一种光热电转化系统及海水淡化余热利用系统

1.本发明属于废能利用技术领域，具体涉及到一种光热电转化系统及海水淡化余热利用系统。


背景技术：

2.目前，太阳能转化为电能的主要方式有两种。第一种是基于光生电子-空穴的光伏技术，可以高效的将太阳能转化为电能，但其转化效率会随光伏面板温度的升高而下降。另一种是基于将太阳能产生的热量转化为电势的光热电技术，可以同时产生有效的电能和热能。相对于pv，光热电技术在一定强度的光照下产生的电能更为稳定。
3.太阳能热电发电机(steg)的光-热-电转化过程主要基于塞贝克效应。利用太阳光产生的热对steg的一端加热，使得载流子由steg的热端向冷端扩散，并在冷端堆积，进而产生电势差。目前，从材料的角度大致可以将steg分为两类。第一类steg是基于柔性有机热电材料，其材料本身具有对太阳光的宽谱、高强度吸收的特点，不需要额外添加太阳能吸收剂。值得注意的是，有机热电材料以薄膜状态被应用，其无法在厚度方向产生明显的温差，因此通过薄膜的横向温度梯度实现热电转化。第二类steg是基于刚性无机热电材料，需要和太阳能吸收器和热管理系统协同使用。太阳能吸收器将入射的太阳辐射转化为热量，热电发生器将热量转化为电压差，热管理系统从热电发生器中去除废热。常用的无机热电材料分别是碲化铋、硅纳米线、氧化物基材料、sige合金。
4.但，无论是第一类发电机还是第二类发电机，传递的余热都流失到了环境中而没有得到充分的利用，导致对太阳能的利用效率仅在5％以内，如何将余热再次利用以提高能量利用效率是值得思考的。而将光热电转化体系与废能收集体系的一体化是解决问题的关键。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
7.本发明的其中一个目的是提供一种光热电转化系统，具有优异的光热转化性能。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种光热电转化系统，是一种自上而下的层级结构，依次为具有储能能力的光热转体系、具有发电能力的热电转化体系及余热收集能力的废能收集层，具体包括，
9.热电机；
10.光热层，所述光热层与所述热电机的热端进行物理接触，所述光热层由衬底、形成在所述衬底上的光热材料和储能材料构成；以及，
11.废能收集层，所述废能收集层与所述热电机的冷端进行物理接触。
12.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述衬底材料包括本征型导热聚合物、填充型导热聚合物、导热陶瓷、导热纯金属、导热合金、石墨、金刚石、碳纳米管、石墨烯、多孔无定型碳、导热硅脂、导热凝胶及导热云母的一种或多种。
13.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述衬底是多孔的且包含碳组分。
14.所述衬底是多孔的，多孔衬底可以提供大的表面积，并且通过光在孔内的多次散射提高光热转换效率。衬底可具有至少15％孔隙率、或至少25％孔隙率、或至少35％孔隙率、或至少45％孔隙率。在具有上述孔数的情况下，能够以大的表面积提高太阳能吸收率，并且能够容易地排出产生的蒸汽。
15.衬底可以包括碳组分，当衬底包括碳时，光热转换能力是优异的。含碳的衬底包括碳泡沫、聚乙烯醇泡沫、聚吡咯泡沫、膨胀石墨泡沫、石墨片中的一种或多种的组合。
16.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述光热材料包括共轭聚合物、碳基材料、基于等离子体共振形成局域热效应的金属材料、基于非辐射弛豫的半导体材料、黑钛类化合物、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物及生物光热分子中的一种或多种。
17.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述储能材料包括高级脂肪烃类化合物、脂肪酸类化合物、酰胺类化合物、多羟基碳酸类化合物、聚烯烃类化合物、聚羧醛类化合物、聚多元醇类化合物、纤维素接枝共聚物及衍生物、硅烷接枝共聚物及衍生物、多元醇、石蜡、金属氢氧化物、金属氢化物、结晶水合盐、金属碳酸盐、金属盐氨合物、钙钛矿化合物、石墨烯、碳纳米管、炭黑、mxenes中的一种或多种。
