《Renewable Energy》：High-efficiency solar-thermal phase change storage driven by virtual boundary grid
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本研究设计了一种新型低温度相变储热单元（GCHST），采用虚拟边界网格结构提升太阳能热存储性能。提出归一化温度（T*）和同步储集-集热比（CSR）指标，建立T*与传热系数（U）的强负相关模型（R2>0.98）。实验表明，充电/放电时T*分布范围分别为3.17/3.39倍，GCHST日集成CSR达0.89，为高级PCM储热系统提供定量指标与结构优化参考。
郭晓|秦波|郭俊宏|李晓霞|田瑞|聂静|周峰
兰州理工大学绿色能源与储能学院，中国甘肃省兰州市730050
摘要
相变热存储技术在应对太阳能的间歇性和波动性挑战中发挥着关键作用。本研究提出了一种新型的低温相变热存储单元（GCHST），该单元采用虚拟边界网格结构，提高了太阳能热存储性能。我们提出了两个新的指标——归一化温度（T*）和同步存储-集热器比率（CSR）——以建立T*与全局热传递系数（U）之间的稳健相关模型。结果表明，T*与U之间存在强烈的负相关关系，充电过程中的分布范围分别是放电过程中的3.17倍和3.39倍。h(U) = 1/(U?1)与编码的T*值呈二次方关系，决定系数（R2）大于0.9800。热存储功率（Pq-s）和集热功率（Pc）对光功率（Po）的敏感性在石蜡相变材料（PCM）的初始熔点（48.65°C）处发生了显著变化，这一转变与CSR超过1.00相吻合。GCHST实现了高达0.89的日积分CSR。这项工作为先进PCM热存储系统的设计提供了新的定量指标和结构洞察。
引言
太阳能是一种重要的清洁可再生能源，适用于海水淡化[1]、建筑供暖[3]和作物干燥[4]。尽管其高效利用面临间歇性挑战，但低温相变热存储可以有效解决这些问题[5]。目前，传统的相变热存储（PCHS）单元在与太阳能集热器结合使用时存在一些缺点：系统热传递性能较差[6,7]，且缺乏同步存储-收集性能的评估体系[8,9]。为了克服这些缺点，本研究旨在开发一种新型的低温相变热存储单元，并建立更有效的评估方法。
最近的研究通过结构设计和材料改性来提高太阳能低温相变热存储单元的热存储/释放性能。从结构上来看，集成散热片、多孔材料、微通道和微胶囊已被证明是有效的。杜和邓在板式换热器中使用了非均匀散热片结构来提高热传递速率[10]。Tekale等人通过使用穿孔散热片代替实心散热片，使对流热传递提高了23.60%[11]。韩及其同事比较了五种类型的环形散热片，在石蜡系统中发现“e”型散热片的相变时间最短[12]。赵的研究表明，添加多孔材料可以提高热导率并减少热充放电时间[13]。王指出，微通道换热器体积小且效率高，适合用于相变单元，并建议优化其特性可以进一步提高热传递[14]。Aggarwal等人使用微胶囊和较大容器等PCM封装方法来增加热交换面积并防止泄漏[15]。
在材料改性方面，研究人员通过引入高导热材料和发展复合相变材料（CPCMs）来提高热导率[16,17]。Rajamony等人发现，在石蜡中添加石墨烯可使热导率提高75.09%[18]。使用纳米流体（结合纳米颗粒和导热液体）可以提高PCM存储单元的热传递性能[19]。谭等人使用膨胀石墨制备了CPCM，使存储速率提高了135.40%，释放速率提高了84.04%[20]。张等人通过使用具有定向高导热性的CPCM，将存储效率提高了69.50%[21]。
我们对文献的分析发现了一些不足之处。首先，当前的结构方法（如多孔金属泡沫）虽然提高了热传递效率，但过于复杂，难以适应固液界面的动态变化，从而增加了局部热阻。其次，由于纳米添加剂的高表面能，它们容易聚集在一起，导致热导率随时间降低。此外，CPCMs的高成本对大规模应用构成了挑战。最后，大多数现有研究主要关注熔化时间、热导率、热存储/释放速率和热存储效率，但这些指标未能全面评估热存储性能，也未考虑其与太阳能热系统的同步存储能力。
为了解决上述问题，我们旨在开发一种结构简单、成本效益高的热存储单元，并提出更好的评估指标。我们设计的GCHST采用了虚拟边界网格结构，最小化了相邻网格之间的热阻并增强了多方向对流热传递。为了评估其性能，引入了两个指标：T*和CSR。我们还研究了GCHST与平板热管太阳能集热器结合时的同步存储能力。
章节摘录
GCHST
如图1所示，GCHST的核心由多层交错排列的内部流动换热盘管组成。这种设计将石蜡-PCM封闭在矩形不锈钢箱内的体积划分为多个相互连接的虚拟网格。这种配置促进了多方向热传递，改善了石蜡-PCM内的自然对流，最小化了空间温度梯度，从而使所有测量点的平均温度更加均匀。
石蜡-PCM的相变热特性
半精炼石蜡PCM的热特性通过差示扫描量热法（DSC）进行了表征。DSC曲线（图4）显示其熔化起始温度为48.65°C，相变焓为165.48 J/g，证实了其出色的低温潜热存储能力。观察到的熔化范围为21.35°C，这是典型的含烃混合物商业石蜡蜡的特性[23]。
结论
本研究介绍了一种新型的低温相变热存储单元GCHST，该单元具有独特的虚拟边界网格结构。对石蜡-PCM的热特性进行了全面表征，并提出了两个新的指标T*和CSR来评估GCHST的性能。主要发现和局限性总结如下：
石蜡-PCM的熔化起始温度为48.65°C，熔化范围为21.35°C。
CRediT作者贡献声明
郭晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。秦波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件。郭俊宏：方法论，研究。李晓霞：方法论，资金获取。田瑞：方法论，资金获取。聂静：方法论，正式分析。周峰：软件，正式分析。
利益冲突声明
本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未在其他地方全部或部分发表。所有列出的作者均已批准所附的手稿。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52566014）、兰州理工大学的鸿柳优秀青年人才支持计划（2024年）、兰州理工大学的引进博士研究启动基金（2023年）、太阳能发电系统重点实验室（2024SPKL03）、内蒙古自治区自然科学基金（2024QN05047）以及甘肃省重点研发计划-工业项目（25YFGA036）的支持。
