基本介紹
- 中文名：光化學儲能
- 外文名：Photochemical energy storage
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：能源工程
- 技術基礎：光化學反應
- 優點：同時完成太陽光的捕獲和存儲
儲能技術,簡介,太陽能儲存材料,光致異構化存儲太陽能,光致異構化反應原理,光致異構化儲能材料,
儲能技術
儲能技術主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學儲能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器儲能等）三大類。根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合於需要提供短時較大的脈衝功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振盪、提高系統穩定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合於系統調峰、大型應急電源、可再生能源併入等大規模、大容量的套用場合。
簡介
隨著我國經濟高速增長的同時，也面臨著日趨嚴峻的環境和能源問題，開發和利用可再生能源已成為我國保持可持續性發展的戰略任務之一。太陽能取之不盡，用之不竭，將是替代傳統化石能源的最佳選擇。由於太陽能的利用受地域性和時間性問題的制約，如何有效存儲和高效轉換是開發及利用太陽能急需解決的的關鍵技術問題。光化學儲能作為一種重要的化學儲能技術，在太陽能存儲領域中具備誘人的套用前景。
光回響化合物偶氮苯類分子由於其具有良好的吸收、可循環的異構化和特殊基團結構的設計等優點，可利用自身的光異構化反應實現太陽能的存儲和釋放，是一種極具潛力的新型太陽能儲能材料。由於偶氮苯化合物的異構化速率、吸收光譜範圍等性能受其取代基團、溶劑極性等因素影響，研究偶氮苯化合物異構化性能的影響因素對偶氮苯類化合物儲能材料的設計、製備與套用具有重要的指導意義。
太陽能儲存材料
傳統的太陽能存儲材料分為物理存儲材料和化學存儲材料，物理存儲材料包含顯熱儲能材料和相變儲能材料。
（1）顯熱存儲材料
顯熱存儲材料主要是利用材料的比熱容儲存能量，通過控制材料溫度的升、降，從而實現熱能的儲存和釋放過程。顯熱存儲的熱傳導率高、成本低廉、穩定性好，缺點是單位體積的蓄熱量小且無法恆溫傳熱，因此近年來對這方面的技術研究很少。
（2）相變存儲材料
相變存儲材料是利用物質在物態變化(固一液，固一汽，液一汽和固一固)時，能夠吸收或放出大量的潛熱這一性質來儲存能量。相變儲能是以相變材料為基礎的儲能技術，其優點是在相變過程中輸出的溫度和能量都很穩定，且其儲能密度通常要比顯熱存儲材料高一個數量級。但其在經過多次熱循環後混合物就出現相分層和過冷現象，導致相變性能惡化，儲能效果大打折扣。
（3）化學儲能材料
化學儲能的原理是利用化學反應熱的形式，可逆地將吸收的能量(太陽能、地熱能等)存儲起來，在需要提供能量時，通過外界觸發逆轉將能量以熱的形式釋放出來。相比前兩種存儲方式，化學儲能材料具備體積變化小、無相變過程、不存在相分離和過冷問題等優點，且化學能的瞬間釋放功率很大。由於化學能比相變潛熱大，所以其儲能密度通常情況下要比其他儲能方式大得多。
光化學儲能是化學儲能技術中一個重要的分支，在太陽能存儲領域中具備誘人的套用前景。光化學反應包含雙分子光加成反應和單分子光致異構反應，而單分子光致異構反應又可細分為幾何異構和價鍵異構兩種。光化學存儲材料的優點在於能夠在同一時刻完成對太陽光的捕獲和存儲兩個環節，無需增添其他能量轉換設備，儲能方式顯得更加省事便捷。Timothy Kucharski認為光致異構化在“黑暗中也能獲取太陽能”，也就是即便在陰天，光致異構化反應仍然具有一定的效率，且其能夠在常溫下將能量存儲於化學鍵中，並通過保持必要的時間，在使用的時候以少量的活化能激發令能量通過熱的形式釋放出來。
光致異構化存儲太陽能
光致異構化反應原理
光致異構化是一類完全可逆的光化學反應，儘管在光波作用下發生的其他一些不可逆的反應，也能導致化合物結構或者性質發生改變，但那隻屬於一般的光化學範疇，而不屬於光致異構反應範疇，這也是衡量一個反應是否為光致異構化反應的重要標準。
光致異構化儲能材料
人們研究光致異構化現象已長達一百多年的歷史，早在1906年，化學家Weigert注意到異構化分子的化學鍵變化會引起其自身能量的改變，進而提出可以利用化學鍵來存儲太陽能。緊接著，Calvin團隊也提出了通過合成籠狀或者小環化合物來存儲太陽能。上世紀初，光致異構化的研究主要停留在價鍵異構儲能，這主要是由於價鍵異構的儲能能力強，特別是作為價鍵異構的典型代表化合物一一苯，其在光作用下能夠異構化為稜柱烷，貯存的太陽能高達4000 kJ/kg，但由於其光反應的量子產率比較低，且產物十分複雜，稜柱烷只是其光反應眾多產物中極小的一部分，所以難以將其分離並套用於太陽能儲存領域。80年代末，Smith等發現在光照下降冰片二烯能夠異構化為四環烷這一現象，並對其進行了大量的研究，這種具有高張力籠狀結構的大密度液態烴，在溫度低於127℃，氮氣保護的情況下能夠正常存儲，且儲能能力高達1212.2 kJ/kg，但由於降冰片二烯的吸收光波段發生在遠紫外區域，且反應的量子產率很低。二十世紀末，Yamashita等用結構修飾的方法得到了一系列新型的NBD(norbomadiene)修飾物，雖然產物的光吸收波段有所紅移且量子產率也得到相應提高，但降冰片二烯長期暴露在陽光下容易發生降解，致使性能衰減嚴重而無法長期重複使用，因而將其作為太陽能光化學儲能材料的可靠性受到質疑。2010年，美國麻省理工學院的傑弗里·格羅斯曼等人揭示了二釕富瓦烯(fulvalene diruthenium)的獨特性質：能夠以熱的形式將吸收到的太陽光能量無限期儲存。由於材料中用到了金屬釕，這是一種稀有金屬且價格昂貴，無法大規模投入使用，且二釕富瓦烯的儲能密度較鏗電池的儲能密度(200---600 KJ/kg)要小得多，於是，格羅斯曼團隊又將二釕富瓦烯這種材料的工作過程與資料庫中的數百萬已知分子進行對比，最終找到了結構相同、且表現出同樣光反應行為的儲存偶氮苯化合物，並從偶氮苯化合物的順反異構化性能和儲能特性等出發展開實驗研究。