18.在本发明的一些具体实施例中，衬底、光热材料、储能材料为相互独立的材料，此时，所述光热材料与所述储能材料的质量百分比为1:20～10:1时能够获得最佳的光热转化效率。
19.在本发明的另一些具体实施例中，一些光热材料即具备光热转化能力又具备储能能力，因此这些光热材料即作为光热材料又作为储能材料，例如碳纳米管、石墨烯等材料。
20.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述废能收集层为单侧疏水的材料，所述废能收集层的疏水侧与供水组件相连，所述废能收集层的非疏水侧与所述热电机的冷端进行物理接触。
21.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述废能收集层包括基底和疏水层，所述疏水层物理涂覆或化学修饰于所述基底一侧。
22.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述基底为多孔材料，包括本征型导热聚合物、填充型导热聚合物、导热陶瓷、导热纯金属、导热合金、石墨、金刚石、碳纳米管、石墨烯、多孔无定型碳、导热硅脂、导热凝胶及导热云母的一种或多种。
23.在一个具体实施例中，废能收集层的基底采用与光热层的衬底相同的材料，例如通过两步法从三聚氰胺泡沫中获得的碳泡沫。
24.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述废能收集层的疏水侧与供水组件相连，在实验室环境下，供水组件可以是棉线，具体构筑时，将废能收集层的疏水侧与导水棉线充分接触，并置于中心具有孔的聚氨酯泡沫上，导水棉线穿过聚氨酯泡沫孔与下方烧杯中的水接触。
25.作为本发明光热电转化系统的一种优选方案，其中：所述物理接触包括直接物理
接触或通过导热胶进行粘结。
26.本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的光热电转化系统中光热层材料的制备方法，包括，
27.提供衬底；
28.通过原位氧化聚合在衬底上组装导电聚合物颗粒；
29.通过物理浸渍沉积将储热材料组装到导电聚合物颗粒表面。
30.作为本发明光热电转化系统中光热层材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述提供衬底，在一个具体实施例中采用碳泡沫作为衬底，碳泡沫是通过两步法从三聚氰胺泡沫中获得的；其中一个具体方法为：
31.将柔性块状蜜胺泡棉放置于马弗炉中，在250～300℃下空气氛围中稳定1～3h，然后将处理后的蜜胺泡棉放置于管式炉中，在氮气气氛下以300～500℃碳化10～60min，制备得到碳泡沫。
32.作为本发明光热电转化系统中光热层材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述通过原位氧化聚合在衬底上组装导电聚合物颗粒，在一个具体实施例中导电聚合物采用聚吡咯，其中一个具体方法为：
33.将聚吡咯单体与上述方法得到的碳泡沫共同在fecl3溶液中搅拌2～5h，得到聚吡咯@碳泡沫。
34.作为本发明光热电转化系统中光热层材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述通过物理浸渍沉积将储热材料组装到导电聚合物颗粒表面，在一个具体实施例中储热材料采用聚乙二醇，具体是相对分子量10000的peg 10000，其中一个具体方法为：
35.将聚乙二醇升温至完全融化，将上述方法得到的聚吡咯@碳泡沫浸入聚乙二醇熔体中，将样品放置在真空烘箱中干燥0.5～3h，取出样品并冷却至室温。
36.本发明的另一个目的是提供一种海水淡化余热利用系统，上述光热电转化系统中的光热层可以将太阳能转化为热量，然后将热量传递到teg的热端，光热层中的储能材料可以在黑暗中继续为teg提供热量，teg层传递的余热可用于蒸发水脱盐，从而提高太阳能的利用效率，还可以利用teg层冷热两面的温差发电，用于电化学氧化还原脱盐；具体包括，
