【研究背景】
温室通过创造最佳环境来提高植物产量。高效的太阳能转换与储存是解决温室冬季能源短缺问题的一种有前景的策略。该研究制备了一种形态稳定的复合相变材料（PCMs），用于高效存储太阳能。轻量级和多孔轻质木材受到高温碳化是为了同时解决液体泄漏,提高导热系数,提高光热光谱分析PCM的转换和热能存储。利用OP44E和SEBS作为PCM和增稠剂，然后真空浸渍到碳化巴尔沙木（CW）中。结果表明，随着炭化温度的升高，连续波的含碳量增加。连续波和SEBS的整形效应使复合PCMs的最高吸附率达到92.7 wt%，吸附焓大于190 J/g。复合PCM显示可靠的热性能和热稳定性低于100℃。在氙灯辐射下，复合PCM光热转化率大于88%。由于其光热转换能力，较浅层的PCM温度较高。
目前，相关成果以“Carbonated balsa-based shape-stable phase change materials with
photothermal conversion and application in greenhouse”为题发表在《Solar Energy Materials and Solar Cells》(IF2023=6.3, CiteScore=12.6)上。文章第一单位为西南交通大学机械工程学院，文章第一作者为Nan Zhang，文章通讯作者为Zhaoli Zhang。
【文章解读】
图1. CW/OP44E/SEBS制备原理图.
据作者之前的研究中详细的处理工艺，首先对生物质进行脱木素、冷冻干燥、碳化处理，制备CW。为了得到不同碳含量、不同层次结构的连续碳，分别设置碳化处理温度为300℃、500℃、700℃和900℃，加热时间为1 h。所得到的连续碳分别记录为CW300、CW500、CW700和CW900，作为制备复合PCMs的支撑材料。
图2. CW700 (a) - (c)横切面，(e) - (g)纵切面和CW700/OP44E/SEBS (d)横切面，(h)纵切面的SEM图像；CWs (i) - (l)的EDS谱.
图3. PCMs的DSC曲线。(a)熔化过程；(b)结晶过程.
OP44E/SEBS和CW/OP44E/SEBS的DSC曲线如图3所示。相应的熔化开始温度（To,m）、熔化潜热（ΔHm）、凝固开始温度（To,c）和凝固潜热（ΔHc）汇总于表1。在图5 (a) - (b)中，OP44E/ SEBS的加热和冷却曲线都可以检测到两个特征峰。温度较低的峰对应OP44E的固-固相变，温度稍高的峰对应OP44E的固-液相变。固体连续波的加入对复合相变材料的相变温度几乎没有影响。复合PCM的熔化和凝固起始温度分别为40.0℃和43.0℃。相变焓很大程度上取决于复合PCMs中OP44E的含量。具体来说，复合PCMs的焓在200 J/g左右。
表1. OP44E/SESBS和CW/OP44E/SEBS的DSC结果.
图4. PCM的瞬态温度曲线.
氙灯辐射下CW/OP44E/SEBS复合PCMs光热转换曲线如图4所示。当灯打开时，PCM的温度上升，当灯关闭时，PCM的温度反过来下降。从图4可以看出，点亮期间的温升曲线可以分为三个阶段：
(1)前期相变阶段。指的是PCM达到熔点之前的时区。随着时间的推移，相变介质的温度显著升高，这意味着光辐射可以迅速转化为热能并以感热形式储存在相变介质中。连续波炭化温度越高，PCM光热转化能力越强，升温速度越快。
(2)相变阶段。它属于近似等温周期，属于典型相变相变。吸收的热能以潜热的形式储存起来。这个阶段可以在很小的温升范围内储存大量的热能。
(3)后相变阶段。表示PCM温度大于其熔点的时区。随着时间的推移，PCM的温度又迅速上升。光能将光辐射转化为热能，然后以感热的形式储存在PCM中。在关闭氙灯之前，CW300/OP44E/SEBS, CW500/OP44E/SEBS， CW700/OP44E/SEBS和CW900/OP44E/SEBS的温度分别可以上升到56.8℃，60.9℃，66.4℃和68.2℃。
图5. PCMs温室试验。(a)实验装置；(b) PCMs温度变化曲线；(c)室内空气温度变化曲线.
