《Journal of Energy Storage》：Integration and performance of phase change material-based thermal energy storage systems in solar drying: A review
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本文系统综述相变材料（PCMs）在太阳能干燥系统中的应用，阐明其通过热缓冲与延迟放热机制解决太阳能间歇性问题，提升系统能效并稳定产品品质，同时分析当前标准化不足、材料耐久性及规模化推广的挑战，为未来技术优化提供理论依据。
Xuemei Yi|Chong Zhang|Changjiang Zheng|Kepeng Huang
塔里木大学机械与电子工程学院，阿拉尔，843300，新疆，中国
摘要
太阳能辅助干燥是绿色农业加工的关键技术，但其实际应用受到太阳辐射固有的间歇性和不稳定性的限制。由于相变材料（PCMs）具有高能量存储密度和潜热缓冲能力，因此它们为解决能源供应与需求之间的时间不匹配问题提供了有效的解决方案。本综述系统地总结了近期基于PCM的热能存储（TES）集成到太阳能干燥系统中的进展，特别强调了热缓冲和延迟热量释放的核心机制。PCM可以缩小干燥室内的温度波动，延长有效运行时间，并提高系统的整体热效率。我们进一步探讨了PCM在直接式、间接式和混合式太阳能干燥器中的集成策略。此外，还讨论了PCM的选择、热导率增强和封装技术，并强调了数值建模在优化存储单元设计中的关键作用。此外，还定量评估了PCM在提高能源利用率、能量效率和运行稳定性方面的显著贡献。经济评估表明，基于PCM的系统具有明显的成本优势。最后，概述了当前面临的挑战，如系统标准化程度有限、材料耐久性以及大规模应用的障碍，并提出了支持未来材料创新和系统工程的研究方向。
引言
食品干燥是农产品加工和储存的关键步骤，其效率和稳定性直接影响产品质量和能源利用[1]。鉴于全球向碳中和和绿色农业转型的趋势，传统的基于化石燃料的干燥方法因高能耗和大量排放而被认为不可持续[2]。相比之下，太阳能干燥提供了一种清洁、低成本、易于操作的替代方案，被广泛认为是可持续农业加工的有希望的途径。其温和的热条件还有助于保持热敏营养素并减少食品质量下降[3]。
然而，太阳辐射的固有间歇性使得难以维持连续稳定的热供应。这个问题在直接式、间接式和混合式太阳能干燥系统中普遍存在，这些系统都受到白天辐照度波动和夜间缺乏热输入的限制[4]。这种中断会降低脱水速率，可能导致水分反弹、颜色恶化甚至微生物风险，从而限制了太阳能干燥技术的可扩展性和可靠性[5]，[6]。因此，解决太阳能可用性与干燥需求之间的时间不匹配问题是太阳能干燥系统工程化和工业化面临的核心挑战。
热能存储为这一限制提供了关键的解决方案。在现有的技术中，基于相变材料（PCMs）的潜热存储方法因其高能量存储密度、精确的温度调节能力和良好的循环耐久性而受到越来越多的关注[7]。PCM可以在强太阳辐照期间吸收和储存多余的热量，并在傍晚或低辐照期间释放潜热，从而建立一种动态的“白天充电–夜间放电”机制，稳定干燥环境[8]，[9]。现有研究表明，集成PCM可以显著延长太阳能干燥器的有效运行时间，克服由太阳变化引起的间歇性操作，这在小型和中型干燥应用中尤为明显[10]。
除了能量平衡外，PCM还通过抑制温度和湿度的波动、增强热和质量传递以及帮助保持食品的营养和感官特性来提高干燥均匀性[11]。它们还可以缓冲由不稳定气候条件引起的能量损失[12]。尽管有这些优势，但增强PCM的混合式干燥系统在系统标准化、多能源存储协调和大规模应用方面仍面临挑战，需要进一步在材料、系统工程和控制策略方面取得进展[13]。
