用于面向太阳的可再生能源应用中的部分填充金属-泡沫/相变材料热缓冲层的界面倾斜度

《Renewable Energy》：Interface inclination in partially filled metal-foam/PCM thermal buffers for solar-facing renewable-energy applications

　　摘要：面向太阳的热界面可能会承受强烈的瞬态热负荷，这会导致温度峰值上升并产生局部温度不均匀现象。相变材料能够提供被动的热缓冲作用，但其较低的导热性限制了其充能效率。本研究探讨了一种无需改变外部模块朝向的被动内部结构策略，用于部分填充的铜泡沫/石蜡热缓冲层。通过可视化实验，并结合熔化前沿演变和红外温度分布对局部热非平衡模型进行了验证。之后利用该模型在固定填充比例和恒定泡沫体积的前提下，研究纯石蜡区域与铜泡沫/石蜡区域之间界面的倾斜角度对性能的影响。与水平界面相比，+60°的倾斜角度可使完全熔化时间缩短18.0%，但会使受热壁面的峰值温度上升4.0%。将少量泡沫重新分配到占据腔体高度八分之一的顶层，可使受热壁面峰值温度以及热点强度分别降低14.6%和61.6%。经过优化的结构仍保持相近的充能性能，完全熔化时间缩短2.8%，而达到90%熔化状态的时间则提前8.8%。这些结果表明，界面倾斜角度以及有针对性的泡沫重新分布策略，有助于在紧凑型面向太阳的热缓冲装置中实现浮力驱动的对流与泡沫辅助的传导效应的协同作用。

引言：随着基于太阳能的可再生能源系统应用规模的不断扩大，人们对能够有效缓解瞬态及空间上不均匀热负荷的紧凑型被动热缓冲装置的需求日益增加。由于相变材料能够通过潜热存储来吸收瞬态热量，同时还能维持相对稳定的温度范围，因此这类混合热管理方案在光伏组件中得到了广泛研究[1]。而聚光光伏系统由于高倍率的辐照作用，会在紧凑型的接收器或背板界面处产生极高的局部热流，这对热管理提出了更为严格的要求[2]。然而，大多数有机相变材料本身具有较低的导热性，这限制了它们的充放热速率，也会在高热流或空间不均匀热负荷条件下延缓热量扩散[3]。此外，复合针翅式散热器的研究表明，在不对称热负荷条件下，高导热路径的空间布局对于降低由热点引发的温度不均匀现象至关重要[4]。

为克服相变材料导热性低的缺陷，人们提出了多种改进策略。基于翅片的结构能够扩大传热面积，并为热量从受热壁面传递到相变材料区域提供直接的传导路径，但其效果很大程度上取决于翅片的几何形状、间距以及固体残余物的分布情况[5]。基于纳米结构的添加剂可以提高相变材料的表观导热性，不过在含有纳米颗粒的相变材料体系中，其粘度、熔点、过冷度以及熔化热都可能发生变化[6]。多孔结构稳定的支撑材料虽然能够提升系统的抗泄漏能力与传热性能，但由于增加了支撑相，会降低有效相变材料的比例，进而改变系统内部的流体热传导行为[7]。开孔金属泡沫则具备连续的三维导热骨架以及较高的比表面积，因此非常适合用于相变材料复合材料中的快速热量重分布[8]。

尽管具有上述优势，金属泡沫/相变材料复合材料在泡沫辅助的传导作用、潜热存储能力以及浮力驱动的对流作用之间存在着固有的权衡关系。赵等人通过实验发现，嵌入金属泡沫可以将相变材料的整体传热速率提高数倍，而一旦形成液态相变材料区域，自然对流依然会在熔化过程中发挥重要作用[9]。王等人对铜泡沫/石蜡复合材料中的这种竞争关系进行了量化分析，结果表明，提高铜泡沫的填充比例会使主导的熔化机制从自然对流转变为传导作用[10]。因此，要提升金属泡沫/相变材料热缓冲装置的性能，不仅需要添加高导热性的骨架，还需要合理设计该骨架的结构，以便让导热强化效应与液态相变材料的对流作用能够协同发挥作用。

第一个设计问题在于应引入多少金属泡沫。乔希和拉索德提出了一种部分填充策略，即优先将金属泡沫布置在温度梯度较大的区域，这样既能够提升熔化性能，又能避免不必要的泡沫使用[11]。孟等人使用矩形相变材料容器，对比了八种不同体积分数的部分填充铜泡沫结构，发现填充量会显著影响材料的熔化/凝固时间、温度响应特性、热流强度以及热存储能力[12]。张等人通过实验发现，部分填充铜泡沫所带来的熔化速率提升并非单调变化，在中等填充比例时熔化速度最快，而非完全填充时[13]。李等人也在垂直式热储存罐中发现了最佳的填充高度，证明减少金属泡沫的使用与更短的完全熔化时间是可以共存的[14]。

一旦泡沫的总量受到限制，下一个需要考虑的问题就是泡沫应放置在哪里。英等人对比了顶部填充和底部填充的潜热热能储存装置，并引入了一个综合优化指标，用于同时评估熔化时间、热能存储能力以及材料成本[15]。王等人从液态相变材料占比变化的角度研究了顶部和底部填充的结构，发现纯相变材料区域与金属泡沫/相变材料混合区域之间的界面会显著影响材料的熔化行为[16]。陈等人将这一思路拓展到了部分封装结构中，他们发现L形泡沫布局能够更好地将熔融态相变材料中的浮力对流与通过金属泡沫区域的传导作用结合起来[17]。这些研究都表明，内部泡沫的布局并非无关紧要的细节，它决定了纯相变材料对流区域与具有导热性的多孔区域之间的热传递方式。

