《Journal of Energy Storage》：Numerical investigation of the thermal performance of an innovative evacuated tube solar collector: Effect of phase change materials and nano-material
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真空管太阳能集热器集成相变材料（PCM）与石墨纳米颗粒（GNP）热性能优化研究。通过三维CFD模拟分析，发现1% GNP添加使日均效率提升31.2%（相对于纯PCM）及19.7%（较纯PCM），延长日间储能后放电时长3.25小时，且2%浓度无显著增益。
作者：Parivash Razmdideh, Alireza Arabsolghar, Mohammad Shafiey Dahej
研究机构：伊朗伊斯兰共和国克尔曼省Baft市的Rafsanjan大学（Rafsanjan University of Vali Asr, Baft, Kerman, Islamic Republic of Iran）
摘要
真空管太阳能集热器的性能受到太阳辐射间歇性以及辐照度日变化的限制。本研究对这些集热器的集成热增强技术进行了数值评估。所提出的设计结合了相变材料（PCM）用于潜热存储、质量分数为1%和2%的石墨纳米颗粒以提高热导率、梯形散热片以及波纹吸热板。使用基于焓-孔隙技术的经过验证的计算流体动力学（CFD）模型，在实际的日太阳辐照度范围内（19.6至1024.7 W/m2）对性能进行了模拟。结果表明，与未使用PCM的集热器相比，集成PCM使日平均热效率提高了31.2%。此外，在PCM中分散1%质量的石墨纳米颗粒后，效率进一步提高了19.7%。在最佳传热流体质量流量为0.001 kg/s的条件下，这种增强措施还将可用热能释放时间延长了3.25小时，从而更有效地满足了典型的晚间高峰能源需求。将纳米颗粒浓度增加到2%并未带来统计学上的显著改进。总之，控制性地分散石墨纳米颗粒是一种非常有效的被动策略，显著改善了集成潜热存储的真空管太阳能集热器的充放电动态和整体热性能。
引言
随着全球人口的持续增长，对能源资源的需求也在增加，这加剧了对有限化石燃料的依赖，并加剧了全球变暖问题。因此，寻找替代能源解决方案比以往任何时候都更加重要。太阳能以其清洁性和广泛的全球可用性而成为一种非常有前景的可再生能源[1]。利用太阳能是缓解全球变暖的有效策略[2]。太阳辐射是一种可获取且成本效益高的能源，可以通过太阳能集热器高效地转化为热能[3]。在各种类型的太阳能集热器中，真空管太阳能集热器（ETSC）特别受到关注，尤其是在太阳能热水应用中。这些集热器因其成本效益和环境友好特性而受到认可，为加热空气或水提供了有效的方式。然而，尽管具有这些优势，也必须认识到ETSC存在一些局限性，包括泄漏风险和受热应力损坏的敏感性[4]。ETSC通常分为两类[5]：直流式ETSC和热管式ETSC[6]。将热能存储（TES）集成到太阳能集热器中是提高太阳能热系统效率和输出的一种有前景的方法。存在三种不同的热能存储方法：（1）显热存储，通过温度变化来储存或释放能量[7]；（2）潜热存储，通过引入PCM来实现[8]；（3）热化学反应[9]。与传统显热存储相比，将PCM集成到太阳能集热器中可以在有阳光的时段储存更多的热能，并在无阳光时段释放。选择合适的PCM对于优化和改善系统性能至关重要[10]，因为这一选择决定了太阳能集热器与预期工作温度范围的兼容性。
Uniyal等人[11]对U型管ETSC进行了三维数值分析。他们研究了管长和低传热流体（HTF）流量对系统性能的影响。作者还比较了在ETSC中集成三种不同PCM的效果，发现在没有太阳辐射的情况下，月桂酸优于石蜡和硬脂酸。此外，HTF温度随着管长的增加和HTF流量减少而升高。Yang等人[12]理论上研究了一种管内填充纯PCM的U型管ETSC。他们的结果表明，当PCM被集成到管中时，集热器的整体热效率提高了13%。Karami等人[13]模拟了一种双层直吸式ETSC，其中PCM既作为存储介质又作为工作流体。他们的模拟结果显示，与水作为工作流体相比，该设计的整体热效率提高了4.53%。Pawar Vivek等人[14]使用Ansys Fluent 19对热管式ETSC进行了CFD模拟。作者比较了集成PCM（三十三烷基石蜡）和未集成PCM的系统性能。他们的发现表明，集成PCM提高了ETSC的性能，傍晚时的温差达到了30°C。Liang等人[15]研究了集成PCM和铝散热片的U型管ETSC的性能。他们的研究考察了HTF流量对性能的影响，发现较高的PCM熔点和较低的HTF流量会导致HTF出口温度升高。Farnum等人[16]分析了各种扭曲结构以增强太阳能集热器吸热管内的热传递。他们的发现表明，与光滑管相比，热性能提高了1.08至3.72倍。太阳能集热器的性能指数和能量效率分别提高了2.63%和90%。Almari等人[17]对ETSC进行了实验研究，发现增加HTF流量可以减少充电时间并提高系统效率12.1%。