尽管现有的综述已经讨论了太阳能干燥技术或相变材料（PCMs）的应用，但大多数研究主要集中在干燥器配置分类或宏观热参数的描述上。这些方法往往缺乏对微观食品质量调节机制的深入分析和系统级热力学性能的定量评估。为了填补这一空白，并使本研究区别于现有文献，本文旨在提供一个系统性的综述，将质量 preservation 与能源效率优化相结合。本综述的核心贡献如下：首先，本文重点关注质量 preservation 和风味调节机制。与仅关注脱水速率的传统综述不同，我们系统地揭示了PCM创造的准等温环境如何影响食品的微观质量。我们特别阐述了PCM在抑制热敏营养素降解、减少挥发性风味化合物损失和控制微生物风险方面的独特优势，从而建立了基于热管理的质量调节框架。其次，我们进行了定量热力学分析。我们量化了PCM集成对能源效率、能量效率和比能耗（SEC）的具体影响。通过综合多项研究的数据，阐明了潜热存储技术在解决太阳能供需不匹配和提高能源质量方面的实际效益。第三，我们强调了数值模拟和结构设计。为了解决实验试错的高成本问题，我们系统地回顾了计算流体动力学（CFD）和多物理场模型在优化存储单元中的应用，建立了从模型预测到结构优化的明确技术路径。总之，通过整合微观质量机制、宏观热力学性能和数值优化方法，本综述旨在为开发高质量和节能的辅助干燥系统提供理论基础和决策支持。
为了解决这些不足，本综述系统地研究了基于PCM的TES集成到太阳能干燥系统中的情况，涵盖了基本的热存储机制、系统集成策略、材料性能提升和存储单元的数值模拟。具体而言，本综述分析了潜热存储对系统级热力学性能的影响，重点关注热稳定性、能源效率和能量效率的提高。
部分内容
PCM在太阳能食品干燥中的核心作用
由于PCM在相变过程中能够保持大致恒定的温度以及其高能量存储密度，因此被认为是处理热敏农产品的理想热管理策略[14]，[15]。如图1所示，PCM在太阳能干燥中的工作原理可以概括为“热缓冲-延迟热量释放”过程：在强太阳辐照期间吸收和储存多余的热量，随后在
集成策略
根据热力学功能和能量传递路径，太阳能干燥系统可以分为直接式、间接式和混合式配置[25]。集成为收集器侧的主要涉及源调节，利用PCM的高热吸收率来缓冲瞬态太阳波动，旨在向干燥室提供具有稳定焓的连续热空气流。相反，干燥室内的集成则侧重于稳态环境
主要的PCM类别及其工作温度范围
由于PCM具有高潜热存储能力和稳定的温度控制能力，它们有效补偿了太阳能干燥系统中显热存储介质特有的缓慢热响应和较大温度波动。在受辐照间歇性强烈影响的条件下，潜热存储显著平滑了温度波动并提高了系统能源效率[8]。在可用的候选材料中，基于石蜡的PCM仍然是最广泛使用的
模型开发
数值建模已成为优化太阳能干燥系统及其基于PCM的热能存储（TES）单元性能的重要工具。研究人员开发了多种用于PCM辅助太阳能干燥的建模框架，每种框架根据系统复杂性和模拟目标具有特定的优势。表3提供了常用工具的比较总结。
集总参数模型（全局模型）基于能量守恒
热稳定性和产品质量评估
PCM辅助的太阳能干燥不仅提高了干燥效率，更重要的是，保持了高度稳定和可控的热环境。这种温和的热条件有效减少了传统干燥过程中常见的质量下降，如热敏营养素的降解、结构塌陷和微生物风险的增加[88]。与传统方法相比，PCM辅助的干燥在脱水效率和
当前挑战和未来展望
尽管PCM辅助的太阳能干燥具有巨大的潜力，但其大规模工程应用面临三个主要挑战：
(1) 系统集成缺乏标准化。
当前的混合式干燥系统在收集器、存储和干燥模块接口以及控制逻辑方面存在差异。这导致了集成度低、能量传递路径长以及实际能源利用率低于理论值，阻碍了标准化应用和工业化。作为长期
结论
本综述全面总结了PCM在太阳能食品干燥中的应用，得出以下关键结论：
1)PCM的“热缓冲-延迟热量释放”机制显著稳定了干燥过程。通过在45–65°C范围内保持稳定的热场，PCM可以显著减弱温度波动，并将夜间干燥室温度提高5–15°C。此外，它们还将有效干燥时间延长了4–8小时
CRediT作者贡献声明
Xuemei Yi：撰写 – 原稿撰写，项目管理，资金获取。Chong Zhang：撰写 – 审稿与编辑，数据整理。Changjiang Zheng：可视化，资源管理，正式分析。Kepeng Huang：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了陕西省重点研发项目（编号：的资助。
