光诱导等离子体增强的复合相变材料，用于同时实现热能存储和太阳能热电发电

《Journal of Energy Storage》：Light-induced plasmon-enhanced composite phase change materials for concurrent thermal energy storage and solar thermoelectric power generation

　　

## 摘要

本研究提出了一种等离子体工程复合相变材料（PCM）浆料，通过体积光热吸收实现增强的太阳能热储能（TES）和热电能量转换。该系统将金属-有机核壳纳米粒子分散于PCM介质中，使太阳能能够直接沉积在整个流体体积内，而非仅局限于表面加热。对Ag、Au、Cu和Al纳米壳的吸光与散射特性进行了分析，揭示了由壳层组分和几何构型调控的强等离子体增强效应及可调谐光谱行为。结果表明，基于银的结构在可见光范围内具有最高的吸收效率，而壳层厚度和界面形貌显著影响吸收主导与散射主导之间的转变，从而控制体积热生成。与基于水的参考体系相比，等离子体粒子的集成使TES提升约35%–50%，具体取决于PCM类型和纳米粒子构型。正十六烷和正十八烷因具有高潜热容量和理想的相变行为而表现出更优的性能。将储能介质与热电模块耦合后，热梯度形成和能量收集能力均得到提升，功率输出超过了传统基于水的系统。总体而言，本研究强调了等离子体体积吸收与潜热储能在提升集成太阳能热-热电系统性能方面的协同作用。

## 引言

实现高效的太阳能利用既需要高性能的能量捕获，也需要可靠的储能和转换框架，以缓解时间上的间歇性并平衡能量供应与消耗。尽管光伏技术在太阳能发电方面占据主导地位[1]，但太阳能热系统在大规模储能以及需要热量或低品位功率转换的应用中具有独特优势[2]。近年来，越来越多的关注被投向了集成TES[3]与二次能量转换装置[4]的混合太阳能热系统，旨在最大化入射太阳辐射的整体?利用率[5]。在这一背景下，PCM已成为紧凑型热能储存的有前景的候选材料[6]，而热电发电机（TEG）则为将储存的热能直接转换为电能提供了固态途径[7]。由于传热、温度调控以及将储存的热能高效传递至热电装置等方面的限制，TES与热电转换的有效集成仍面临重大挑战。这些限制会削弱TEG两端的温度梯度，而温度梯度直接决定电功率输出，从而降低集成太阳能热储与发电系统的整体效能。

与水和油等传统显热储存介质[8]相比，PCM的独特优势在于其能够通过潜热在近乎恒定的温度下储存和释放大量能量。这一特性使其能够在间歇性太阳辐射下实现有效的热缓冲，并在放电过程中维持更稳定的热输出[9]。已有大量研究针对PCM基热系统在太阳能集热器[10]、建筑围护结构[11]、热管理系统[12]、储能单元[13]和氢能应用[14]等领域进行了探索，其中PCM对温度调控、储存容量和负荷转移均做出了贡献。例如，Zhang等人[17]研究了通过高导热柱翅片结构增强的PCM热沉，以改善在高热流密度下的温度调控。实验表明，约25根柱翅片的最佳构型使最高温度相比纯PCM热沉降低了约30°C。Zhang等人[18]数值研究了一种采用双PCM的立式螺旋盘管潜热TES系统，发现将高熔点PCM置于顶部可改善传热均匀性，使顶入口和底入口工况的传热速率分别提高21.9%和28.2%。在PCM温差为5 K时达到最佳性能，对应于最小的机械能耗和最高的能效。

尽管PCM具有优越的能量储存特性，但其实际应用常常受到固有的低导热性的限制，这抑制了内部热传输，导致温度场不均匀、减缓充放热动力学过程，并降低了储存潜热的有效提取和利用效率[19]。在太阳能驱动的热系统中，这些限制尤为突出，因为快速能量吸收和高效热量传递对于维持高系统性能至关重要。已有多种增强策略被提出以应对这些限制，包括金属翅片[20]、高导热添加剂[21]和封装技术[22]，但其中许多方法引入了额外的复杂性、成本或设计约束。Yang等人[23]数值研究了采用低熔点金属PCM的板翅增强热沉，用于受85°C临界温度限制的高热流芯片热管理。研究证实，增加PCM潜热和导热率以及引入翅片可延长有效热控制时间并降低芯片温度不均匀性，而采用不同金属PCM的两阶段联动则可实现双恒温度调控。Rolka等人[24]实验研究了通过添加石墨烯纳米片（GNP）和TiO?纳米粒子（1–5 wt%）增强低温PCM RT22导热性的方法，用于建筑采暖制冷应用。结果表明，GNP提供的导热增强效果优于TiO?，在5 wt%时达到最大固态导热率0.67 W/m·K，但热容量降低了6–27%。尽管这些增强策略可以改善PCM内部的热传输，但它们往往引入额外的材料复杂性、更高的制造成本和设计约束，可能阻碍大规模应用。因此，大量研究努力已转向开发能够同时增强传热并保持高潜热储存能力的替代性TES概念。

