基于HDPE潜热储存的PCM集成自保温腔式太阳能接收器瞬态热行为与热缓冲性能数值研究

《Energies》：Transient Thermal Behavior and Thermal Buffering of a Novel PCM-Integrated Cavity Solar Receiver

　　

抛物槽式太阳能集热器是供应热能的有前景技术；然而，其性能强烈依赖太阳辐照的连续性。太阳辐照中断会导致热传输流体（HTF）温度快速下降，并降低热稳定性和性能。该研究采用数值方法研究一种新型相变材料（PCM）集成腔式接收器的热行为，该接收器受土耳其专利号2021/013862保护，旨在降低太阳辐照中断期间的温度波动。该接收器将腔式结构与基于PCM的潜热储存层相结合。采用基于焓-孔隙率法（enthalpy–porosity approach）的三维瞬态计算流体动力学（CFD）模型模拟熔化和凝固。采用高密度聚乙烯（HDPE）作为PCM，水作为HTF。在所研究的太阳辐照条件下，该新型太阳能接收器吸收2458 W。当HDPE在约31 min完全熔化时，水出口温度达到437.52 K。在蓄热过程中，HDPE储存2021.4 kJ热能，包括显热和潜热。显热占HDPE储存总能量的55.8%，潜热占44.2%。太阳辐照中断后，凝固在约21 min完成。在凝固期间，PCM集成接收器的水出口温降为17.5 K，而非PCM接收器为58 K，温降降低69.8%。在直接辐射中断的凝固期间，PCM集成接收器的水出口温降仅对应4.3%。结果表明，所提出的接收器提供了有效热缓冲，并改善了短期太阳辐照中断下的热稳定性。

研究背景方面，抛物槽式集热器（PTC）是将太阳辐射转化为热能的商业化聚光太阳能热技术，但其性能受集热器—接收器光学特性、吸收太阳辐射及接收器—热传输流体（HTF）界面传热影响；云层和大气条件造成的太阳辐射间歇性会引起HTF温度波动并影响系统稳定性。热能储存（TES）因此用于提高聚光太阳能热系统运行稳定性，其中基于相变材料（PCM）的潜热储存因储能密度高且可在较窄温度范围内储放热而受到关注。已有研究考察PCM集成槽式集热器、聚光接收器、腔式接收器及不同PCM布置和传热强化方式，显示PCM具有热补偿和热缓冲潜力；但接收器几何、PCM布置、热边界条件和运行温度不同，既有结果不能直接迁移。腔式接收器可通过多次反射增强辐射吸收，但性能受几何、孔径和接收器位置影响。高密度聚乙烯（HDPE）作为中温聚合物PCM具有应用前景，Zauner et al.和Weingrill et al.的实验支持其储热适用性和长期热氧化稳定性。研究人员的先前研究通过光学分析和响应面法优化了腔式几何、孔径和接收器位置，本研究在此基础上聚焦该专利接收器的瞬态热行为和潜热储存性能，旨在降低太阳辐照中断时HTF温度波动并比较无PCM接收器。

研究人员开展了新型PCM集成自保温腔式接收器的三维瞬态CFD研究，模拟HTF与PCM在熔化、完全蓄热、太阳辐照中断和凝固过程中的耦合热响应，并与相同条件下无PCM的等效腔式接收器比较。结果表明PCM集成接收器在短期太阳中断下具有有效热缓冲能力，可显著减小HTF出口温降，为改善PTC系统瞬态热稳定性提供潜在途径。

关键技术方法不超过250字：采用Ansys Fluent v23 R2进行三维瞬态CFD模拟，有限体积法求解质量、动量和能量方程，标准k-ε湍流模型描述HTF湍流，离散坐标（DO）辐射模型计算辐射传热，用户自定义函数（UDF）施加SolTrace获得的非均匀太阳热流；PCM区采用焓-孔隙率法（enthalpy–porosity approach）和Boussinesq近似处理自然对流；采用两阶段CFD方法先求外部空气对流换热系数再作瞬态求解；网格约2.6百万，时间步1 s。光学模型用LS-2实验数据（Dudley et al.）验证，PCM模型用Al-Abidi et al.的RT82实验验证。气象来源为2023年7月18日Etimesgut, Ankara，直射789 W/m²，环境温度30.4 °C，风速2.4 m/s；HDPE为PCM，水为HTF。

3.1 PCM熔化和凝固：通过三维瞬态CFD监测水温、HDPE温度和液相分数，得出HDPE约13 min开始熔化，1876 s（约31 min）完全熔化；完全熔化时水出口温度437.54 K，HDPE平均温度423.76 K。熔化过程因腔体内非均匀热流而不均匀，液相区逐步扩展，腔体最上部最后熔化。蓄热期间HDPE总储热2021.4 kJ，其中显热1127.2 kJ（55.8%），潜热894.43 kJ（44.2%）。太阳辐照中断后，HDPE约5 min开始凝固，约21 min完全凝固，凝固期约16 min；相变期间水温相对稳定，体现凝固潜热释放。

3.2 与无PCM接收器的比较：通过相同运行条件下PCM集成接收器与无PCM简单腔式接收器的瞬态CFD比较，得出无PCM接收器不含HDPE和保温层，外宽78 mm、高69.8 mm，吸收太阳功率2521 W，而PCM集成接收器为2458 W。蓄热结束时PCM集成接收器水出口温度437.52 K，无PCM接收器476.38 K；PCM集成接收器升温较慢，因部分吸收能量转入潜热储存。太阳中断开始约5 min时两者水出口温度分别为406.3 K和410.2 K；16 min凝固期结束时分别为388.8 K和352.2 K。PCM集成接收器温降仅17.5 K，无PCM接收器为58 K，温降降低69.8%，相对凝固开始水温仅4.3%。潜热相关热缓冲比（latent-heat-related thermal-buffering ratio）为42.4%。能量平衡显示，完全熔化蓄热期吸收太阳能4610 kJ，水热能增加1287 kJ，HDPE储热2021.4 kJ，充电热效率27.9%，HDPE储热占吸收能量43.9%，剩余项28.2%。比较表明PCM层主要作用为热缓冲而非提高充电阶段瞬时出口温度。

讨论部分总结：该研究数值表征了PCM集成自保温腔式PTC接收器的瞬态储热行为和太阳中断响应。HDPE在约13 min开始熔化、约31 min完全熔化，水出口达437.52 K；熔化因非均匀聚光辐射而不均匀，最上部最后熔化；HDPE储热2021.4 kJ，显热和潜热分别占55.8%和44.2%；中断后约5 min开始凝固、约21 min完成，凝固期约16 min，水出口温降17.5 K，而无PCM接收器为58 K，温降降低69.8%，相对仅4.3%，潜热相关热缓冲比42.4%。PCM集成的主要贡献是热缓冲，而非提高充电阶段瞬时出口温度；储存潜热在凝固时释放，减小短期太阳中断后的HTF温度波动。该配置为改善暴露于短时太阳中断的PTC系统瞬态热稳定性提供潜在方法；PCM层及封装会增加接收器质量和体积，需在设计中考虑。未来可考察部分PCM熔化、重复云遮挡、变太阳辐照、不同HTF和流量、连续日运行循环、热应力、水力与几何影响、经济性及HDPE反复熔凝循环稳定性。

研究结论翻译：数值结果表明，所提出的PCM集成腔式接收器能够提供短期潜热热能储存，并可在直接太阳辐照暂时中断后缓和HTF出口温降。因此，该配置为改善暴露于短时太阳中断的抛物槽式太阳能热系统的瞬态热稳定性提供了一种潜在途径。