太陽熱能儲(chǔ)存（STES）是一種通過固液相變材料（PCMs）實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)，因其能夠有效緩解可再生能源間歇性問題而成為研究熱點(diǎn)。然而，當(dāng)前的STES系統(tǒng)普遍面臨充電速率緩慢、儲(chǔ)能容量受限以及過熱風(fēng)險(xiǎn)等挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了其在大規(guī)模應(yīng)用中的效率和安全性。傳統(tǒng)的高導(dǎo)熱填料雖然可以在一定程度上提升能量收集效率，但往往犧牲了潛熱儲(chǔ)存容量，同時(shí)高填料成本和熱傳導(dǎo)衰減問題也進(jìn)一步限制了其適用性。

有鑒于此，上海交通大學(xué)鄧濤、陶鵬教授等人合作在《Science Advances》上發(fā)表題為“Fish-inspired dynamic charging for ultrafast self-protective solar-thermal energy storage”的最新論文。

研究人員受到鯉魚等生物熱調(diào)節(jié)行為的啟發(fā)，提出了一種快速響應(yīng)、超快充電、大容量且具備過熱保護(hù)功能的仿生STES策略。通過制備一種液體浸漬的太陽吸收泡沫充電器（LPG泡沫），該裝置能夠高效捕獲太陽光，實(shí)現(xiàn)約97%的太陽吸收率，同時(shí)依靠重力驅(qū)動(dòng)推動(dòng)固液界面后退，以~0.66 mm/min的高速度充電，并以約92.9%的效率將太陽熱能存儲(chǔ)為潛熱。當(dāng)溫度過高時(shí)，泡沫會(huì)自發(fā)上浮，觸發(fā)緊急停止功能，從而實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。這種仿生動(dòng)態(tài)充電策略不僅適用于多種相變材料，還展現(xiàn)了安全高效利用可再生熱能的廣闊應(yīng)用前景。

1. 實(shí)驗(yàn)首次提出了一種仿生動(dòng)態(tài)太陽熱能儲(chǔ)存（STES）策略，通過液體浸漬的太陽吸收泡沫充電器（LPG泡沫）實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和超快充電。該策略靈感來源于鯉科魚類的熱調(diào)節(jié)行為，能有效克服傳統(tǒng)STES系統(tǒng)中的慢充電速率、儲(chǔ)存容量下降和過熱問題。

2. 實(shí)驗(yàn)通過制備具有高太陽吸收率（約97%）和可調(diào)密度的LPG泡沫，該泡沫在重力驅(qū)動(dòng)下能迅速推動(dòng)固-液充電界面的前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了高效的太陽熱能儲(chǔ)存，潛熱儲(chǔ)存效率高達(dá)92.9%。此外，LPG泡沫能夠通過浮動(dòng)行為在過熱時(shí)自動(dòng)停止充電，防止過熱帶來的安全隱患。

3. 實(shí)驗(yàn)通過在集中太陽輻照下測試，驗(yàn)證了LPG泡沫的超快充電性能，該泡沫能夠在大體積相變材料中實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，且充電過程安全可靠，避免了傳統(tǒng)STES系統(tǒng)中熱傳導(dǎo)速率衰減的問題。

圖1. 仿魚動(dòng)態(tài)STES系統(tǒng)在相變材料中的LPG泡沫充電示意圖。

圖2. 仿魚泡沫充電器的制備與表征。

圖3. 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充電條件下STES性能的對比。

圖4. 在大體積相變材料中實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)與快速STES的表現(xiàn)。

圖5. 用于超快充電和自動(dòng)過熱保護(hù)的智能LPG泡沫。

本文提出的基于魚類溫控行為啟發(fā)的動(dòng)態(tài)充電策略，為太陽能熱能儲(chǔ)存（STES）領(lǐng)域提供了新的思路。通過采用多功能LPG泡沫作為充電器，這一策略能夠快速響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)大容量、超快速、安全的太陽熱能儲(chǔ)存。LPG泡沫不僅具備高太陽光吸收能力和機(jī)械柔性，還能在充電過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，與相變材料（PCMs）緊密接觸，快速誘導(dǎo)相變并推動(dòng)固/液界面不斷推進(jìn)，從而有效提升充電效率。

更為重要的是，溫度敏感的LPG泡沫能夠在溫度過高時(shí)自動(dòng)浮起，停止充電過程，避免了潛在的過熱問題，確保了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。這種生物啟發(fā)的動(dòng)態(tài)充電策略能夠適應(yīng)多種PCMs，具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅為高效太陽能熱能的收集與儲(chǔ)存提供了創(chuàng)新的解決方案，還為未來智能能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

Xiaoxiang Li et al. ,Fish-inspired dynamic charging for ultrafast self-protective solar-thermal energy storage.