【摘 要】
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随着“碳中和”“碳达峰”目标的提出,发展新技术、开发新能源、减少碳排放量的任务迫在眉睫。作为耗能大户的建筑业背负着减排的巨大任务,发展绿色建筑已经成为建筑业的未来趋势,太阳能光伏系统作为建筑节能重要的应用形式之一,为绿色建筑的实际运行提供了可靠的能源保障。目前由于绿色建筑中光伏发电系统的传统储能设备（蓄电池）能量密度低、使用寿命短、污染环境等缺点,大大增加了碳排放,不符合当前低碳环保的目标。开发高
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随着“碳中和”“碳达峰”目标的提出,发展新技术、开发新能源、减少碳排放量的任务迫在眉睫。作为耗能大户的建筑业背负着减排的巨大任务,发展绿色建筑已经成为建筑业的未来趋势,太阳能光伏系统作为建筑节能重要的应用形式之一,为绿色建筑的实际运行提供了可靠的能源保障。目前由于绿色建筑中光伏发电系统的传统储能设备（蓄电池）能量密度低、使用寿命短、污染环境等缺点,大大增加了碳排放,不符合当前低碳环保的目标。开发高性能、环境友好型的可再生新型储能材料和储能设备应用于光伏发电系统中,对绿色建筑的发展有着重要的意义。超级电容器拥有充放电效率高、循环寿命长、电容量大等优点,被作为光伏系统中极具前途的储能装置。但是由于超级电容器的能量密度低、阳极枝晶生成严重、运行不稳定等问题,限制了其在光伏发电系统中的应用。据此,本文采用环境友好型的生物基材料纳米纤维素（CNF）制备了新型储能材料,通过实验与模拟结合的方法对其离子电导率、抑制枝晶生长等性能进行研究。将新型储能材料组装到储能设备中,通过室内试验的方式,探究其对储能设备性能的影响;最后把新型储能设备运用于绿色建筑的光伏发电系统中,与传统储能设备的性能和碳排放量进行对比。本文的主要研究内容如下:（1）以农业废料工业大麻杆为原料,通过尿素预处理-磷酸溶解-洗涤-球磨的方法制备为纳米纤维素,将其与高浓度的氯化锌（ZnCl2）电解液混合后得到水系新型储能材料纳米纤维素水溶液电解质（CNF/ZnCl2/H2O）,再加入氯化钙（Ca Cl2）作为交联剂得到柔性新型储能材料纳米纤维素凝胶电解质CNF/ZnCl2。研究加入纳米纤维素对储能材料的离子电导率和锌阳极枝晶生长的影响。结果表明:水系储能材料CNF/ZnCl2/H2O的离子电导率达到了158.24 ms cm-1,远高于ZnCl2/H2O的53.19 ms cm-1;柔性储能材料CNF/ZnCl2的离子电导率达到了107.79ms cm-1,添加了纤维素的Cellulose/ZnCl2离子电导率仅有67.28 ms cm-1。纳米纤维素的添加明显抑制了锌阳极枝晶的生长,当储能材料应用到储能设备后能够提升设备的性能,延长使用寿命。（2）分别将CNF/ZnCl2/H2O和CNF/ZnCl2组装到水系储能设备和柔性储能设备中,对储能设备的电压窗口、电容量、能量功率密度、循环寿命、极端条件下的电容保持率等性能进行测试。结果表明:在水系储能设备中,CNF/ZnCl2/H2O超级电容器的最佳电压窗口为2 V,在500 W kg-1的功率密度下,能量密度高达236.2 Wh kg-1,经过50000次充放电循环后仍有88.3%的电容保持率,并且在-20℃的低温下电容量仅下降了34.2%,各项性能均超越了未添加CNF的ZnCl2/H2O超级电容器;在柔性储能设备中,CNF/ZnCl2超级电容器的最佳电压窗口为2 V,在2000 W kg-1功率密度下,能量密度为362.22 Wh kg-1,经过5000次充放电循环后电容保持率为94.6%,并且在-20℃的低温下电容量下降了43.99%,各项性能均超越了添加纤维素的Cellulose/ZnCl2/超级电容器。通过将CNF/ZnCl2/H2O超级电容器和CNF/ZnCl2超级电容器与绿色建筑中光伏发电系统的传统储能设备蓄电池的性能和碳排放量进行对比。结果发现:CNF/ZnCl2/H2O超级电容器与CNF/ZnCl2超级电容器的各项性能都有着较大的优势,能够显著的提高能量的转换效率,延长设备的使用寿命,减少对环境的污染,并且在全生命周期的碳排放量都少于传统蓄电池,显著的减少了绿色建筑的碳排放量,适合在绿色建筑的光伏发电系统中推广使用。
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