相变材料增强型太阳能空气加热器的热储能性能实验研究

为解决太阳能空气加热器(SAH)在无日照条件下热性能下降的问题，研究人员开展了相变材料(PCM)增强型SAH的热储能性能实验研究。通过集成矩形翅片和商用石蜡(Paraffin Wax)，在800-1000 W/m2辐照度和0.002-0.003 kg/s流量下测试，发现PCM使储热量提升34.6倍至477.4 kJ，热回收时间延长7.74倍，显著提升系统持续供热能力。

　　

在可再生能源利用领域，太阳能空气加热器(SAH)因结构简单、成本低廉而被广泛应用于农产品干燥、空间供暖等领域。然而这类设备存在"看天吃饭"的致命缺陷——当云层遮蔽阳光或夜幕降临时，其热效率会断崖式下跌。更棘手的是，太阳能的间歇性与用热需求的持续性之间存在难以调和的矛盾，这严重制约了SAH的实际应用价值。

为破解这一难题，土耳其埃尔吉耶斯大学航空宇航工程学院(Erciyes University, Faculty of Aeronautics and Astronautics)的Ismail Ata和Yunus Erkam Ozselcuk开展了一项创新研究。他们巧妙地将相变材料(PCM)热储能技术与翅片强化传热技术相结合，设计出新型SAH系统。相关成果发表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》上，为太阳能热利用领域提供了重要技术方案。

研究团队采用三组150W红外灯模拟太阳辐射(800/1000 W/m²)，以铜质吸收板配合22.5°倾角矩形翅片构建实验系统。关键技术包括：通过差示扫描量热法(DSC)测定石蜡熔融焓(149 kJ/kg)，采用K型热电偶矩阵监测温度场，运用Kline-McClintock方法进行测量不确定度分析(±0.12°C)，并建立包含显热/潜热分量的能量平衡方程量化储能性能。

在"时间依赖性温度变化"部分，数据显示无PCM时吸收板表面最高达75.2°C(1000 W/m²+0.002 kg/s)，而PCM组温度稳定在60°C左右。这表明石蜡通过固液相变有效缓冲了温度波动，其熔程(52-68°C)成为系统的天然温控"开关"。

"热回收持续时间"研究揭示惊人差异：PCM将热回收时间从42分钟(对照组)延长至325分钟，增幅达7.74倍。特别值得注意的是，流量从0.002增至0.003 kg/s会使回收时间缩短22.4%，而辐照度变化影响相对较小，这说明流体动力学参数对系统持续性具有决定性影响。

通过"热储能性能"分析发现，PCM组的储能总量(469.7 kJ均值)是对照组(13.6 kJ均值)的34.6倍。能量构成分析显示，其中83.2%来自石蜡的潜热储存，这种"化学键能"储存方式比传统显热储存具有更高能量密度。

研究结论部分指出，该PCM增强系统成功实现三大突破：首先，将热回收时间延长近8倍，大幅提升系统持续供热能力；其次，通过翅片-PCM协同作用使储热密度提升34.6倍；最后，确立流量控制比辐照度调节更有效的运行策略。这些发现为开发不依赖实时日照的太阳能热系统提供了实验依据，特别适合需要稳定热源的农业干燥和建筑供暖场景。

讨论部分强调，虽然石蜡PCM存在导热系数低(0.2 W/mK)的固有缺陷，但通过铜翅片网络(400 W/mK)构建的"导热高速公路"有效解决了这一问题。未来研究可进一步探索不同PCM材料与翅片构型的组合优化，以及实际户外环境下的长期稳定性测试。这项研究标志着太阳能热利用从"即时消费"向"储能调控"的重要转变，为可再生能源的高效利用开辟了新途径。