37.如上述任一项所述的光热电转化系统；以及，
38.电化学氧化还原脱盐装置，所述电化学氧化还原脱盐装置两端的电极分别与所述光热电转化系统中的热电机的正极和负极相连。
39.作为本发明海水淡化余热利用系统的一种优选方案，其中：所述电化学氧化还原脱盐装置采用现有技术，可参见文献(acs sustainable chem.eng.2019,7,16182
–
16189)中所公开，具体由碳布、电解质电池、阴离子交换膜(aem)、阳离子交换膜(cem)和盐流通池组成；
40.热电机的正极和负极通过鳄鱼夹分别与脱盐装置的两端的碳布连接。
41.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
42.本发明得到的光热电系统具有光热转换、储能和传热能力。由于其储能作用，该系统可以在黑暗中也可以连续放电，同时，该系统中的废能收集层由于其具有单面疏水性的碳泡沫，使其具有优异的水蒸发利用废能的能力。将本发明的光热电系统应用于海水淡化中，太阳能利用效率高达86％，若将暗态水蒸发能量剔除，太阳能利用效率也达59％，且实
现在间歇性光照条件下的可持续工作。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
44.图1为本发明实施例1中各材料的宏观照片。
45.图2为本发明实施例1中各材料的sem图。
46.图3为本发明实施例1中各材料的紫外吸收光谱。
47.图4为本发明实施例1中peg@ppy@cf材料在不同光照时间下的热成像温度图。
48.图5为本发明实施例2中废能收集层材料的sem图和eds图。
49.图6为本发明实施例2中废能收集层材料两侧的接触角。
50.图7为本发明实施例2中废能收集层材料在不同光照时间下的热成像温度图。
51.图8为本发明实施例3中光热电转化系统及其测试时的结构示意图。
52.图9为本发明实施例3中光热电转化系统在稳态下不同位置的温度图。
53.图10为本发明实施例4中海水淡化余热利用系统的结构示意图。
54.图11为本发明实施例4中海水淡化余热利用系统热电除盐前后的盐浓度。
55.图12为本发明实施例4中记录的浓缩池和淡化池盐浓度的整个变化过程。
56.图13为本发明实施例4中海水淡化余热利用系统多次循环放电测试结果图。
57.图14为本发明实施例5、6、7制得的光热电系统中teg的发电性能测试结果。
58.图15为本发明实施例8、9、10制得的光热电系统的水蒸发性能测试结果。
59.图16为对比例1制得的光热电系统与实施例3的光热电系统的性能对比结果。
60.图17为对比例2、3、4制得的光热电系统与实施例3的光热电系统的性能对比结果。
具体实施方式
61.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
62.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
63.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
64.如无特别说明，实施例中所采用的原料均为商业购买。
65.实施例1
66.(1)将柔性块状蜜胺泡棉(以mf表示)放置于马弗炉中，在275℃下空气氛围中稳定2h，然后将处理后的蜜胺泡棉放置于管式炉中，在氮气气氛下以400℃碳化30min，制备得到碳泡沫，命名为cf；将碳泡沫切割成3cm
×
3cm
×
4cm的正方体。
67.(2)取0.746g的fecl3溶解在50ml的水中并搅拌，搅拌后静置平衡1h，在冰水浴下加入0.1342g的聚吡咯(ppy)单体和步骤(1)中切割后得到的碳泡沫(cf)一起搅拌，控制搅拌时间为4h，得到附有聚吡咯颗粒的碳泡沫，命名为ppy@cf。
68.(3)将1.0g聚乙二醇(peg 10000)升温至90℃，直到peg完全融化，将步骤(2)得到的ppy@cf浸入90℃的peg熔体中，将样品放置在真空烘箱中干燥1h，取出样品并冷却至室温，得到光热转化材料，命名为peg@ppy@cf。