温室可以被称为具有特殊设计结构的大型建筑，以最大限度地利用太阳辐射。太阳辐射穿过塑料薄膜加热室内空气。由于冬季环境温度较低，温室在冬季经常出现过冷现象，不利于植物的生产。上述研究表明，制备的复合PCM具有显著的光热转换和储能能力，理论上可以提高温室的热性能。通过小型试验，分析了光热转换复合材料对温室热性能的影响。使用氙灯（100 mW/cm2）模拟太阳辐射，如图5 (a)所示。为了简化实验，在温室中忽略植物。土壤被塑料薄膜覆盖，温室内安装了几个k -热电偶。温室设置的外部被棕色木板包围，以减少外部光线的影响。OP44E/SEBS和CW500/OP44E/SEBS作为PCMs，放置在土壤表面。
图5 (b)比较了两种PCMs的温度变化曲线。光照时，随着时间的推移，PCM的温度明显升高。CW500/OP44E/SEBS的温升速率为由于其出色的光热转换能力，比OP44E/SEBS更大。通过塑料薄膜的光辐射在CW500/OP44E/SEBS光热转换下转化为热能，导致温度快速升高。而OP44E/SEBS的白色表面吸收和光热转换有限。OP44E/SEBS主要依靠环境温度的传导来获取热能，因此其温升较低。具体而言，CW500/OP44E/SEBS的温度快速攀升至相变区，然后缓慢上升。之后，它的温度可以在70分钟达到71.5◦C。相反，OP44E/SEBS需要更长的时间来熔化，其温度仅为40.3◦C在70分钟。当光关闭时，两个PCM的温度随着时间的推移急剧下降。储存的热能被释放出来，使温室室内环境变暖。由于CW500/OP44E/SEBS的温度较高，PCM与室内空气的换热温差较大。CW500/OP44E/SEBS的降温速率比OP44E/SEBS明显。两个PCM的温度最终都与室内空气温度相同。
图5 (c)为三个温室室内空气温度变化曲线。可以看出，在开灯期，塑料大棚内的温度随着时间的推移而大幅度上升。光辐射70分钟后，空GH室内最高温度为46.2℃。CW500/OP44E/SEBS GH和OP44E/SEBS GH的最高温度分别为43.2°C和41.7°C，比空GH低约3°C和4.5°C。PCM的储热能力使其能够储存通过温室传递的热能，产生有效的热缓冲作用。通过热缓冲效应，室内空气的峰值温度随之降低。CW500/OP44E/SEBS光热转换能力突出，其温度迅速提高，显著高于温室室内温度。CW500/ OP44E/SEBS更早开始加热空气，导致温室内的空气温度高于OP44E/SEBS GH。OP44E/SEBS GH和CW500/ OP44E/SEBS GH的室内温度交点出现在33分钟左右，这意味着CW500/ OP44E/SEBS在70分钟的开灯期间完成了相变。随着时间的推移，温室室内温度急剧下降，因为储存的热能在室内温度下释放，低于PCM的熔点。空GH与OP44E/SEBS GH的室内温度曲线略有不一致，说明OP44E/SEBS由于光热对话能力差，存储的热能有限。该结果与图5 (b)中OP44E/SEBS的温度变化吻合较好。当关灯时，CW500/OP44E/ SEBS GH的室内温度首先下降到相变温度，其冷却速度与空GH和OP44E/SEBS GH相同。CW500/ OP44E/SEBS通过固化过程中释放的热能加热室内环境，起到热缓冲作用，减缓室内空气的降温速度。室内温度可以通过热缓冲效应来改变。与空GH和OP44E/SEBS GH病例相比，保持室内温度超过20°C的持续时间延长了约15.3分钟。本试验实际证实了光热转换相变材料控制温室温度的有效性，为光热转换相变材料在农业中的应用提供了理论支持。
【文章总结】
本文首先在不同温度下进行炭化处理，制备了一系列的化化硅。以CWs为支撑材料和光热转换介质，以含5% SEBS的OP44E为PCM，制备了具有光热转换功能的形状稳定的PCM。结果表明，随着炭化温度的升高，CW900的含碳量达到94.84%。在真空浸渍的基础上，OP44E/SEBS对化学废物的吸附量超过85%。连续波可以影响复合相变材料的导热系数。潜热随着无相变连续波的加入，PCMs减小。由于OP44E/SEBS与连续波细胞壁的紧密粘附，复合PCMs具有良好的成型稳定性，经过160 h的测试，样品的泄漏率均低于0.2%。在200次吸热和放热循环后，仅观察到4.6 J/g的焓降低。结果表明，在氙灯辐射下，复合相变材料的光热转化率达到88%以上。复合相变材料的温度曲线表明，由于其光热转换能力，相变材料的浅层温度较高。
温室实验表明，CW500/OP44E/SEBS GH获得更高的PCM温度71.5◦C在70分钟，相比之下，在OP44E/SEBS GH的40.3◦C。PCM可以对室内温度产生削峰和移谷效应。与空GH相比，OP44E/SEBS GH和CW500/OP44E/SEBS GH的最高室内温度分别降低了3℃和4.5℃。CW500/OP44E/SEBS GH保持室内温度超过20℃的持续时间比空GH和OP44E/SEBS GH长15.3分钟。
综上所述，制备的复合PCM具有良好的成型稳定性和光热会话能力，在农业建筑温度控制方面具有广阔的应用前景。
【文献来源】
Nan Zhang, Xiyu Pan, Zhaoli Zhang, et al. Carbonated balsa-based shape-stable phase change materials with photothermal conversion and application in greenhouse. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2024; 266: 112699.
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.112699
