或墙板高 24 倍。重要的是，由这种材料混合物制成的面板在吸收热量时不会熔化，这与暖手器不同。“在我们的发明中，储热材料被封闭在固体硅酸盐的框架中，并且由于高毛细力而无法逃逸，”哈恩解释道。

      接下来的步骤是微调材料并扩大小型实验室测试。该团队还建议它可用于被动冷却光伏系统和电池，从而提高其效率。Felix Marske 在与 Thomas Hahn 一起攻读博士学位期间推动了这一发展，他评论说：“我们获得的知识可用于进一步优化材料并有可能以工业规模生产。”

二、里程碑 热光伏电池将 40% 的热能转化为电能

       TPV 电池可以实现“可调度”的可再生能源。麻省理工学院和国家可再生能源实验室 (NREL) 的一组工程师设计了一种高效的热光伏 (TPV) 电池，该电池可将热能转化为电能，效率超过 40%，向完全脱碳的电网迈进了一步。

     100 多年来，蒸汽轮机一直用于从煤、天然气、核能和集中太阳能等热源中获取电力。然而，蒸汽轮机依赖的运动部件在一定温度后就无法运行。虽然它们可以将大约 35% 的热源转化为电能，但机器在 2,000 °C (3,600 °F) 后会变得过热。与蒸汽轮机不同，这种突破性的 TPV 电池没有移动部件，它可以将大约 40% 的热源转化为电能。它的工作温度范围为 1,900 °C 至 2,400 °C (4,300 °F)。

       '固态能量转换器的优点之一是它们可以在更高的温度下以更低的维护成本运行，因为它们没有移动部件。他们只是坐在那里可靠地发电，”麻省理工学院机械工程系的罗伯特 N. 诺伊斯职业发展教授 Asegun Henry 说。

       热光伏电池通过光子将热量转化为电能来工作。'就像太阳能电池一样，TPV 电池可以由具有特定带隙的半导体材料制成——材料的价带和导带之间的间隙。如果具有足够高能量的光子被材料吸收，它可以将电子踢过带隙，然后电子可以在带隙中传导，从而发电，”麻省理工学院新闻办公室解释道。

       以前的 TPV 电池使用的带隙相对较低的材料可以转换较低温度、低能量的光子，因此转换能量的效率较低。使这种设计更有效的是使用更高带隙的材料和更高温度的热源来捕获更高能量的光子。

图片显示如何存储、转换和分配热能的图表

      研究人员希望将热光伏电池扩大为电网规模的热电池，与太阳能等可再生能源结合使用。在阳光明媚的日子里，多余的能量将储存在高度绝缘的热石墨库中。然后，TPV 电池将在没有太阳的日子将储存的热能转化为电能，从而实现“可调度”的可再生能源。

      “热光伏电池是证明热电池是一个可行概念的最后关键一步，” 亨利继续说道。“这是在推广可再生能源和实现完全脱碳电网的道路上绝对关键的一步。”

      为了实现这一目标，实验性 TPV 电池需要从 1 平方厘米大规模扩大到 930 平方米。然而，Henry 指出，在这种规模上建造电池的基础设施已经存在，可用于制造大型光伏电池。

      “就可持续性而言，这里肯定有一个巨大的净积极因素，”亨利补充道。“该技术在其生命周期内是安全的、对环境无害的，并且可以对减少电力生产中的二氧化碳排放产生巨大影响。”   该研究发表在在线杂志《自然》上。