69.mf、cf、ppy@cf和peg@ppy@cf材料的宏观照片如图1所示。对mf、cf、ppy@cf和peg@ppy@cf材料通过场发射扫描电子显微镜(sem,hitachi s4800)进行观察，微观形态如图2所示，其中，(a-1)、(a-2)为mf的sem图；(b-1)、(b-2)为cf的sem图；(c-1)、(c-2)为ppy@cf的sem图；(d-1)、(d-2)为peg@ppy@cf的sem图。
70.由图2可以看出，通过在氮气氛围下煅烧蜜胺泡棉mf得到cf，碳泡沫的3d多孔结构与蜜胺泡棉十分接近，如图2(a-1)、(a-2)、(b-1)和(b-2)所示，说明煅烧过程并未破坏材料的骨架。然后，通过原位氧化聚合在碳泡沫骨架上组装聚吡咯(ppy@cf)，由图2(c-1)、(c-2)可知，聚吡咯呈颗粒状，在碳骨架表面均匀分布，且未造成骨架的堵塞，不会阻碍热量传递。接着，通过物理浸渍沉积将peg组装到聚吡咯表面(peg@ppy@cf)，由图2(d-1)、(d-2)可知，表面附有聚吡咯颗粒的碳泡沫骨架被peg均匀包覆，且孔隙中没有明显的积累。
71.对mf、cf、ppy@cf和peg@ppy@cf材料通过紫外可见分光光度计(uv-3600plus)上测量漫反射uv-vis-ir吸收，各材料的紫外吸收光谱如图3所示。如图3可以看出，泡沫的碳化和ppy的修饰会增加的入射光的吸收，peg的引入会稍微降低入射光的吸收。
72.对peg@ppy@cf材料通过热成像仪测量了样品在不同光照时间下的温度，热成像温度如图4所示，记录了光照过程中光热层表面温度的变化，光照10min后光热层达到平衡温度87.6℃，表明其具有优异的储热性能和导热性能。
73.实施例2
74.(1)将柔性块状蜜胺泡棉(以mf表示)放置于马弗炉中，在275℃下空气氛围中稳定2h，然后将处理后的蜜胺泡棉放置于管式炉中，在氮气气氛下以400℃碳化30min，制备得到碳泡沫，命名为cf；将碳泡沫切割成3cm
×
3cm
×
4cm的正方体。
75.(2)取2.0μl的氟代硅烷化试剂溶解在5ml的乙酸乙酯中，用悬涂机将溶液均匀悬涂在步骤(1)得到的碳泡沫cf的一侧表面，控制悬涂速度为1500rpm，将处理后的泡沫浸泡在丙酮、氯仿中超声清洗并烘干以形成具有疏水性的泡沫，得到废能收集层材料，命名为cf(-f)。
76.废能收集层材料cf(-f)的sem图如图5(a-1)、(a-2)所示。废能收集层材料是由单面疏水修饰的cf组成，对cf(-f)材料的两侧进行了f元素分布的eds分析如图5(b-1)、(b-2)所示，其中，(b-1)为cf(-f)材料的非疏水表面；(b-2)为cf(-f)材料的疏水表面，可以看出，疏水修饰的一端存在明显的f元素分布，另一端无f元素分布，这也进一步证明了泡沫是单面疏水的结构。
77.通过光学接触角测量仪(oca 40)测量了cf(-f)材料两侧的接触角，如图6所示，经过氟代硅烷化修饰的一端接触角为117.6
°
，未经任何修饰的另一端接触角为0
°
。当水滴在泡沫的疏水端时，由于水滴受到向上的毛细力大于向下的重力和疏水力，从而导致水被吸收到亲水层。而当水在泡沫的亲水端时，由于受到向上的毛细力大于向下的重力而将水储
存在泡沫中。这种单面疏水结构一方面可以利用储存在泡沫中的水冷却热电机，提高热电机的发电效率，另一方面可以降低泡沫顶端的水回流而造成的热对流损失，从而提高水的蒸发效率。
78.对cf(-f)材料通过热成像仪测量了样品在不同光照时间下的温度，热成像温度如图7所示，记录了光照过程中废能收集层侧面温度的变化，光照10min后废能收集层达到平衡温度33℃。
79.实施例3
80.如图8(a)所示，本实施例3提供一种光热电转化系统，自上而下由光热层100、热电机200和废能收集层300组成，通过导热硅胶101将光热层100的下表面与热电机200的上表面(热端)进行粘结得到peg@ppy@cf/teg，然后再将热电机200的下表面(冷端)与废能收集层300的上表面进行物理接触得到peg@ppy@cf/teg/cf(-f)。
