集成相变材料的太阳能平板集热器热存储性能评估

《Scientific Reports》：Performance evaluation of solar flat plate collectors integrated with phase change materials for thermal storage

　　

摘要

太阳能平板集热器（FPCs）广泛应用于低温热系统，但受限于太阳辐射的间歇性、热存储容量小以及传统相变材料（PCMs）热导率较差等问题。本文提出了一种新型石墨烯增强相变材料配回声状态网络优化的太阳能集热器（GPCM-ESN-SC），该集热器结合了受自然启发的分形翅片结构的石墨烯增强相变材料、基于同步压缩小波变换（SWT）的热信号分析技术，以及用于智能实时热预测与控制的回声状态网络（ESN）。石墨烯增强相变材料与分形翅片结构所具有的均匀传热及快速热充/放电特性，使得同步压缩小波变换（SWT）能够提取高分辨率的瞬态热特征，从而允许基于回声状态网络（ESN）准确预测瞬态热特征。模拟结果表明，该方案可将热效率提高约 5–12%，将预测误差降低至均方根误差（RMSE）为 1.72 ± 0.06 °C、平均绝对误差（MAE）为 0.98 ± 0.08 °C 的水平，在无太阳能条件下增强热存储能力，并使热输出比传统带相变材料的平板集热器更加稳定。所提出的框架不仅能够准确预测瞬态热响应，还为未来整合自适应控制策略提供了计算高效的热能管理方案。这些改进体现了结合先进热材料、分级传热结构和轻量级人工智能，以构建高性能下一代太阳能热储能系统的工程潜力。