《Energy Conversion and Management-X》：Numerical modeling and thermal performance enhancement of a parabolic solar thermal energy storage system using SWCNT-enhanced phase change materials and thermoelectric generator
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本研究提出一种新方法，通过采用配备抛物面太阳能反射器的双管换热器并结合多种热增强技术，以提升太阳能热系统的效率。相变材料（PCM）为填充于换热器内管的石蜡（RT35-HC）。为解决石蜡固有低导热系数问题，在PCM中分散单壁碳纳米管（SWCNT），并策略性嵌入十
本研究提出一种新方法，通过采用配备抛物面太阳能反射器的双管换热器并结合多种热增强技术，以提升太阳能热系统的效率。相变材料（PCM）为填充于换热器内管的石蜡（RT35-HC）。为解决石蜡固有低导热系数问题，在PCM中分散单壁碳纳米管（SWCNT），并策略性嵌入十字形翅片以进一步增强熔化与凝固过程。外管充以水，并通过添加铜多孔泡沫改善传热，借助对流与传导协同显著强化换热。外管外表面安装热电发电机（TEG）模块，将废热转换为电能。利用SolTrace精确模拟抛物面反射器太阳通量分布，并采用ANSYS FLUENT开展全面非稳态三维模拟，评估不同设计下系统热行为与能量转换效率。结果表明，在PCM区添加SWCNT纳米颗粒与十字形翅片使热效率、储能量与液相分数分别显著提升约53.32%、63.12%与74.21%。仅在水侧使用多孔泡沫（无翅片）使总效率、储能量与液相分数分别提升2.64%、24.74%与28.66%。所有技术组合时，相较基准工况，系统总效率、储热容量与相变进程分别提升1.67、2.09与2.74倍。无日照凝固阶段评估显示，多孔泡沫较仅翅片构型缩短冻结时间16.17%，全增强特征下最快凝固时间为3420 s。结果凸显了在太阳能PCM-TEG混合系统中组合多种增强技术的有效性与新颖性，有望实现更高效、紧凑且多功能的太阳能储能技术。
研究背景方面，集中式太阳能热系统作为可持续捕获与储存太阳能的有利途径，常采用抛物面槽式反射器与双管换热器构成紧凑高效构型，并可通过热电发电机（TEG）基于塞贝克效应直接将温差转为电能，实现热储与发电协同，尤其适用于离网地区。然而传统系统面临石蜡类相变材料（PCM）导热系数低、废热利用不充分瓶颈，既往研究多孤立考察翅片、纳米颗粒或多孔介质单一手段，鲜见将纳米增强相变材料（NEPCM）、翅片、多孔介质与TEG集成于同一紧凑单元，并以抛物面焦线双管构型接收聚光通量的综合探索。为此，研究人员开展一项新型混合热电系统数值研究，旨在同步突破传热迟滞与电能回收双重限制。
关键技术方法上，研究人员构建位于抛物面集热器焦线的双管换热器：内管填装RT35-HC石蜡为基材的相变材料，掺入0.05 vol%单壁碳纳米管（SWCNT）形成NEPCM，并嵌入十字形金属翅片；环隙水侧布设铜多孔泡沫，外管外壁贴附TEG模块。太阳辐照固定810 W/m2，初温307.15 K，弱自然对流风速0.2 m/s。光通量分布由SolTrace光线追踪确定，非稳态三维瞬态行为由ANSYS FLUENT求解，涵盖连续方程、动量方程及熔凝相变模型，共设9个工况（5熔化4凝固），见表1分类。
研究结果部分，按原文小节依次归纳。“2. New design of concentrated solar system”节阐明系统构型与物理建模域，给出NEPCM有效物性（密度、比热、有效导热系数）算式与表1工况矩阵，确立SWCNT体积分数0.05 vol%与十字翅片、铜泡沫孔隙率设定。“引言”综述指出，单独使用铜管PTSC效率可达74.5%，ZnO纳米流体最优浓度4%流量80 L/h，SWCNT-石蜡复合可加速太阳热响应，多孔泡沫临界孔径随孔隙率与温度增大而减小，TEG结合铜网可令电输出增约656.6%，印证多技术耦合潜力。摘所示量化结论：PCM侧SWCNT+十字翅片使热效率、储能量、液相分数分别+53.32%、+63.12%、+74.21%；仅水侧铜泡沫带来总效+2.64%、储能+24.74%、液相+28.66%；全耦合相对基准总效、容量、相变进度倍率1.67、2.09、2.74；断日凝固中泡沫比仅翅片缩时16.17%，全特征最快3420 s。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出：尽管太阳能热储取得进展，传统系统仍受PCM低导与废热欠用困扰，多数既往工作聚焦单技术，罕将SWCNT-NEPCM、十字翅片、铜多孔泡沫与TEG同构于抛物面焦线双管单元。本工作经SolTrace与FLUENT联合框架证实，多技术同体可同步缓解熔凝迟滞、放大TEG端温差、回收废热为电，全增强下储释循环加快且电输出可行。该集成思路在太阳能PCM-TEG驱动混合体系尚属少见，为高效、紧凑、多功能可持续热技术提供新路径。论文发表于《Energy Conversion and Management-X》。