在这些方法中，PCM浆料因其作为多功能潜热储存介质的一类而日益受到关注。在此类系统中，微米或纳米级封装的PCM粒子悬浮于载液中[26]，从而将PCM的高储能密度与液体固有的流动性和传热能力相结合。这一独特组合实现了增强的热传输、改善的温度均匀性、降低的热阻以及可调的热物性。先前的研究表明，浆料性能强烈依赖于PCM材料[27]、浓度[28]、壳层材料[29]以及悬浮液的流变行为[30]。与块状PCM相比，浆料系统可提供更灵活的热管理和改善的传热特性，使其特别适用于紧凑型太阳能集热器和热交换器[32]。Xu等人[33]开发了一种结合直接吸收太阳能收集系统与浆料的DPTW系统，并通过经验证的仿真表明，该系统显著改善了冬季热舒适度，将供暖需求减少了39%，太阳能占比提高了最多45%。

Zhiwei等人[34]开发了一种具有可变光学衰减系数的辐射-相变耦合框架，并表明熔融盐PCM浆料中的辐射衰减随温度降低，在接近完全熔化时急剧下降。较高的进料比和较大的粒径显著提高了熔化速率，进料比为0.5时提高了93.2%，85 μm粒子相比10 μm粒子提高了9.0%。Ashagre和Rakshit[35]对双管换热器中微封装PCM浆料的流动进行了详细研究，揭示了粒子浓度对耦合压降特性和传热增强的关键控制作用。最高传热系数出现在15%体积分数处，而粒径大于100 μm时性能有所提升。Keshavarz等人[36]通过含壳聚糖壳的微乳液聚合合成的纳米封装PCM（NEPCM），实验研究了壳管式换热器中利用纳米流体进行的传热增强。在最优NEPCM体积分数10.55%时，最大?效率达到73%。尽管具有这些优势，但大多数PCM浆料研究主要聚焦于传热增强、压降特性和TES容量，对其与能量转换技术的集成则关注相对有限。因此，PCM浆料作为TES介质和动态热量传递平台用于发电的潜力尚未得到充分探索。

TEG通过塞贝克效应提供了一种将热梯度直接转换为电能的固态途径[37]。其紧凑性、可靠性以及利用低品位热的能力使其特别适用于与太阳能TES系统集成。近年来，TEG越来越多地与基于PCM的热储存单元耦合，以在间歇性加热条件下延长发电时间，并在太阳能供应减少期间利用储存的热能[38]。然而，大多数报道的PCM-TEG构型采用块状或封装的PCM，主要作为被动热缓冲器。虽然此类设计可以缓和温度波动，但其性能仍强烈依赖于维持热电模块两端的持续温差。例如，Chargui等人[39]提出了一种集成菲涅尔透镜、PCM热储存和TEG的混合太阳能系统，工作流体温度高达200°C，热效率约97%，PCM日储存容量为2–7.2 kWh·m?2，电效率高达4.3%。Luo等人[40]设计了熔点在60°C和90°C的光热PCM太阳TEG，以在波动的真实太阳辐射下稳定发电。实验结果表明可持续运行长达12.93小时，这得益于有效的热能管理和优化的传热结构。在夏季条件下，该装置的最大开路电压达到6.10 V，输出功率为10.63 W，峰值光电转换效率为9.37%。

