对碳化木质基复合相变材料在孔隙尺度上的体积光热转换特性进行数值研究

《Journal of Energy Storage》：Numerical investigation of volumetric photothermal conversion characteristics of carbonized-wood based composite phase change materials at pore scale

碳化木材基复合材料光热转换机制研究基于分形理论开发了孔隙尺度数值模型，揭示孔隙率（89.5%）主导热存储性能，骨架热导率提升1.35%且光吸收系数增强加速相变但引发表面过热，光强增至1300W/m2时有效效率降至71.6%。

　　

袁艳萍|赵青云|夏秋仪|张楠|张兆莉|孙秦荣

重庆科学技术大学土木工程与建筑学院，中国重庆，400044

摘要

光热转换相变材料（PCPCM）已广泛应用于太阳能储存领域。然而，PCPCM中光热转换与热能储存之间的耦合机制仍不甚明了。本研究选取了基于碳化木的复合相变材料（CCPCM）来研究其体积光热转换机制，这得益于碳化木规则的孔结构。基于分形理论的数值模型被开发出来，以阐明光热转换过程中入射光与碳化木分层孔结构之间的相互作用。系统研究了不同光照强度下孔结构及骨架特性对光热性能的影响。结果表明，孔隙率在热储存中起着关键作用：孔隙率为89.5%的CCPCM在1000 W/m2的光照下可实现73.99%的有效光热转换效率。孔径大小的影响较小，R1、R2和R3分布下的转换效率分别为73.94%、73.98%和74.37%。相比之下，骨架特性对性能影响显著：提高热导率可使效率提升1.35%，而较高的光吸收率虽能加速相变，但会导致表面过热，从而降低整体效率。此外，光照强度的增加会加剧辐射和对流损失，导致在800、1000和1300 W/m2的光照强度下有效效率分别为77.34%、75.33%和71.6%。本研究为CCPCM的光热储存耦合行为提供了机制上的见解，为高性能体积光热储能系统的合理设计提供了理论指导。

引言

化石燃料枯竭和全球气候变化的紧迫挑战使得可持续清洁能源技术的发展成为当务之急[1]、[2]。太阳能作为一种丰富且环保的资源，因其大规模应用的潜力而受到广泛关注[3]。在各种利用策略中，太阳能热转换尤其具有吸引力，因为它能高效地将阳光直接转化为可用热量[4]。为克服太阳能辐照的间歇性，将其与热能储存（TES）系统结合已成为提供连续稳定24小时热供应的实用方法[5]、[6]。在TES技术中，相变材料（PCMs）因其高潜热密度和可逆相变特性而备受青睐，这使得它们能够实现高效的热调节和储存性能提升[7]、[8]。

传统的平板式太阳能集热系统与PCMs结合通常由两个功能组件构成：太阳能吸收器和热储存介质[9]、[10]。在这种表面吸收配置中，入射阳光首先在吸收器表面转化为热量，然后传递到下层的PCM中。然而，PCMs本身较低的热导率以及吸收器-PCM界面处的热阻严重限制了热传递[11]、[12]。这些限制导致了表面过热和显著的对流及辐射热损失，同时也掩盖了PCM内部的光热转换机制。因此，高性能太阳能热系统的合理设计仍是一个重大挑战。