81.其中，热电机(teg)为商用热电机，其型号为tep1-142t300。
82.光热电转化系统具体的构筑方法是：
83.(1)将实施例1得到的光热转化材料peg@ppy@cf切割成3cm
×
3cm的正方体，并控制厚度为0.2cm；
84.(2)通过导热硅胶将peg@ppy@cf的下表面与热电机(teg)的上表面(热端)进行粘结得到peg@ppy@cf/teg；
85.(3)将实施例2得到的废能收集层材料cf(-f)切割成3cm
×
3cm的正方体，并控制厚度为1.5cm；
86.(4)将热电机的下表面(冷端)与cf(-f)的上表面进行物理接触得到peg@ppy@cf/teg/cf(-f)。
87.测试时，如图8(b)所示，将废能收集层300底端与导水棉线301充分接触，并置于中心具有直径为3mm孔的聚氨酯泡沫302上，导水棉线301穿过聚氨酯泡沫302孔与下方烧杯303中的水接触。
88.通过热成像仪记录下的稳态下光-热-电转化体系中不同位置的温度，如图9所示，自上而下的热成像温度分别为光热层表面温度(a)、热电机顶部温度(b)、热电机温度(c)、热电机底部温度(d)、废能收集层温度(e)、水体温度(f)，分别对应60.4℃、51.4℃、38.4℃、33.4℃、32.5℃、22.6℃，温度由上到下依次递减。
89.根据该现象，分析整个器件热量向下传递的机制。
90.假设入射光的能量为e，到达光热层的热量为q，一部分热量q通过热传导(q1)传递给teg，一部分热量q传递到空气中散失通过热辐射和热对流(ql1)，另一部分被peg(e1)吸收和储存。一部分热量q1通过热传导(q2)传递到废能收集层，一部分热量通过热辐射和热对流(ql2)传递到空气中散失，另一部分用于发电(e2)。一部分热量q2用于水分蒸发(e3)，一部分热量通过热辐射和热对流(ql3)传递到空气中散失，另一部分通过热传导和热量传递给体内水分损失对流(ql4)。
91.在整个转化过程重要的参数是太阳能利用效率，太阳能利用效率的计算如公式见(1)～(5)。
92.93.e1＝m1h1(2)
94.e2＝vit(3)
95.e3＝m2h2(4)
96.e＝pt(5)
97.其中，e1是peg储存的能量；e2是teg除盐时的电能；e3是水蒸发利用的热能；e指太阳能的总输入能量；m1是peg10000的质量；h1是peg10000的相变焓；v指工作电压(氧化还原除盐系统)；i指工作电流(氧化还原除盐系统)；m2是蒸发水的质量；h2是水的蒸发焓；p指太阳能输入功率；t指器件工作时间。能量效率计算的相关数值如表1所示。
98.表1用于能量效率计算的相关数值
[0099][0100]
经计算，太阳能利用效率为86％，若在计算过程中将暗态环境水蒸发能量剔除，则太阳能利用效率为59％。
[0101]
实施例4
[0102]
如图10所示，将实施例3中组装的光热电转化系统用于氧化还原脱盐供电，构成一种海水淡化余热利用系统。
[0103]
图10中所展示的一种电化学氧化还原脱盐装置，由碳布、电解质电池、阴离子交换膜(aem)、阳离子交换膜(cem)和盐流通池组成，具体可参考文献(acssustainablechem.eng.2019，7，16182-16189)。
[0104]
由两张石墨纸作为集电器，[fe(cn)6]
3-/4-作为阳极电解液和阴极电解液，盐流位于aem和cem膜之间。分别将4ml的4mm/40mm[fe(cn)6]
3-/4-电解质溶液使用软管在相互连接的阳极室和阴极室中以17.28ml/min的速度流动，然后循环回到容器；以每个通道3000ppm，含1.5mlnacl溶液的盐进料分别循环，[fe(cn)6]
3-/4-电解液和两股盐流由蠕动泵驱动。电解质或盐进料的每个隔室具有长方体尺寸，其具有0.3cm的厚度和1.5
×
1.5cm2截面积，即脱盐过程中的有效面积，除了最外面的两张是亚克力板外，其余的都是硅胶材质。
[0105]
光热电系统废能收集层cf(-f)的底端与导水棉线充分接触，并置于中心具有直径为3mm孔的聚氨酯泡沫上，导水棉线穿过聚氨酯泡沫孔与下方烧杯中的水接触。最后，热电机的正极和负极通过鳄鱼夹分别与除盐装置的两端的石墨纸电极链接，如图10所示。