Singha等人[41]对中空圆翅片、热电制冷制热、纳米氧化铜掺杂PCM和内壁反射器对孟加拉国沿海地区太阳能蒸馏器产水量的协同影响进行了实验评估。全改进系统日淡水产量达到2.10 L/m2，比传统蒸馏器提高了118.7%，能效为65.77%，淡水生产成本约为0.045美元/L。Mortazavi等人[42]探索了食用油作为天然PCM用于热电发电、热储存和太阳能吸收的应用，发现椰子油性能最佳，而羊尾油表现最低。添加碳化锯末和氧化铁纳米粒子使储存效率提高了最多62%，?效率提高了约10%。虽然这些方法可以减少热波动，但它们往往引入额外的热阻，阻碍TEG两端的温度梯度，而温度梯度是电功率输出的主要驱动力。因此，引入PCM的收益往往被瞬时发电下降所抵消，这凸显了改善储能介质与TEG界面之间热耦合和热传递路径的必要性。

尽管在PCM、PCM浆料和PCM辅助TEG领域已有大量研究，但这些领域在很大程度上沿平行但弱集成的轨迹发展。现有的PCM-TEG研究主要采用固态或封装PCM构型，其中PCM主要作为被动热缓冲器，从而未能充分利用浆料基PCM实现体积热传输、增强界面热交换以及在相变过程中浮力驱动两相对流的能力。与此同时，光热复合PCM的研究主要集中在提高太阳能吸收率和充热动力学方面，而未延伸至闭环太阳能热系统、耦合热电发电或内部生成流结构对能量转换装置热量传递的影响。

据作者所知，尚无先前的研究探讨了闭环太阳能热系统中由光学活性等离子体壳复合PCM粒子构成的相变浆料同时充当体积太阳能吸收器、潜热储存介质和用于热电能量转换的分布式热源，同时明确解析熔化与凝固相关的多相流物理。这一空白界定了在等离子体光热材料、多相传热以及集成太阳能-热-电能源系统交叉领域中的一个关键未满足需求。

本研究通过提出并数值研究一种基于光热复合相变浆料的混合太阳能热能量概念来填补这一空白。所提出的框架不同于传统的表面加热和块状PCM构型，能够实现体积光热吸收、增强的内部热量再分配和可控的热释放特性。在该系统中，复合PCM粒子被设计为执行多种功能，既作为等离子体增强的体积太阳能吸收器，又提供潜热储存并在浆料内促进动态热量传递。

这种材料层面的设计与一个二维多物理场数值模型相结合，该模型能够捕捉两相浆料区域中等离子体诱导的体积加热、相变驱动的浮力对流和有效热扩散的耦合效应。

在系统层面，该模型阐明了粒子尺度界面特性、流动诱导的热能再分配以及外部边界条件如何共同决定贯穿热电发电（TEG）器件的持续温度梯度，从而直接影响电能输出。本研究在统一框架下整合了等离子体复合相变材料浆料设计、多相传输物理以及热电转换分析，为等离子体壳复合相变材料浆料在太阳能蓄热与低品位电力生产同时应用方面提供了全面评估。在本构型中，热电模块被视为受控的取热边界，使得能够对储能介质中的热释放行为和温度梯度演化进行系统评估。章节摘要方法论本部分概述了物理模型与系统构型，给出了数学公式，并描述了数值方法，包括网格无关性分析与模型验证。结果与讨论本部分全面考察了面向混合太阳能蓄热与发电开发的相变核壳纳米结构的光学、热学与热电耦合响应。结果揭示了等离子体增强的光热吸收、相变驱动的潜热储存以及热电能量转换是如何受到界面形貌、组分材料属性和外部工作条件的共同调控的，从而揭示了结论基于相变核壳纳米结构的混合太阳能蓄热与热电发电架构，通过一个跨越多个物理尺度、耦合等离子体增强光热吸收、潜热储存与热电能量转换的统一框架进行了系统分析。所提出的构型实现了相变浆料中的体相太阳能吸收、向热电发电器件的高效输热以及向环境的持续排热，从而利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。致谢作者衷心感谢哈利法科学与新技术大学（资助编号：RIG-2023-045 和 RIG-2025-062）提供的资金支持。作者贡献声明Oguzhan Kazaz：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念化。Eiyad Abu-Nada：写作——审阅与编辑、监督指导、软件、资源、项目管理、方法学、资金获取、形式分析、概念化。Oguzhan Kazaz|Eiyad Abu-Nada哈利法大学机械与核工程系，阿布扎比，阿拉伯联合酋长国，邮编：127788