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最常見的光伏技術(shù)是基于單晶硅太陽(yáng)能電池。由于光譜損失，單晶太陽(yáng)能光伏電池的最大效率估計(jì)為32%，而目前模塊的典型效率高達(dá)20%以上。相比之下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（SWH）的效率（太陽(yáng)能加熱）通常為20-80%。

最近，一個(gè)來自瑞典和中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能源系統(tǒng) ，據(jù)稱能夠?qū)⑻?yáng)能作為化學(xué)能儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá) 18 年，并使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能存儲(chǔ)組合的效率高達(dá) 80%。

更關(guān)鍵的是，這種儲(chǔ)能系統(tǒng)，還可以通過一種超薄芯片作為發(fā)電機(jī)，集成到耳機(jī)、智能手表和電話等電子產(chǎn)品中。

這個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)來自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)，他們一直致力于將太陽(yáng)能直接存儲(chǔ)在有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)鍵中的研究，并開發(fā)出了MOlecular Solar Thermal (MOST) 系統(tǒng)，早在 2013 年就進(jìn)行了概念演示，該系統(tǒng)將太陽(yáng)能作為潛在化學(xué)能存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中的光致異構(gòu)化中，實(shí)現(xiàn)了以液體介質(zhì)儲(chǔ)存太陽(yáng)能，該介質(zhì)不僅可以根據(jù)需要從太陽(yáng)中釋放能量，而且還可以運(yùn)輸。

最近，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的科學(xué)家又與上海交通大學(xué)研究人員合作，使這個(gè)太陽(yáng)能儲(chǔ)能系統(tǒng)更進(jìn)一步，將其與緊湊型熱電發(fā)電機(jī)結(jié)合起來，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)驗(yàn)證明它可以按需發(fā)電。

MOlecular Solar Thermal (MOST) 系統(tǒng)將太陽(yáng)能作為潛在化學(xué)能存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中的光致異構(gòu)化中，其核心是專門設(shè)計(jì)的碳、氫和氮分子。當(dāng)它與陽(yáng)光接觸時(shí)，分子內(nèi)的原子會(huì)重新排列以改變其形狀，并將其轉(zhuǎn)化為富含能量的異構(gòu)體，可以以液體形式儲(chǔ)存。

在 MOST 系統(tǒng)中，母體分子暴露于太陽(yáng)光子并由此轉(zhuǎn)化為高能光異構(gòu)體，這是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的；同時(shí)它可以通過熱活化或使用催化劑異構(gòu)化回母體分子并釋放熱量。例如基于降冰片二烯-四環(huán)烷的MOST系統(tǒng)，科學(xué)家們將一種叫做降冰片二烯的碳?xì)浠衔锉┞对诠庀拢@會(huì)改變其化學(xué)鍵，將其變成四環(huán)烷，此過程中太陽(yáng)能作為潛在化學(xué)能存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中。改變四環(huán)烷的溫度或?qū)⑵浔┞队诖呋瘎?huì)產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)效果，并且以熱量的形式釋放能量。該系統(tǒng)顯示出高達(dá) 966 kJ kg -1的能量存儲(chǔ)密度和超過幾個(gè)月的存儲(chǔ)時(shí)間。

經(jīng)過研究，高效 MOST 系統(tǒng)的要求可概括為：

（1）母體化合物必須吸收大部分太陽(yáng)光譜；（2）光異構(gòu)體不得競(jìng)爭(zhēng)吸收陽(yáng)光；（3）光反應(yīng)的量子產(chǎn)率應(yīng)為 100%；（4）存儲(chǔ)的能量密度應(yīng)超過 300 kJ kg -1；（5）光異構(gòu)體必須在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，并且（6）所有反應(yīng)必須定量進(jìn)行，例如允許多個(gè)太陽(yáng)能儲(chǔ)存-釋放循環(huán)。

在MOST系統(tǒng)（分子太陽(yáng)能熱系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上，查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員提出了一種分子太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)（MOST）和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（SWH）組成的混合太陽(yáng)能系統(tǒng)，使其有可能利用MOST系統(tǒng)無法利用的亞帶隙光子。該混合太陽(yáng)能系統(tǒng)可以有效地利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（SWH）的低能量光子，并在分子太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)（MOST）中以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存高能量光子。通過使用降冰片二烯-四環(huán)烷（NBD-QC）系統(tǒng)儲(chǔ)存部分太陽(yáng)能，可以為現(xiàn)有的低溫或中溫太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)（SWH）增加長(zhǎng)期儲(chǔ)能和按需輸送能量的功能。

為了證明在SWH中加入基于MOST的能量存儲(chǔ)的效果，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)微流控混合裝置。該混合裝置包含兩層，SWH在底層（深灰色），MOST在頂層（淺灰色）。上層MOST部分由熔融石英微流控芯片構(gòu)成；它允許來自太陽(yáng)光譜的高能量光子將降冰片二烯（NBD）光化學(xué)地轉(zhuǎn)化為四環(huán)烷（QC）。如圖所示，能量低于降冰片二烯（NBD）吸收起始點(diǎn)的光子有效地穿過裝置的上層，并用于加熱下層收集器中的水，該收集器由一個(gè)3D打印的流動(dòng)池構(gòu)成，上面覆蓋著石英玻璃片。該裝置的正面尺寸為≈2乘2厘米。

