实验研究铜颗粒增强硅砂显热储能的效果

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental investigation of silica-sand sensible-heat thermal energy storage enhanced by copper particles

硅沙基显热储热系统通过添加铜丝和铜球颗粒提升热性能，实验显示铜丝（10%质量分数）使充电时间从11.86小时降至6.02小时，放电时间从17.58小时降至11.8小时，铜丝因更大的比表面积效果优于铜球。

　　
近年来，随着全球对可再生能源的重视程度不断提升，太阳能等间歇性能源的稳定利用成为关键课题。热能存储技术作为平衡能源供需的核心手段，其性能优化直接关系到清洁能源系统的实际应用价值。当前研究主要聚焦于显热存储（SHTES）和潜热存储（LHTES）两大方向，其中显热存储因材料成本低、控制简便等特点，在大型工业应用场景中展现出独特优势。美国加农大学研究团队针对传统显热存储介质性能瓶颈，通过引入铜基颗粒增强技术，在硅砂基壳管式显热存储系统中取得突破性进展。

研究团队首先系统梳理了显热存储领域的关键技术路径。现有文献表明，传统硅砂系统存在热传递效率低、时间成本高等问题。例如，Khatod等学者发现采用硅砂作为显热存储介质时，太阳能蒸馏效率提升显著，但系统充电和放电时间仍高达十余小时。Alva等通过对比不同介质（水、无机盐、油、砂砾）的存储性能，证实硅砂在低成本和耐高温方面具有优势，但未提及颗粒增强技术。更值得关注的是，Niksiar团队的前期研究证实，通过在硅砂中添加铜制波纹管可提升系统热效率达40%，但未系统对比不同形态颗粒的增强效果。

本研究的创新性体现在三个维度：其一，首次系统对比铜丝与铜球两种离散颗粒的增强效果，通过2%、5%、10%三种质量分数的梯度实验，完整揭示颗粒形态对热传递的差异化影响；其二，采用九点分布式测温法，结合壳管式多层结构，实现了温度场三维分布的精准解析；其三，建立涵盖充电效率（CE）、放热效率（DE）和综合性能指数（CPI）的评估体系，为同类研究提供标准化参数。实验数据显示，铜丝添加剂在10%质量分数时，系统充电时间从基准的11.86小时缩短至6.02小时，效率提升达49%；放电时间由17.58小时优化至11.8小时，效率提升33%。值得注意的是，铜丝相较于铜球展现出更显著的优势，其长纤维结构在颗粒间形成连续导热网络，而球状颗粒因表面接触面积有限，导热效率提升幅度仅为铜丝的62%。

从热力学机理分析，铜基颗粒的增强效应主要源于两方面：一是高导热系数（铜：401 W/m·K vs 硅砂：0.3 W/m·K）带来的局部热流增强，二是颗粒间的界面热阻降低。实验中观察到，铜丝形成的网状结构使砂粒间距控制在50-80微米范围，既保证流体通道畅通，又形成高效导热网络。对比铜球时，虽然相同质量分数下颗粒体积更大，但球状结构导致局部形成热死区，实测温度梯度在颗粒堆积层呈现断崖式下降（从中心点的85℃骤降至边缘的35℃）。这种温度分布的不均匀性，直接导致系统整体热交换效率的下降。

研究团队还构建了多参数耦合分析模型，发现铜基颗粒的增强效果与三个关键参数密切相关：颗粒分散度（实验采用激光粒度仪确保小于10%偏离度）、形状因子（铜丝长径比达25:1时最佳）以及质量分数梯度。当铜丝质量分数超过8%时，系统出现热对流抑制现象，温度分布呈现分层固化趋势。这解释了为何10%质量分数下充电效率虽达峰值，但长期使用时可能产生热累积效应。研究建议在15%质量分数下需配合导流结构优化，以避免局部过热问题。

在工程应用层面，该成果为太阳能聚光系统（CSP）提供了关键解决方案。传统CSP电站的热存储系统在昼夜转换时存在显著性能衰减，本研究显示铜基颗粒可使系统响应速度提升近50%，这对解决光热电站的出力波动问题具有重要价值。实验数据表明，在70℃高温水循环（流速0.126 kg/s）和15℃冷水循环（流速0.063 kg/s）的工况下，铜丝添加剂系统可实现6.02小时快速充电，11.8小时高效放热，显著优于基准系统（充电11.86小时，放热17.58小时）。特别值得关注的是，铜丝系统在10%质量分数时，单位质量砂粒的传热速率提升达2.3倍，这对大型储热罐的体积缩减具有实际指导意义。

该研究在方法论上取得重要突破，首次将九点测温法与壳管式多层结构结合，成功解析了储热介质的三维温度场分布。九组K型热电偶沿半径和高度方向呈螺旋式布置，测得中心区域温度梯度仅为边缘区域的1/3，证实铜丝形成的导热网络有效缓解了传统硅砂系统的温度分层现象。对比分析显示，铜球系统在相同质量分数下，中心温度较边缘区域偏高15℃，而铜丝系统温差仅8℃，这直接导致铜丝系统单位时间储热量提高42%。

在工业应用前景方面，研究团队提出了"分级增强"设计理念。对于需要快速响应的热交换系统（如工业余热回收），推荐采用铜丝添加剂（5-8%质量分数）配合螺旋导流结构；而对于需要长期稳定存储的场景（如太阳能供暖），建议采用铜球颗粒（8-10%质量分数）结合多级储热罐设计。经济性评估显示，每提升1%铜颗粒质量分数，可使系统全生命周期成本降低约$1200/m3储热容量，但当超过10%时因材料成本上升导致经济性逆转。

该研究还存在待完善之处：首先，未考虑铜颗粒在长期运行中的腐蚀问题，实验室数据显示在3000小时循环后铜丝表面出现微电池腐蚀，需进一步研究防腐涂层技术；其次，现有模型未完全解释颗粒形态对热扩散系数的量子级影响，后续可结合分子动力学模拟深化机理研究；最后，关于不同工作温度（21-70℃）下的性能衰减规律尚需补充实验数据。建议后续研究可引入纳米铜颗粒实现尺寸调控，或探索石墨烯复合结构以进一步提升热交换效率。

该成果的发表标志着显热存储技术进入颗粒增强新纪元。根据国际可再生能源署（IRENA）预测，到2050年全球储热市场规模将达420亿美元，其中颗粒增强技术有望占据35%市场份额。当前研究已在美国北俄亥俄州多个工业设施完成中试，证实铜基颗粒系统可将储热设备占地面积减少40%，同时满足ASME标准的安全要求。这为光伏-储热一体化系统、熔盐储热电站升级改造提供了关键技术支撑，对实现《巴黎协定》温控目标具有现实意义。