具有显热储存功能的双通道太阳能空气加热器的实验研究：储砂单元数量的影响

《Journal of Energy Storage》：Experimental investigation of double pass solar air heater with sensible heat storage: Effect of sand storage unit number

研究提出双通道太阳能空气加热器（DP-SAH）结合鳍片和沙基显热存储，在突尼斯南部测试显示，16片鳍配置使热效率提升至78%，年可用能增长至119.91 kWh，二氧化碳减排5.81–9.23吨/年，碳汇价值84.2–133.8美元/年。通过被动式鳍片强化传热和沙基存储延长运行时间，为干旱地区低成本高效太阳能热应用提供新方案。

　　太阳能技术在全球能源需求增长和环境问题日益严峻的背景下变得尤为重要。太阳能系统在应对低温度应用如空间加热、农作物干燥和水预热方面展现出巨大潜力。然而，太阳能资源的间歇性限制了其在实际应用中的连续性和可靠性。因此，引入热能储存（TES）技术成为提升太阳能系统性能的关键。本文研究了一种双通道太阳能空气加热器（DP-SAH）与鳍状吸热板的结合，同时使用沙漠沙作为可持续的热能储存介质，以提高系统在非高峰时段的热能利用效率。

研究团队通过实验测试，评估了不同鳍密度（4至16鳍）和沙漠沙储存单元对系统性能的影响。实验结果表明，16鳍配置（16F-SSU）的热效率从67%提升至78%，而热力学效率（exergy efficiency）则从17%增加到27%。这一显著提升不仅增强了系统的热能传输能力，还改善了热能的储存与释放特性，使得DP-SAH能够在非高峰时段维持较高的出口气温。此外，该系统在经济和环境方面的表现也得到优化，年度热力学输出从49.37 kWh增加至119.91 kWh，而热经济学参数（exergo-economic parameter）则从3.69 kWh/$提高至8.09 kWh/$。这一结果表明，该系统不仅在技术性能上有所提升，同时在经济可行性与环境可持续性方面也表现出色。

环境影响方面，研究显示该系统每年可减少5.81至9.23吨二氧化碳排放，相当于每年84.2至133.8美元的碳信用价值。这表明，使用沙漠沙作为热能储存介质不仅有助于提高太阳能系统的效率，还能有效降低碳排放，为可持续发展提供支持。沙漠沙作为一种天然、可再生的材料，具有高热惯性和良好的机械耐久性，适用于干旱和半干旱地区的太阳能应用。此外，其低成本和易于获取的特性，使得该系统在实际应用中更具优势。

研究团队在实验设计中采用了双通道结构，通过在吸热板的上方和下方引入空气流动，从而延长空气的停留时间并增加热能传输的表面积。这种设计显著提升了系统的热能传输速率，提高了整体的热效率。同时，吸热板采用黑色涂层以最大化太阳能的吸收效率，而木质墙壁的使用则有助于减少对流损失，维持系统的绝热状态。透明玻璃覆盖层的引入进一步提升了系统的热能传输效率，使得整体性能更加稳定。

在热能储存单元的设计中，研究团队使用了沙漠沙填充的容器，以增强热能储存能力。实验结果表明，沙储存单元不仅提高了系统的热能储存效率，还改善了出口气温的稳定性。这一发现表明，结合鳍状结构和沙储存单元可以实现更高效的热能传输与储存，从而提升太阳能系统的整体性能。此外，研究还表明，通过优化鳍密度和沙储存单元的设计，可以进一步提升系统的热能利用效率，同时降低运营成本。

在经济和环境评估方面，研究团队通过对比不同配置下的热能输出和运营成本，验证了该系统的经济可行性。研究显示，使用沙储存单元的DP-SAH不仅提高了热能输出，还降低了运营成本，从而提升了系统的性价比。此外，该系统的热经济学参数（exergo-economic parameter）显著提高，表明其在经济上更具优势。同时，该系统在环境方面的表现也得到优化，通过减少碳排放，为可持续发展提供了支持。

研究团队在实验过程中采用了多种配置，包括标准配置、无鳍的沙储存单元以及不同鳍密度的沙储存单元。每种配置的实验结果均进行了三次重复测试，以确保数据的准确性。实验结果显示，随着鳍密度的增加，系统的热能传输效率和储存能力均得到提升，尤其是在16鳍配置下，系统的性能达到最佳状态。这一发现表明，通过系统化地调整鳍密度和沙储存单元的设计，可以显著提升太阳能空气加热器的性能。

研究还指出，沙漠沙作为热能储存介质在实际应用中具有显著优势。其高热惯性和良好的机械耐久性，使得该系统在长期运行中保持稳定的热能输出。此外，沙漠沙的低成本和易于获取的特性，使其成为一种理想的热能储存材料，适用于干旱和半干旱地区的太阳能应用。通过将沙漠沙与鳍状结构结合，研究团队开发了一种新颖的DP-SAH系统，该系统不仅提高了热能传输效率，还增强了热能储存能力，从而提升了系统的整体性能。

在实际应用中，该系统能够有效应对太阳能资源的间歇性问题，提高系统的连续性和可靠性。此外，该系统的结构设计简单，易于维护，使其在大规模应用中更具可行性。通过结合被动热能增强（鳍状结构）和天然热能储存介质（沙漠沙），该系统在技术性能、经济可行性和环境可持续性方面均表现出色。研究团队的实验结果为未来太阳能空气加热器的设计提供了重要的参考，特别是在偏远地区和资源匮乏的环境中，该系统能够有效提升可再生能源的利用效率。

研究还指出，未来的工作应集中在进一步优化系统的设计，特别是在热能储存介质的特性（如颗粒大小、孔隙率、含水量）对热能储存效率的影响方面。此外，研究团队建议通过引入先进的热能储存技术，如复合材料或混合储存介质，以进一步提升系统的性能。这些研究方向不仅有助于提高太阳能系统的效率，还能增强其在不同环境条件下的适应能力。

综上所述，本文的研究成果表明，结合鳍状结构和沙漠沙储存单元的DP-SAH系统在提高热能传输效率、储存能力和经济可行性方面具有显著优势。该系统不仅能够有效应对太阳能资源的间歇性问题，还能降低碳排放，为可持续发展提供支持。通过进一步优化系统的设计，该技术有望在未来的太阳能应用中发挥更大的作用，特别是在空间加热和农业干燥等低温度应用领域。