集成U型管太阳能集热器，采用纳米粒子改性的石蜡和抛物面反射器，以提高热存储性能

《Journal of Energy Storage》：Integrated U-tube solar collector with nanoparticle-enhanced paraffin and parabolic reflector for improved thermal storage performance

高效真空管太阳能集热器通过集成抛物面聚光器、四叶草U管结构与纳米复合石蜡，显著提升热存储与换热效率，数值模拟验证了优化设计对液相分数和出水温度的协同提升作用，并证实经济可行性。

　　

M. Sheikholeslami|W.M.M. AL-Jammasi

伊朗巴博尔诺希尔瓦尼理工大学机械工程系

摘要

本研究介绍了一种创新的真空管太阳能集热器配置，该配置结合了U型管和抛物面聚光器，以提高热存储效率。集成反射器将入射的太阳辐射集中到吸热器上，显著增加了接收到的热流量。石蜡（RT35）被放置在U型管和外部玻璃外壳之间的环形区域内，作为主要的潜热存储材料。石蜡中掺入了由单壁碳纳米管（SWCNTs）和氧化铜（CuO）组成的混合纳米颗粒，从而提高了热传递能力。水作为工作流体在U型管中流动，且管子采用四叶形截面设计以改善对流热传递性能。使用SolTrace软件分析了抛物面反射器的光学特性，并将获得的空间变化热流量作为后续热模拟的输入边界条件。在ANSYS FLUENT中对集热器的瞬态热传递行为进行了数值模拟。研究了两种反射器几何形状，以确定更好的配置，并进一步增加了铜翅片以加强吸热器与相变材料（PCM）之间的热连接。在2024年6月17日太阳正午前后两小时的气候条件下进行的数值结果表明，减小反射器与集热器之间的距离可使PCM的液态分数增加9.78%，而添加翅片后120分钟内的熔化性能提高了16.27%。当同时使用反射器和翅片时，液态分数增加了约2.31倍，出水温度提高了3.43%。所提出的系统不仅通过混合纳米颗粒增强的PCM和光学聚光提高了热能存储和热水加热效率，还展示了经济可行性，预计回收期为2.6年。总体而言，这种配置提供了一种高效且稳定的热管理解决方案，能够维持连续的热水供应并显著提高能量存储效率，标志着相对于传统的U型管和PCM基集热系统的重大进步。

引言

全球对环保能源需求的增加促使人们更加努力地有效利用太阳能，尤其是在热能应用方面。太阳能热集热器被广泛认为是利用太阳能的有效手段；然而，其性能常常受到太阳辐射波动和有限热存储容量的限制。太阳能热应用中的一个主要挑战是在多变的环境条件下提供连续可靠的热能供应，这突显了需要先进的集热器设计，以实现最大化的能量捕获同时确保高效的热存储。相变材料（PCM）作为良好的能量存储方式引起了相当大的兴趣。尽管如此，传统的PCM基系统通常存在诸如低热导率、热传递慢和熔化不均匀等限制，这些都会降低整体系统效率。为了应对这些挑战，在PCM中分散纳米颗粒已被证明可以有效提高热导率，而优化的热传递配置可以进一步增强性能。真空管太阳能集热器（ETCs）因其低热损失和高效率捕获太阳辐射而被广泛使用[1]。然而，传统的ETCs通常使用圆形U型管与纯PCM配对，这会阻碍热传输和能量存储效率。为了增强热响应，光学改进（如抛物面反射器）可以增加集热器表面的入射热流量，促进PCM更快熔化并改善热传递。尽管有这些潜在的好处，但迄今为止的大多数研究都是独立考虑这些改进的，而研究它们对PCM相变行为、热传递率和整体系统热效率的综合影响的研究仍然有限。ETCs中常用的换热器配置是U形集热器。该设计包括两个同心玻璃管，中间空间被抽成真空层。在内管的核心安装了一个U形铜管，确保与吸热板或翅片直接接触，从而有效地将捕获的热能传递给工作流体。在这种配置中，阳光穿过外部玻璃和中间真空层后到达吸热层。捕获的热量随后通过导热翅片或高热导率填充材料传递到U型管。在U型管内循环的流体捕获热量并将其输送到出口。U形集热器因其简单的几何形状、高热效率、低建造成本和易于维护而受到青睐。由于这些优势，它们被广泛应用于太阳能热水系统、通风应用和各种工业过程[2]。在聚光太阳能（CSP）系统中，反射器对于提高热效率至关重要。通过将阳光聚焦到吸热器表面，它们增加了局部辐射强度。反射器有多种设计——如抛物面型、碟型和线性菲涅尔型——每种类型在光线集中方法和结构配置上都有所不同。每种类型的反射器都具有使其更适合特定应用和操作条件的独特技术和几何特性。选择合适的反射器取决于多个因素，包括系统的尺寸和规模、建造和维护成本、集中太阳辐射所需的精度以及安装地点的气候条件[3]。

Naik和Muthukumar [4]开发了一个模型来预测ETC的行为。他们的研究调查了不同的U型管材料，发现使用铜（Cu）会导致沿管子的温度稳定性降低。Korres和Tzivanidis [5]使用SolidWorks模拟对带有圆柱形吸热器的U型ETC进行了光学和热分析。他们证明，曲面吸热器比平面配置具有更高的光学效率。Bhowmik等人[6]研究了在强制循环下运行的U型ETC，使用CFD模拟并与实验测量结果进行了验证。他们证明，增加U型管的直径可使温度升高近39%。Uniyal等人[7]研究了一种使用不同石蜡基材料的ETC的行为。他们发现月桂酸的熔化速率最快（约95%）。