[0106]
用低精度盐度计测定热电除盐前后的盐浓度，结果如图11所示，图11(a)对应着热电除盐前的盐浓度(3000ppm)，图11(b)和11(c)分别对应着经过600min热电除盐后浓缩池的盐浓度(3000ppm)和淡化池的盐浓度(3000ppm)；图12为高精度电导率仪记录的浓缩池和淡化池盐浓度的整个变化过程。上述结果表明，经过600min后，浓缩池的盐浓度为428ppm，淡化池的盐浓度为5571ppm，前者几乎是后者的两倍，淡化池的盐浓度低于淡水的基线。
[0107]
循环稳定性是评价光热电除盐性能的重要指标，在实验室规模测试中进行了多次循环放电测试，结果如图13所示。图13(a)、图13(b)分别为本系统在循环过程中开路电压、短路电流随时间的变化曲线，从图中可以看出各曲线只有可忽略不计的波动，这证明了该系统在实验室规模测试中的可循环性和稳定性。
[0108]
实施例5
[0109]
本实施例与实施例3相比，在制备光电层中的ppy@cf时，控制搅拌时间分别为2、3、4、5h，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0110]
对实施例5制得的光热电系统中teg的发电性能进行测试，结果如图14(a)所示。
[0111]
参见图14(a)，展示了不同导电聚合物ppy的合成时间对teg发电性能的影响，而ppy的合成时间影响的是导电聚合物ppy的含量，从图中可以看出，较低含量的导电聚合物ppy会减弱peg@ppy@cf对近红外光的吸收，进而降低太阳能的光热转化效率，导致teg输出功率降低；而较高含量的聚吡咯会发生区域堆积，与碳泡沫骨架接触不良，阻碍热量从peg@ppy@cf向热电机热面传递，导致热电机输出功率降低，当聚合时间为4h时，开路电压达到峰值。
[0112]
实施例6
[0113]
本实施例与实施例3相比，在制备光电层中的碳泡沫时，控制厚度分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5cm，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0114]
对实施例6制得的光热电系统中teg的发电性能进行测试，结果如图14(b)所示。
[0115]
参见图14(b)，展示了光热层厚度对teg发电性能的影响，随着碳泡沫厚度的增加，teg的开路电压呈现先增加后降低的规律。由于碳泡沫厚度比较厚的时候，较长热量传递路径会造成能量的损失严重，进而降低了teg的输出功率；而碳泡沫的厚度比较薄的时候，会导致光吸收材料以及光热转换材料含量不足，不利太阳能的光热转化效率，进而降低了热电机的输出功率。当碳泡沫厚度为0.2cm时，开路电压达到峰值。
[0116]
实施例7
[0117]
本实施例与实施例3相比，在制备peg@ppy@cf时，控制peg的添加量分别为0.5、1.0、1.5、2.0g，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0118]
对实施例7制得的光热电系统中teg的发电性能进行测试，结果如图14(c)所示。
[0119]
参见图14(c)，可以看出teg的开路电压随着peg含量的增加先升高后降低。由于相变储能材料peg具有储存能量和导热性的能力，增加peg的用量可以扩大传热通道，使更多的热量更快地传递到teg的热端，从而提高开路电压的稳定性和峰值；然而，在peg@ppy@cf的光热转化过程中，过量的peg会发生泄漏，必须吸收更多的热量以达到储能饱和，延迟teg的开路电压达到稳定状态。故，当peg含量高达1.5和2.0g时，teg的开路电压在900s内仍未达到峰值，因此，最佳peg含量为1.0g，相应的开路电压在900s内达到峰值41mv，表现出优异的稳定性。
[0120]
实施例8
[0121]
