便携式甘油-赤藓糖醇相变材料太阳能灶的开发与热性能研究

《Next Energy》：Development and thermal performance of a portable solar cooker using glycerol-erythritol phase change material

　　

本研究开发了一种便携式高效太阳能烹饪系统，该系统采用25 wt%甘油-赤藓糖醇混合物作为相变材料（Phase Change Material, PCM）进行热能存储。该太阳能灶利用箱式太阳能集热器吸收太阳辐射，并将能量储存在PCM中。研究人员建立了一个二维瞬态传热模型来分析烹饪过程中的温度分布。模拟结果与实验室实验数据吻合良好，并指导了能够制备两人份餐食的太阳能灶设计。由于赤藓糖醇相对较高的熔点限制了其在典型太阳辐射下充分吸收太阳能的能力，研究人员引入甘油以降低熔点。研究人员制作了一个可容纳两份米饭的原型太阳能电饭煲，并在三种条件下进行了测试：(i) 无PCM的直接太阳能；(ii) 经阳光预熔化的25 wt%甘油-赤藓糖醇PCM且无太阳能烹饪；(iii) 经阳光预熔化的25 wt%甘油-赤藓糖醇PCM且结合太阳能烹饪。研究人员利用MATLAB模拟了烹饪过程中的瞬态传热和温度分布。实验结果表明，条件3是最有效的烹饪方法。在条件1下，米饭大约在240分钟内煮熟，而条件2由于PCM熔化不完全导致米饭夹生。总之，本研究证明了将PCM与太阳能相结合以提高烹饪效率的可行性，有助于推动可持续的无电网烹饪技术的发展。

论文解读：便携式甘油-赤藓糖醇相变材料太阳能灶的开发与热性能研究

研究背景与意义

在偏远或孤立地区，电力和传统燃料难以获取，太阳能提供了一种可持续且环保的烹饪替代方案。然而，现有的大多数太阳能灶模型体积庞大、固定且不便运输。此外，虽然已有研究探索了相变材料（PCM）在太阳能烹饪中的应用，但关于PCM对太阳能烹饪系统内锅具内部温度分布影响的研究仍相对较少。内部温度分布对于设计确保高效传热和合理烹饪时长的优化太阳能灶至关重要。因此，本研究旨在开发一种便携式且热效率高的太阳能烹饪系统，并通过改进PCM配方及系统建模来解决现有技术痛点。该研究发表在了《Next Energy》期刊上。

关键技术方法

研究人员采用了多种技术手段相结合的方法。首先，为了解决赤藓糖醇熔点过高的问题，研究人员通过实验筛选确定了25 wt%甘油-赤藓糖醇混合物的最佳配比，以降低其熔点。其次，研究人员建立了二维瞬态传热数学模型，利用有限差分法（Finite Difference Method）对烹饪过程中的热传导过程进行数值求解。再次，研究人员利用MATLAB R2024a软件对传热过程进行模拟验证，并根据模拟结果指导设备的几何结构优化。最后，研究人员在泰国曼谷的户外环境下，制作了实物样机，并设计了三种不同的工况进行对比实验，利用T型热电偶记录温度变化并对烹饪结果进行定性评估。

研究结果

PCM应用与模型验证

在实验室初步实验中，研究人员使用纯赤藓糖醇作为PCM，验证了二维瞬态传热模型的准确性。模拟结果显示，决定系数（R²）达到0.99，均方根误差（RMSE）为3.76，表明模型能精确预测米水混合物的升温过程。实验观察到，在约30分钟时温度达到75°C，米饭可被充分煮熟。这一阶段验证了利用PCM潜热进行烹饪的可行性，并为后续的设备放大设计提供了理论依据。

PCM配方优化与特性分析

研究发现，纯赤藓糖醇的熔点高达118°C，在典型太阳辐射下无法完全熔化（最高仅达83°C）。为此，研究人员引入甘油形成二元混合物。通过一系列不同浓度梯度的预实验，确定25 wt%为最佳比例，此时混合物的熔点降至106.97°C，尽管其熔化焓从336 J/g降至301.75 J/g，但有效解决了吸热不足的问题。这一配方的确定是本研究实现太阳能高效存储的关键技术突破。

设备结构设计与仿真优化

基于验证后的模型，研究人员对太阳能灶进行了重新设计以适应两人份的烹饪需求。新的设计将内锅和外锅的内径分别扩大至16 cm和20 cm，并在内锅底部增加了2 cm宽的间隙填充PCM。这一改进显著增加了PCM与内锅的接触面积，从而增强了向内部的传热效率。仿真结果表明，优化后的系统在75分钟内可使内部温度达到75°C，并在该温度下维持约30分钟，保证了烹饪的完成度。

三种工况下的烹饪实验对比

研究人员在2024年3月的晴天进行了三组对照实验。

• •
  条件1（仅太阳能无PCM）： 作为对照组，由于缺乏储热介质，热量散失快，米饭耗时约240分钟才煮熟，且中心温度仅达68°C。
• •
  条件2（预熔化PCM无太阳能）： 由于25 wt%甘油-赤藓糖醇混合物在阳光下仅能实现约70%的熔化率，储存的热能不足，导致锅内温度最高仅达50°C，米饭未能煮熟。
• •
  条件3（预熔化PCM+太阳能）： 结合了部分熔化的PCM潜热释放和持续的太阳能直射，该方法最为有效，在150分钟内成功将米饭完全煮熟。

讨论与结论

研究结论指出，虽然添加甘油有效降低了赤藓糖醇的熔点，使其能在典型日照下吸收更多能量，但这也不可避免地降低了材料的潜热焓值。实验中最核心的发现是：单纯依靠PCM的显热和潜热释放（条件2）不足以完成烹饪，必须结合持续的太阳能输入（条件3）才能达到理想的烹饪效果。目前的低烹饪效率主要源于PCM的未完全熔化，未来的研究应致力于优化太阳能集热器的聚光设计（如采用机械调节角度的反射镜）以提升辐射捕获量，同时开发能保持PCM长时间处于液相的化学配方。