太阳热能储存（STES）是一种通过固液相变材料（PCMs）实现能量存储的关键技术，因其能够有效缓解可再生能源间歇性问题而成为研究热点。然而，当前的STES系统普遍面临充电速率缓慢、储能容量受限以及过热风险等挑战，严重制约了其在大规模应用中的效率和安全性。传统的高导热填料虽然可以在一定程度上提升能量收集效率，但往往牺牲了潜热储存容量，同时高填料成本和热传导衰减问题也进一步限制了其适用性。
有鉴于此，上海交通大学邓涛、陶鹏教授等人合作在《Science Advances》上发表题为“Fish-inspired dynamic charging for ultrafast self-protective solar-thermal energy storage”的最新论文。
研究人员受到鲤鱼等生物热调节行为的启发，提出了一种快速响应、超快充电、大容量且具备过热保护功能的仿生STES策略。通过制备一种液体浸渍的太阳吸收泡沫充电器（LPG泡沫），该装置能够高效捕获太阳光，实现约97%的太阳吸收率，同时依靠重力驱动推动固液界面后退，以~0.66 mm/min的高速度充电，并以约92.9%的效率将太阳热能存储为潜热。当温度过高时，泡沫会自发上浮，触发紧急停止功能，从而实现过热保护。这种仿生动态充电策略不仅适用于多种相变材料，还展现了安全高效利用可再生热能的广阔应用前景。
1. 实验首次提出了一种仿生动态太阳热能储存（STES）策略，通过液体浸渍的太阳吸收泡沫充电器（LPG泡沫）实现了快速响应和超快充电。该策略灵感来源于鲤科鱼类的热调节行为，能有效克服传统STES系统中的慢充电速率、储存容量下降和过热问题。
2. 实验通过制备具有高太阳吸收率（约97%）和可调密度的LPG泡沫，该泡沫在重力驱动下能迅速推动固-液充电界面的前进，实现了高效的太阳热能储存，潜热储存效率高达92.9%。此外，LPG泡沫能够通过浮动行为在过热时自动停止充电，防止过热带来的安全隐患。
3. 实验通过在集中太阳辐照下测试，验证了LPG泡沫的超快充电性能，该泡沫能够在大体积相变材料中实现快速响应，且充电过程安全可靠，避免了传统STES系统中热传导速率衰减的问题。
图1. 仿鱼动态STES系统在相变材料中的LPG泡沫充电示意图。
图2. 仿鱼泡沫充电器的制备与表征。
图3. 静态和动态充电条件下STES性能的对比。
图4. 在大体积相变材料中实现快速响应与快速STES的表现。
图5. 用于超快充电和自动过热保护的智能LPG泡沫。
本文提出的基于鱼类温控行为启发的动态充电策略，为太阳能热能储存（STES）领域提供了新的思路。通过采用多功能LPG泡沫作为充电器，这一策略能够快速响应并实现大容量、超快速、安全的太阳热能储存。LPG泡沫不仅具备高太阳光吸收能力和机械柔性，还能在充电过程中动态调节，与相变材料（PCMs）紧密接触，快速诱导相变并推动固/液界面不断推进，从而有效提升充电效率。
更为重要的是，温度敏感的LPG泡沫能够在温度过高时自动浮起，停止充电过程，避免了潜在的过热问题，确保了储能系统的安全性。这种生物启发的动态充电策略能够适应多种PCMs，具有广泛的应用前景，不仅为高效太阳能热能的收集与储存提供了创新的解决方案，还为未来智能能源系统的设计提供了新的理论依据和技术路径。
Xiaoxiang Li et al. ,Fish-inspired dynamic charging for ultrafast self-protective solar-thermal energy storage.Sci. Adv.10,eadr8445(2024).DOI:10.1126/sciadv.adr8445
