用于太阳能海水淡化系统潜热储能高效利用的相变材料U型管宏封装：一项全面的实验研究

《Journal of Energy Storage》：U-tube macro-encapsulation of phase change material for efficient utilization of latent energy storage in solar desalination system: A comprehensive experimental study

　　

淡水资源短缺是一项全球性挑战，本研究提出了一种结合太阳能与热储能的可持续解决方案。研究人员对传统太阳能蒸馏器(CSS)与采用新型封装构型的半球形太阳能蒸馏器(HSSS)进行了性能对比，重点探究了相变材料(PCM)的位置及封装方式对系统性能的影响。为此，研究人员制备并测试了三种构型：吸热面下方集成PCM的传统太阳能蒸馏器(CSS-PCM)、吸热面下方集成PCM的半球形太阳能蒸馏器(HSSS-PCM)，以及吸热面上方采用U型管宏封装PCM的半球形太阳能蒸馏器(HSSS-PCM-ME)。研究发现，PCM位于吸热面下方时，其峰值温度分别为51 °C和53 °C，高于熔点，但仅发生部分相变，相变持续时间不足2小时，总储能量分别为3048 kJ和3138 kJ，储能效率分别为31.9%和51.5%。相比之下，U型管宏封装设计实现了直接充热，PCM最高温度达56 °C，相变持续时间延长至5小时，总储能量提升至3273 kJ，储能效率显著提高至79.5%。针对释能比例的±10%敏感性分析显示，绝对偏差仅为±3.2%至±7.9%，表明系统行为具有一致性。在系统层面，日累计淡水产量从CSS-PCM的2350 mL/m2提升至HSSS-PCM的2580 mL/m2，并在HSSS-PCM-ME中达到3240 mL/m2；宏封装PCM的最大夜间产量为1030 mL/m2。相应地，系统热效率分别为34.61%、38.74%和44.22%，HSSS-PCM-ME的最大?效率为3.4%。此外，技术经济与环境评估表明，该宏封装系统的投资回收期为10.3个月，年CO2减排潜力为565.65 kg。

该研究发表于《Journal of Energy Storage》，针对全球淡水资源短缺的现状，指出传统太阳能海水淡化系统因缺乏有效的热管理策略，导致太阳能间歇性无法被充分利用，产水效率受限。为解决这一问题，研究人员开展了相变材料(PCM)封装优化研究，旨在通过改进PCM的布置位置与封装形式，提升太阳能蒸馏器的潜热储能利用效率与持续产水能力。

为开展此项研究，研究人员设计了三种并行实验构型：传统单坡面太阳能蒸馏器(CSS-PCM)、半球形太阳能蒸馏器(HSSS-PCM)以及采用U型管宏封装(Macro-encapsulation)技术的半球形太阳能蒸馏器(HSSS-PCM-ME)。实验选用月桂酸作为PCM，并利用差示扫描量热法(DSC)与热重分析(TGA)对其热物性进行表征。所有装置并排安装于印度Greater Noida（纬度对应倾角25°），以确保一致的边界条件，并通过监测温升、产水量及能量平衡来评估系统性能。

Solar stills with PCM test rigs

研究人员构建了三种太阳能蒸馏器测试平台。CSS-PCM采用25°倾角的单斜面设计，HSSS-PCM与HSSS-PCM-ME则采用半球形结构。其中，HSSS-PCM-ME创新性地采用了U型管宏封装技术，将PCM置于吸热面上方进行直接加热。所有装置的基体均采用3 mm厚纤维增强塑料(FRP)制造，以最大限度减少热损失。

Characterization of lauric acid

通过对月桂酸的热分析发现，其在升温过程中于43.6 °C出现吸热熔融峰，降温过程中于39 °C出现显著的放热峰，证实了优异的潜热释放能力。热重分析(TGA)显示，月桂酸在205 °C以下能保持96.2%的质量稳定性，适合作为中低温储能介质。

Conclusions

实验结果表明，PCM的热行为受最高温度、相变持续时间及可控释热的共同影响。位于吸热面下方的PCM（CSS-PCM和HSSS-PCM）由于受热阻限制，仅发生部分相变，相变时间不足2小时，储能效率较低。而HSSS-PCM-ME采用的U型管宏封装实现了直接充热，将相变持续时间延长至5小时，储能效率大幅提升至79.5%。在系统产出方面，HSSS-PCM-ME的日累计淡水产量达到3240 mL/m²，较传统构型提升显著，且夜间产量高达1030 mL/m²。热力学性能方面，该构型的热效率与?效率分别达到44.22%和3.4%。

讨论与总结

研究人员通过敏感性分析验证了系统的鲁棒性，±10%的释能比例波动仅引起±3.2%至±7.9%的绝对偏差。技术经济与环境评估进一步证实，该U型管宏封装系统具有实际应用价值，其投资回收期仅为10.3个月，且具有565.65 kg/年的CO₂减排潜力。综上所述，将PCM置于吸热面上方进行U型管宏封装，是解决太阳能海水淡化系统间歇性问题、实现全天候高效产水的有效途径。