Elarem等人[18]使用Ansys对配备同轴管和环形散热片的ETSC进行了二维数值研究。他们的结果表明，这种改进配置提高了ETSC的效率。Zhou等人[19]对集成金属泡沫和环形散热片的PCM集成ETSC进行了二维数值研究。他们的发现表明，添加金属泡沫和散热片显著提高了ETSC的热效率。总熔化时间比纯PCM减少了约9%，比单独使用环形散热片减少了2%。研究发现，金属泡沫的孔径对热存储和释放的动态机制影响很小。Essa等人[20]对配备螺旋散热片的ETSC进行了实验评估。他们在HTF流量为0.5 L/min的情况下，效率提高了15%。Ghalambaz等人[21]引入了一种新型的扭曲散热片阵列来增强PCM的充电。数值分析和优化表明，与传统散热片相比，热传递和充电效率得到了提高，潜在的能源节省达到了42%，存储率提高了63%。由于其高潜热存储能力，PCM被认为是热管理系统中有前途的候选材料。然而，由于其固有的低热导率，其广泛应用受到限制，这显著限制了热传递速率。一种常见的策略是开发添加高导热填料（如碳基材料）的复合PCM[22]。虽然这种方法在热传输方面取得了显著改进，但关于系统几何形状（例如，与纳米颗粒添加剂的协同优化）的研究仍需进一步研究，以实现更好的热性能和循环稳定性。因此，本研究通过实验研究了在带散热片的封装中分散两种不同质量分数（1%和2%）的纳米颗粒的效果。
可持续供暖系统的发展推动了对可再生能源与热能存储技术整合的深入研究。Wang等人[23]在一个办公楼实施了实地项目，该项目采用了太阳能热集热器与基于PCM的热存储单元的混合系统。通过采用数据驱动的预测控制策略，特别是长短期记忆（LSTM）神经网络模型，他们的系统保持了95.8%的热存储效率，并将供暖成本降低了61%。这项研究强调了先进预测控制在最大化混合太阳能-热存储系统的性能和经济可行性方面的关键作用。
目前还没有研究在真实可变辐照条件下，结合附在吸热板上的散热片与分层PCM/空气配置的集成效果。大多数研究[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]仅关注均匀的PCM填充或简化的边界条件。这一空白忽略了在实际应用中提高热性能的重要机会，而本研究通过一个完整的三维数值模型解决了这一问题。在ETSC应用中，石墨增强型石蜡的最佳纳米颗粒浓度尚未确定，现有研究报道了不同的加载量（0.5–5%），但没有系统地比较边际效益。在相同的瞬态条件下，缺乏对纯PCM、纳米增强PCM和无PCM配置的系统性比较，这些条件基于伊朗一个典型夏季的实际气象数据进行了验证。
在伊朗，太阳能潜力非常高（年平均太阳辐照度超过2000 kWh/m2），而对化石燃料的依赖仍然是一个主要挑战。通过PCM集成提高ETSC效率可以显著贡献于：
- 国家可持续能源目标（到2030年实现20%的可再生能源）。
- 减少住宅用化石燃料消耗——增强能源安全并降低进口依赖。
- 减少家庭供暖造成的城市空气污染。
本研究的目的是进行三维数值分析，以评估在具有独特几何配置的ETSC中纳米流体增强型PCM的有效性——该配置包括散热片与吸热板的连接、下部区域的PCM填充以及上部区域的空气空间——旨在提高熔化速率和出口温度。同时，也探讨了与此相关的限制和挑战。
假设包括三维模拟、材料属性的不确定性（PCM的热导率变化±10%）、纳米颗粒随时间的沉积、长期稳定性（超过1000个热循环）以及波纹几何结构下的真空完整性。
ETSC配置
本研究中的TES装备真空管太阳能集热器示意图如图1所示。主要目标是提高PCM的熔化速率并增加工作流体的出口温度。开发了一个仅代表集热器部分的CFD模型，使得可以通过常规的热平衡关系或已建立的热传递相关性将当前分析外推到全尺寸应用。
控制方程和热平衡：
集热器内的能量传输涉及多种机制。太阳辐射照射到吸热表面上，其中一部分被吸收，其余部分被反射。部分吸收的能量通过对流传递给HTF，另一部分传导到PCM中。剩余的热量通过辐射和对流热传递散失到周围环境中。图2展示了系统各组件之间的热传递相互作用。
日太阳辐射的变化
本模拟中使用的瞬态太阳辐照数据来自国家气象组织提供的2024年8月11日这个代表性夏季的日子的数据，当天天空部分多云。当天，全球水平辐照度有明显的时间波动，范围在19.6 W/m2到1024.7 W/m2之间。表5提供了测量的辐照度综合曲线。选择这一天是为了评估
结论
本研究在真实的、瞬态太阳辐照条件下进行了三维CFD分析，以确定集成在真空管太阳能集热器中的潜热热能存储（LHTES）系统的最佳配置。主要发现为这类系统的设计和实际应用提供了关键指导，具体如下：
1. 最佳性能参数：研究结果明确指出，在PCM中加入1%质量的石墨纳米颗粒是最优选择。
作者贡献声明
Parivash Razmdideh：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件、资源、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Alireza Arabsolghar：监督、概念化。
Mohamad Shafiey Dahej：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