本实施例与实施例3相比，构筑光热电系统时，控制废能收集层的厚度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5cm，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0122]
对实施例8制得的光热电系统进行水蒸发性能测试，结果如图15(a)所示。
[0123]
参见图15(a)，展示了废能收集层厚度对水蒸发废热利用率的影响，随着废能收集层cf(-f)厚度的增加，水蒸发速率呈现先增加后降低的规律。这是由于加cf(-f)厚度可以扩大其侧面面积，扩大侧面面积有利于水汽的逸出，从而提高水分蒸发率。然而，当cf厚度过厚时，没有足够的水到达cf(-f)与teg冷侧的界面，一部分来自teg冷侧的余热用于无效加热，导致导致水分蒸发率降低。
[0124]
实施例9
[0125]
本实施例与实施例3相比，在制备废能收集层中的单面疏水改性碳泡沫时，控制氟代硅烷化试剂的蘸取量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5μl，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0126]
对实施例9制得的光热电系统进行水蒸发性能测试，结果如图15(b)所示。
[0127]
参见图15(b)，随着含氟试剂量的增加，水蒸发速率呈现先增加后降低的规律。高浓度的含氟(f)试剂可以提高cf(-f)底部的疏水度，而高疏水性可以阻碍teg余热加热的水回流造成的热对流损失，从而提高余热蒸发水的利用效率。但疏水性过高会使水难以从cf(-f)的底部转移到顶部，导致供水不足，余热利用效率低，不利于加快水的蒸发速度。
[0128]
实施例10
[0129]
本实施例与实施例3相比，在制备废能收集层中的单面疏水改性碳泡沫时，控制氟悬涂速度分别为500、1000、1500、2000、2500rpm，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0130]
对实施例10制得的光热电系统进行水蒸发性能测试，结果如图15(c)所示。
[0131]
参见图15(c)，随着旋涂速率的降低，水蒸发速率呈现先增加后降低的规律。低旋涂速率可以提高cf(-f)底部的疏水度，而高疏水性可以阻碍teg余热加热的水回流造成的热对流损失，从而提高余热蒸发水的利用效率。但疏水性过高会使水难以从cf(-f)的底部转移到顶部，导致供水不足，余热利用效率低，不利于加快水的蒸发速度。
[0132]
对比例1
[0133]
对比例1与实施例3相比，采用未疏水改性的碳泡沫作为废能收集层材料，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0134]
参照上述实施例的测试方法，对上述对比例制得的光热电系统与实施例3进行对比，结果如图16所示，图16(a)为单面氟改性前后热电系统开路电压对比；图16(b)为废能收集层优化后teg冷面温度；图16(c)为废能收集层优化前的teg冷面温度。
[0135]
通过图16可以看出，采用单面疏水改性的碳泡沫作为废能收集层材料后，可以进一步降低teg冷端的温度，从而提高teg的输出功率。
[0136]
对比例2
[0137]
本对比例为了验证导电聚合物ppy对光热电系统的贡献，与实施例3相比，光热电系统中不含导电聚合物ppy，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0138]
对比例3
[0139]
本对比例为了验证相变储能材料peg对光热电系统的贡献，与实施例3相比，光热电系统中不含相变储能材料peg，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0140]
对比例4
[0141]
本对比例为了验证单面疏水修饰的碳泡沫组成的废能收集层对光热电系统的贡献，与实施例3相比，光热电系统中不含废能收集层，其余制备工艺条件均与实施例3相同。
[0142]
参照上述实施例的测试方法，对上述对比例制得的光热电系统与实施例3进行对比，结果如图17所示。