Wu等人[8]探讨了将PCM纳入ETC以增强其热能存储性能的方法。他们的研究进一步表明，有效热收集时间增加了44.41%，选择熔点在333–335 K左右的PCM使整体系统效率提高了4.31%。Li等人[9]研究了使用石蜡作为存储介质并采用翅片结构来改善热传递的ETC的热处理。他们实现了19.20%的存储效率，强调了PCM集成在提供更稳定和增强能量输出方面的有效性。Algarni等人[10]引入了混合了纳米颗粒的石蜡的ETC。他们的发现表明，效率提高了32%，热水供应时间延长了约2小时。Nsanzubuhoro等人[11]研究了U型ETC内的热性能和流体流动动力学。他们的发现表明，在回流弯头处发生了流体重新分布，这加剧了局部热传递率并增加了管内的摩擦效应。Uniyal等人[12]研究了结合了石蜡容器和金属网结构的ETC。他们提出的配置实现了最佳性能，热水供应时间延长了70.88%。Rinawa等人[13]通过引入双纳米颗粒增强型石蜡混合物（SiO? + CuO）提高了ETC加热器的热能存储性能。他们的发现表明，这种混合纳米-石蜡显著提高了热传递效率，使出水温度（T_out）提高了约11.7 K。Elarem等人[14]介绍了一种新的ETC设计，该设计结合了（Cu/paraffin）和翅片以加速相变过程。他们证明，铜纳米颗粒的加入提高了热导率，使T_out增加了约2°C。Said等人[15]研究了反射器、石蜡和翅片对U型ETC热行为的影响。他们的发现表明，结合这些改进技术使整体效率提高了42.94%，强调了热和光学改进在提升集热器性能方面的有效性。Han等人[16]研究了带有U形配置和平管集热器的设计，其中集成了石蜡容器。他们的结果表明，这种改进设计使有效能效率提高了约65.6%。Uniyal等人[17]研究了一种结合了PCM的同轴ETC的太阳能蒸馏器，报告称当只有60%的辐射到达管子的下半部分时，系统效率降低了约32.77%。Chekifi等人[18]在太阳能海水淡化系统中使用了纳米封装的PCM，证明淡水产量增加了约101.5%，同时整体系统效率提高了约7%。Kumar等人[19]将NEPCM容器集成到太阳能热水系统中。通过分散碳基填充物，他们将热导率提高了约35%，并报告称由于系统性能的改善，二氧化碳排放量减少了约25%。先前的研究已经探讨了将PCM纳入太阳能海水淡化技术。例如，Meena等人[20]报告称，当使用PCM时，生产1升淡水的成本可能低至0.0094美元。

尽管对ETC和基于PCM的热存储系统进行了大量研究，但大多数现有研究都是分别或以简化配置来处理这些组件的。传统的U型管集热器通常使用圆形截面和纯PCM材料，这些材料往往具有低热导率、熔化/固化速率慢和热均匀性有限的问题。此外，经常忽略了真空区域内的辐射效应和特定地点的实际气候条件，导致数值预测与实际系统行为之间存在差异。本研究通过提出一种综合和先进的太阳能热配置来解决这些限制，该配置结合了U型管ETC、增强了混合纳米颗粒（SWCNT + CuO）的PCM存储容器和抛物面反射器用于太阳聚光。这项工作的独特之处在于引入了四叶形U型管几何形状，这显著增加了内部热传递表面积并诱导了有益的流动涡旋。此外，使用S2S辐射模型来模拟真空区域，提供了对辐射热传递的更准确表示，这在以前的文献中经常被忽视。使用用户定义的功能实现了铜翅片对石蜡区域的影响以及相变期间温度依赖的PCM密度变化，这在早期工作中很少被考虑。通过整合这些创新，本研究不仅提高了系统的热效率和存储能力，还确保了白天和夜晚的连续热水供应。因此，本研究为下一代太阳能集热器引入了一条新颖且实用的道路。

部分摘录

结合PCM和集成太阳反射器的U型管ETC建模

在这项工作中，研究了一种结合了PCM的太阳能集热器与ETC。PCM（RT35）通过混合纳米颗粒——SWCNT和CuO——进行了增强，每种纳米颗粒的体积分数为0.02。U型管采用了四叶形截面设计，这是一种旨在提高热传递和改善集热器内流体流动分布的创新配置。

结果与讨论

在本文中，全面研究了结合了ETC和U型管以及PCM容器的新型太阳能系统的效率。这种配置代表了一种创新方法，它结合了潜热存储、增强热传递几何形状和光学聚光，以实现连续和高效的热输出。U型管采用了四叶形截面设计，这一修改显著增加了表面积并诱导了二次流动。

结论

本研究介绍并评估了一种先进的太阳能热设计，该设计结合了U型管ETC、PCM存储单元和抛物面聚光器，以提高能量效率并确保持续的热利用。系统采用了四叶形U型管截面。在RT35中加入混合纳米颗粒（SWCNT + CuO）显著提高了其热导率，并加速了熔化和固化过程。此外，还使用了S2S辐射模型。

CRediT作者贡献声明

M. Sheikholeslami：写作——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、软件、调查、概念化。W.M.M. AL-Jammasi：可视化、软件、方法论、调查、概念化、撰写——原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。