基于石蜡-金属氧化物纳米颗粒相变材料的双通道太阳能空气加热器CFD模拟与热性能优化研究

本研究针对太阳能空气加热器(SAH)因太阳辐射间歇性导致的能量波动问题，创新性地将五种金属氧化物纳米颗粒(SiO2、SnO2、Al2O3、CuO、MgO)与石蜡相变材料(PCM)复合应用于双通道结构(DPSAH)。通过Ansys-Fluent数值模拟与实验验证，发现1%体积浓度的SiO2纳米颗粒使充/放电速率分别提升35%和21.15%，显著改善系统热效能，为可再生能源存储技术提供新方案。

　　

随着全球能源需求持续增长，太阳能作为清洁可再生能源备受关注，但其间歇性供应特性严重制约实际应用。尤其在农业干燥、医疗灭菌等需要持续热源的领域，传统太阳能空气加热器(SAH)在阴雨天或夜间无法稳定供能。相变材料(PCM)虽能储存潜热(LHS)，但常用石蜡导热系数低（仅约0.2 W/m·K），导致充放电速率不足。更棘手的是，单纯增加换热面积会大幅提高系统成本，而传统金属泡沫增强又面临重量激增的问题——这些矛盾使得太阳能热利用技术陷入"高效"与"经济"难以兼得的困境。

针对这一技术瓶颈，印度理工学院高哈蒂校区的Shikha Bhuyan团队在《Renewable Energy》发表创新研究。他们另辟蹊径，选择五种具有高导热特性的金属氧化物纳米颗粒（SiO₂、SnO₂、Al₂O₃、CuO、MgO），通过浸渍法将其以1%体积浓度复合于当地炼油厂生产的石蜡中，构建纳米相变材料(nPCM)。研究采用"数值模拟先行-实验验证跟进"的双轨策略：首先运用Ansys-Fluent 14.0建立双通道SAH(DPSAH)三维模型，设置1284×320×84 mm³的矩形风道和1200×320×20 mm³的铝制PCM腔体；随后通过差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)测定复合材料热物性，最终筛选最优纳米填料进行实测验证。

关键方法
研究采用有限体积法求解质量、动量和能量守恒方程，设置0.0001收敛标准的SIMPLE算法处理压力-速度耦合。实验部分通过控制变量法测试不同nPCM在相同辐射强度(850 W/m²)下的性能，使用红外热像仪记录温度场分布，并对比纯石蜡基准组数据。

结果解析
热物性改良机制
纳米颗粒通过三种途径增强性能：①SiO₂使PCM导热系数提升76%，形成高效热流网络；②CuO降低材料孔隙率至12.3%，减少界面热阻；③所有纳米颗粒均提高熔体粘度（最高达纯石蜡的1.8倍），延缓热对流损失。

充放电性能
在30°C初始温度条件下，SiO₂-nPCM表现出最快响应：充电速率达4.2°C/min，较纯石蜡提升35%；放电阶段维持2.1°C/min降温速率，储能密度保持89.7 kJ/kg。Al₂O₃和MgO组分别展现25%和22%的充电增益，证实金属氧化物普遍适用性。

流场特性
二次流分析显示，纳米颗粒使风道涡流强度增加40%，空气停留时间延长至8.2秒，出口温差缩小至±2.3°C，显著提升热能利用率。

结论启示
该研究突破性证实：微量(1%)纳米添加剂即可实现PCM性能质的飞跃，其中SiO₂-nPCM综合表现最优。其创新点在于：首次系统比较五种金属氧化物对阿萨姆地区石蜡的改性效果；建立nPCM粘度-导热协同优化模型；提出"纳米级热桥+微对流抑制"的复合增强机制。这项成果不仅为太阳能干燥设备提供现成解决方案（实验组热能输出波动降低63%），更开创了"本地材料+纳米修饰"的低成本技术路线——相比进口专用PCM，该方案使材料成本降低82%，为发展中国家清洁能源应用树立新范式。