同時(shí)，為了進(jìn)一步評(píng)估降冰片二烯的性能，研究人員將最有希望的化合物 ( 2 ) 在 60 °C 的溶液中進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試（光異構(gòu)化和隨后的熱反向轉(zhuǎn)換）。化合物( 2 )經(jīng)歷了 127 次循環(huán)，降解可忽略不計(jì)，表現(xiàn)出出色的穩(wěn)健性。此外，循環(huán)測(cè)試是在環(huán)境條件下進(jìn)行的（無脫氣），導(dǎo)致每個(gè)轉(zhuǎn)換循環(huán)降解 0.2%，這表明需要無氧環(huán)境以獲得可忽略的降解。

“這項(xiàng)技術(shù)意味著我們可以將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中，并在需要時(shí)將能量以熱量的形式釋放出來。” 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Kasper Moth-Poulsen 說。“混合太陽(yáng)能系統(tǒng)將化學(xué)能量?jī)?chǔ)存與水加熱太陽(yáng)能電池板相結(jié)合，可以轉(zhuǎn)換 80% 以上的入射陽(yáng)光。”

由于MOST系統(tǒng)中的一部分能量被儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中，因此存在著非常穩(wěn)定的長(zhǎng)期儲(chǔ)存的潛力，而這種儲(chǔ)存受限于儲(chǔ)存容量的大小。這種能量可以以非常精確的數(shù)量和高度的可靠性進(jìn)行運(yùn)輸和交付。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示的技術(shù)性能為397 kJ kg-1 = 110 W h kg-1（當(dāng)前化合物：降冰片二烯），略低于比亞迪磷酸鐵鋰刀片電池的140 W h kg-1；潛力為966 kJ kg-1 = 268 W h kg-1（未取代的降冰片二烯），與現(xiàn)代鋰離子電池化學(xué)的能量密度相比非常有競(jìng)爭(zhēng)力，表明它可能是任何使用電池能量進(jìn)行電阻性加熱的應(yīng)用中可行的技術(shù)。它還超過了大多數(shù)普通相變材料（如石蠟為200-270 kJ kg-1）的熔化焓。因此，從重量級(jí)能量密度的角度來看，MOST系統(tǒng)也具有競(jìng)爭(zhēng)力。

此外，MOST系統(tǒng)展現(xiàn)除了強(qiáng)大的可循環(huán)性能，如前所述，在循環(huán)測(cè)試（光異構(gòu)化和隨后的熱反向轉(zhuǎn)換），化合物( 2 )經(jīng)歷了 127 次循環(huán)，降解可忽略不計(jì)，表現(xiàn)出出色的穩(wěn)健性。

MOST 技術(shù)的任何未來更大規(guī)模應(yīng)用都面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，它們共同構(gòu)成了長(zhǎng)期研發(fā)的路線圖。進(jìn)一步發(fā)展這種熱化學(xué)儲(chǔ)存技術(shù)要克服的第一個(gè)挑戰(zhàn)可能是溶劑的毒性。減少毒性或消除溶劑將開辟更多的潛在應(yīng)用，如可利用陽(yáng)光充電的便攜式烹飪?cè)O(shè)備，并可在太陽(yáng)落山時(shí)進(jìn)行烹飪。其次，與任何新技術(shù)一樣，MOST 技術(shù)還面臨著高成本的挑戰(zhàn)。在這種系統(tǒng)能夠在大宗能源應(yīng)用中與其他太陽(yáng)能可再生技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)之前，需要通過大規(guī)模生產(chǎn)組成化學(xué)品來降低成本。

MOST 系統(tǒng)通過吸收光子并將能量?jī)?chǔ)存在亞穩(wěn)態(tài)光異構(gòu)化狀態(tài)，其捕獲的能量可以在這種液態(tài)下儲(chǔ)存長(zhǎng)達(dá) 18 年，然后通過專門設(shè)計(jì)的催化劑將分子恢復(fù)到原來的形狀并將能量以熱量的形式釋放出來。

目前，查爾姆斯理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在與中國(guó)上海交通大學(xué)的科學(xué)家合作，他們使用緊湊型熱電發(fā)電機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為電能。

查爾姆斯理工大學(xué)研究員王志航說：“發(fā)電機(jī)是一種超薄芯片，可以集成到耳機(jī)、智能手表和電話等電子產(chǎn)品中。到目前為止，我們只產(chǎn)生了少量電力，但新的結(jié)果表明這個(gè)概念確實(shí)有效，它看起來非常有前途。”

據(jù)報(bào)道，概念驗(yàn)證的電流輸出高達(dá) 0.1 nW（每單位體積的功率輸出高達(dá) 1.3 W m-3），這可能非常小，但科學(xué)家們看到了他們的 MOST 系統(tǒng)的巨大潛力，它可以通過一次存儲(chǔ)數(shù)月或數(shù)年來解決太陽(yáng)能的間歇性問題，并可以按需利用它。

查爾默斯化學(xué)與化學(xué)工程系教授、研究負(fù)責(zé)人 Kasper Moth-Poulsen 說：“這是一種全新的太陽(yáng)能發(fā)電方式。這意味著我們可以利用太陽(yáng)能發(fā)電，不受天氣、時(shí)間、季節(jié)或地理位置的影響。它是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，可以在不產(chǎn)生二氧化碳排放的情況下運(yùn)行。”

在證明了該系統(tǒng)可以用來發(fā)電之后，該團(tuán)隊(duì)正專注于改善其性能，同時(shí)致力于為小工具充電和為家庭供暖提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的商業(yè)解決方案。此外，該系統(tǒng)還可用于衛(wèi)星熱控系統(tǒng)。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的太陽(yáng)能領(lǐng)域，突破商業(yè)化的障礙將是一個(gè)重大而困難的挑戰(zhàn)，但考慮到太陽(yáng)能技術(shù)的創(chuàng)新性和目前全世界淘汰化石燃料的趨勢(shì)，突破很可能正在發(fā)生。