体积吸收式太阳能集热器（VASCs）通过允许阳光穿透储热介质，促进了均匀的光热转换和储存效率的提升[13]、[14]。本质上，体积吸收将光能沉积从表面边界重新分配到储热体积中，使光子在PCM内部被吸收，形成分布式的体积热源而非表面热源。这从根本上缩短了特征热传递长度，缓解了界面瓶颈，从而抑制了表面过热，减少了対流/辐射损失，并促进了PCM内的同步相变。因此，热生成更好地匹配了潜热储存的体积特性，使得充电过程中的加热更加均匀。纳米级金属颗粒因其强烈的等离子体共振和宽光谱的太阳吸收能力而受到关注[14]、[15]、[16]、[17]。最近，与PCMs结合的三维多孔支架成为一种特别有前景的策略，因为它们的互联框架同时增强了热导率，并促进了入射光子与储热介质之间的直接耦合。典型的例子包括碳改性的铜泡沫[18]、氧化石墨烯气凝胶[19]和网状石墨烯纳米片[20]，这些材料构建了连续的热传导网络，显著提升了热传输和光热转换效率。天然来源的碳化木（CW）因其各向异性的微通道和强烈的光-物质相互作用而受到越来越多的关注[21]。张等人[22]通过碳化松木并加入硝酸镁六水合物，开发了一种基于碳化木的复合PCM，其轴向热导率是径向值的1.86倍，光热转换效率达到83%。刘等人[23]通过调节嵌入纳米颗粒的多孔碳的碳化温度，开发了一种基于钴的MOF衍生复合PCM，实现了增强的宽带太阳吸收和光-磁-热能转换。潘等人[24]制备的基于碳化木的复合PCM光热转换效率高达90%，进一步凸显了多孔介质在优化光子传输和热传导方面的潜力。罗等人[25]开发了一种用于电池包热管理的交联聚氨酯PCM，实现了可调的机械/阻燃性能和储能性能，并在3C放电测试中将其最大工作温度降低了4.1°C，相比PVC包材有显著优势。关于复合PCM的最新研究进一步表明，性能受到材料选择和制造控制微观结构的共同影响，加工可以显著调节光吸收、热传递路径和热物理稳定性，从而实现面向应用的热管理和储存。这些进展在改善宏观性能的同时，也强调了基于机制优化的必要性。

尽管取得了这些进展，但对CCPCMs的研究仍主要以实验为主，体积光热转换和储存的潜在机制仍不够明确。因此，先进的数值建模对于阐明多尺度传输过程和指导高性能CCPCMs的合理设计至关重要。以往的建模工作大多依赖于简化的二维方法——如边界热源、基于激光的模拟或Lambert-Beer近似——这些方法无法捕捉多孔介质中光传输、热传导和相变的本质三维特性[26]、[27]、[28]。最近结合蒙特卡洛射线追踪和有限体积方法进行的孔尺度模拟为多孔框架内的辐射和传导提供了更精确的见解[29]；然而，对定向多孔CCPCMs中光吸收、热传导和相变耦合调控的系统性研究仍然有限。

在本研究中，开发了一种CCPCMs的孔尺度数值模型，明确考虑了碳化木的微观孔结构和分形特性。该模型用于阐明孔形态和骨架参数对CCPCMs体积光热转换的影响。此外，它还捕捉了入射光强度、孔尺度传输动态和储能性能的耦合效应，重点量化了热损失并评估了有效光热转换效率。通过提供光子-热-相相互作用的机制洞察，该框架为可扩展的光热储能系统的合理设计提供了指导，从而促进了下一代太阳能热技术的实际应用。

部分摘录

基于碳化木的复合相变材料的分形建模

天然多孔介质（如碳化木）具有复杂的微观结构，导致复杂的热传递和光热行为。多种因素影响这些材料的有效热导率（ETC），包括固体基体的性质、孔的大小、形状和空间分布、孔内流体的类型、组成和相态，以及局部压力和温度条件。传统的欧几里得几何学适用于

几何建模

考虑到碳化木（CW）和CCPCMs截面的三维微观结构和分形特性，基于分形毛细束框架开发了数值模型。使用相同的CCPCM样品进行实验验证，以评估其光热性能和储能行为。在模拟过程中，模型顶部表面施加了恒定强度的光源，未被吸收的辐射转化为光热能

结果与讨论

为了研究各种因素对光热转换过程的影响，采用了体积光热数值模型。在模型中修改了复合相变材料中碳化木基体的孔结构和骨架特性。通过分析液相分数、温度梯度、热损失和有效光热转换效率的变化，评估了复合相变材料在光热转换中的性能

结论

本研究利用分形理论开发了CCPCMs的孔尺度物理模型，阐明了光热转换过程中入射光与分层孔结构之间的相互作用。通过全面的数值模拟，系统分析了孔隙率、孔径大小、骨架吸收系数和骨架热导率对CCPCMs光热性能的影响，揭示了这些因素的协同增强作用

CRediT作者贡献声明

袁艳萍：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。赵青云：撰写——初稿、形式分析、数据管理。夏秋仪：撰写——初稿、软件应用、方法论、数据管理。张楠：监督、资源获取、方法论、资金申请。张兆莉：软件应用、方法论、实验研究、数据管理。孙秦荣：资源获取、概念构思。

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致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52378111）和重庆市自然科学基金（编号：CSTB2022NSCQ-MSX0604）的支持。