[0143]
图17显示的是负载有peg@ppy@cf/teg/cf(-f)、peg@cf/teg/cf(-f)、ppy@cf/teg/cf(-f)、peg@ppy@cf的热电转化系统在1kw
·
m-2
太阳光下的性能；其中，(a)为1小时内的质量变化；(b)为开路电压，(c)为短路电流，(e)为光热层温度和热电机温差；(d)为光电系统
各层温度的热成像图像peg@ppy@cf/teg/cf(-f)(d-1)，peg@cf/teg/cf(-f)(d-2)，ppy@cf/teg/cf(-f)(d-3)，peg@ppy@cf/teg(d-4)；(f)为peg@cf，peg@ppy@cf的紫外可见光谱；(g)为peg负载对热电机在黑暗条件下连续放电性能的影响；(h)为斩波光下光-热电系统的系统稳定性；(i)为四种光-热-电系统的太阳能利用效率。
[0144]
如图17(a)中的曲线a1和a3、图17(b)中的曲线b1和b3和图17(c)中的曲线c1和c3，有导电聚合物ppy的体系的水挥发速度、开路电压和短路电流均高于没有ppy的体系。由于ppy可以吸收更多的入射光转化为更多的热量，peg@ppy@cf/teg/cf(-f)的表面温度明显高于peg@cf/teg/cf(-f)，如图17(e)、17(d-1)、17(d-2)和17(f)所示。因此，peg@ppy@cf/teg/cf(-f)具有较高的光热层温度，可以将更多的热量传递给teg，从而提高水分蒸发率和teg输出功率。
[0145]
如图17(a)中的曲线a1和a2、图17(b)中的曲线b1和b2和图17(c)中的曲线c1和c2，有相变储能材料peg的体系的水挥发速度、开路电压和短路电流均高于没有peg的体系，且电化学稳定性更优异。这是因为peg具有导热能力，从而导致了更多的传热通道。这样，peg@ppy@cf/teg/cf(-f)体系中的热电机上表层的温度明显高于ppy@cf/teg/cf(-f)体系中的热电机上表层的温度，更有利于向下传递热能，提高了体系的发电和水蒸发性能。因此前者将比后者更多的热量传递到teg热侧，见图17(d-1)和17(d-3)。同时，在光热转变达到平衡后，对比了有peg体系和没有peg体系在暗态下持续放电的时间，在遮光条件下，有peg体系中的热电机持续放电时间达250s，远长于没有peg体系中的热电机放电时间，且在恢复光照后，电压迅速恢复到峰值，如图17(g)所示。这是因为peg在光照下发生焓变并吸收能量，而失去光照后，peg释放储存的热量为热电机供能。图17(h)为斩波光照下peg@ppy@cf/teg/cf(-f)的开路电压随时间的变化曲线，进一步说明peg具有优异的可重复蓄热能力。
[0146]
如图17(a)中的曲线a1和a4、图17(b)中的曲线b1和b4和图17(c)中的曲线c1和c4，有废能收集层体系的水挥发速度、开路电压和短路电流均高于没有废能收集层的体系。这是因为废能收集层cf含有大量的孔道供蒸汽逃逸，而蒸汽的逃逸带走了大量的热量。这样，有废能收集层的热电机冷面温度明显低于和没有废能收集层的热电机冷面温度，进而提高热电机冷热面的温差，有利于提高的热电机的发电性能，如图17(d-1)和图17(d-4)所示。
[0147]
由上述讨论可知，peg@ppy@cf/teg/cf(-f)中的各部分进行协同作用充分利用太阳能，致使太阳能利用效率高达86％，远高于其他样品，如图17(i)所示。该系统与有效废能相结合，太阳能的利用效率也高于光-热-电场领域的其他工作报告。
[0148]
综上，本发明制得的光热电系统具有光热转换、储能和传热能力。由于其储能作用，该系统可以在黑暗中也可以连续放电，同时，该系统中相变储能材料peg@ppy@cf/teg/cf(-f)中的各部分能够进行协同作用，该系统与有效废能相结合，将本发明的光热电系统应用于海水淡化中，太阳能利用效率高达86％，若将暗态水蒸发能量剔除，太阳能利用效率也达59％，且实现在间歇性光照条件下的可持续工作。
[0149]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。