除了填充量和位置之外，近期还有研究开始探索对泡沫边界几何形状的优化设计。李等人直接研究了倾斜填充设计，即让垂直式壳管式热储存罐中部分填充的金属泡沫上表面处于倾斜状态，实验表明倾斜角度会显著影响熔化时间、温度响应以及熔化过程的均匀性[18]。萨达里等人则研究了多段式的金属泡沫/相变材料结构，发现分段设计以及孔隙率、孔隙密度和热源位置都会影响材料的熔化时间与温度分布[19]。这些结果说明，内部泡沫边界的形状可以作为一种设计变量，但目前的研究大多集中在壳管式结构、顶部/底部填充、分段布局或整体热源布置等方面。

在固定填充比例且泡沫总量不变的紧凑型面向太阳热缓冲装置中，对于平面状金属泡沫/相变材料界面倾斜角度变化的系统性研究仍然较为有限。在这种结构中，虽然界面倾斜角度的变化不会改变泡沫的总体积，但它会改变纯相变材料区域中由浮力驱动的对流与金属泡沫/相变材料区域中由泡沫辅助的传导作用之间的空间耦合关系。对于面向太阳的热缓冲装置而言，这一差异尤为重要，因为其外部朝向往往会受到光学对准、包装要求、跟踪系统或建筑集成等因素的限制。因此，通过优化内部界面设计，无需添加额外的功能材料或改变模块的朝向，即可实现提升充能性能以及改善热点相关温度控制的效果。

为此，本研究聚焦于填充比例为γ=0.5的部分填充金属泡沫/相变材料热缓冲装置，探究内部金属泡沫/相变材料界面倾斜角度δ如何影响材料的熔化动态、对流与传导的耦合效应、温度均匀性以及热点问题的缓解程度。如图1所示，γ表示金属泡沫/相变材料复合区域所占的体积分数，而δ则表示在固定填充比例条件下，内部金属泡沫/相变材料界面的旋转角度。研究通过可视化实验，并结合局部热非平衡数值模型进行验证，以此评估倾斜角度对系统热响应的影响。在确定出最佳倾斜角度的基础上，研究还提出了一种更为轻量化的优化方案，即在不增加泡沫总体积的情况下，将少量泡沫重新分配到容易形成热点的上部区域。这些研究结果为面向太阳的可再生能源应用中的金属泡沫/相变材料热缓冲装置提供了基于几何结构的优化指导，这类应用对材料的充能速率与热安全性都有较高要求。

材料与样品制备：本研究中使用的相变材料为石蜡，金属泡沫则为开孔铜泡沫。选择石蜡作为相变材料，是因为其在熔融状态下具有透明性，便于在实验过程中观察材料的流动与熔化过程。该铜泡沫的孔隙率为0.95，孔隙密度为每英寸10个孔。泡沫的尺寸经过切割处理，以匹配容腔的尺寸。通过这样的处理，可以尽量减少内部气泡的产生，确保各部分之间能够紧密接触。

数值计算方法：本研究共进行了两组模拟计算。验证模拟采用了与实验相同的几何结构，对于+60°和+90°两种倾斜角度的情况，铜泡沫的孔隙率设定为0.95，孔隙密度为每英寸10个孔。通过模拟得到的熔化前沿演变趋势以及表观熔化面积比例，与实验结果进行了对比。在后续的倾斜角度参数研究中，采用了几何尺寸为30.48毫米×30.48毫米的模拟域。填充比例固定为γ=0.5，界面倾斜角度则作为研究变量。

通过实验分析对数值模型的验证：图6和图7展示了δ=+60°和δ=+90°两种情况下实验结果与模拟结果之间的对比。在纯相变材料区域，由浮力驱动的对流作用使得熔化前沿在顶部附近以更快的速度扩展。而在金属泡沫/相变材料混合区域，热量主要从上表面进入，然后通过铜泡沫骨架进行传导，因此熔化前沿以传导作用为主。该数值模型能够准确呈现这两种不同结构下的独特熔化特征。同时，模拟得到的温度场也与实验结果较为吻合。

结论：本研究表明，平面状金属泡沫/相变材料界面的倾斜角度可以通过改变纯相变材料区域中的浮力驱动对流与混合区域中的泡沫辅助传导作用之间的耦合关系，从而调控材料的充能过程。局部热非平衡模型在两次验证中均能够较好地再现实验中观察到的表观熔化面积变化趋势，其平均绝对误差为0.0165，均方根误差为0.0204，决定系数为0.9952。在固定部分填充比例γ=0.5的情况下，δ=+60°的界面倾斜角度可使材料的完全熔化时间缩短。

数据获取方式：相关数据可应需求提供。

作者贡献说明：李子伟负责概念构思、资金申请、实验研究、软件开发、项目监督、结果验证以及初稿撰写工作；张成诺负责实验研究、方法设计以及软件相关工作；刘培涛负责方法研究以及结果验证工作；埃莉萨贝塔·加里博尔迪负责项目监督以及论文的审阅与编辑工作；梁向洲负责资金申请、项目监督以及论文的审阅与编辑工作；于恒昌负责实验研究、软件开发以及结果验证工作。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52506107和52308288）、河北省教育科学研究项目（项目编号BJ2026118）、河北省自然科学基金（项目编号E2022203084）以及河北省高层次人才计划（海外高层次人才引进计划）（项目编号B2026009）的支持。

作者名单：李子伟|张成诺|刘培涛|埃莉萨贝塔·加里博尔迪|梁向洲|于恒昌