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作者及发表信息
本研究由Jayaprakash V（Sathyabama Institute of Science and Technology）、Ganesan S（同机构）、Beemkumar N（Jain University）、Sunil Kumar M（同机构）、Kamakshi Priya K（Saveetha University）及Nandagopal Kaliappan（Haramaya University和Dhanalakshmi Srinivasan College of Engineering）合作完成，发表于期刊Results in Engineering（2025年，第25卷，文章编号104395）。
学术背景
研究领域：本研究属于热能存储（Thermal Energy Storage, TES）领域，聚焦于相变材料（Phase Change Material, PCM）的优化应用。
研究动机：工业应用中，传统能源依赖导致高成本与环境污染问题。太阳能虽可再生，但其间歇性供应限制了实际应用。因此，开发高效TES系统以存储太阳能并在非峰值时段释放，成为减少化石燃料依赖的关键。
科学问题：PCM的低导热性限制了其储能与释能效率。为解决这一问题，研究提出通过翅片封装（finned encapsulation）和级联系统（cascaded system）设计提升热传递性能。
研究目标：
1. 比较不同金属（铜、黄铜、不锈钢）封装对PCM热性能的影响；
2. 评估环形翅片（annular fins）对充/放能效率的提升；
3. 分析级联TES系统（结合两种PCM：赤藓糖醇（erythritol）和木糖醇（xylitol））的协同效应。
研究方法与流程
1. 实验设计与材料
- PCM选择：
- 赤藓糖醇（熔点118–120°C，潜热335.3 kJ/kg）用于高温段储能；
- 木糖醇（熔点90–93°C，潜热248 kJ/kg）用于低温段储能。
- 封装材料：铜、黄铜、不锈钢，均焊接环形翅片以增大热交换面积。
- 热传输流体（HTF）：Shell S2矿物油（耐温340°C）。
2. 实验装置
- 太阳能集热系统：3 m²抛物面碟式集热器（反射率96%），搭配铝制接收器。
- 储能单元：两个PCM储罐（PCHES 1和2），分别填充赤藓糖醇和木糖醇，采用级联设计（高温PCM在前）。
- 数据采集：K型热电偶监测PCM温度变化，数据采集器记录充/放能过程。
3. 实验流程
- 充电过程：HTF从太阳能集热器流入高温PCM储罐（赤藓糖醇），再流经低温储罐（木糖醇），PCM吸热熔化。
- 放电过程：HTF流向反转，低温HTF先通过木糖醇储罐，再经赤藓糖醇储罐，PCM释放热量凝固。
- 性能参数：
- 充能效率（η_charging）= PCM储能总量 / 太阳能辐射输入；
- 放能效率（η_discharging）= HTF温升热量 / PCM释能总量。
4. 数据分析方法
- 通过公式计算热传递速率（如式1-2）及系统总效率（式9）；
- 对比不同封装材料的充/放能时间、能量转移量及成本效益。
主要结果
铜封装表现最佳：
- 赤藓糖醇充能效率达3901 kJ，放能效率3579.6 kJ，因铜的高导热性（401 W/m·K）缩短相变时间60分钟。
- 木糖醇充能效率2442.24 kJ，放能效率1956.3 kJ。
不锈钢性价比最高：
- 虽热性能略低（赤藓糖醇充能3287.6 kJ），但成本仅为0.308 INR/kJ（放电）和0.27 INR/kJ（充电），适合大规模应用。
翅片显著提升效率：
- 环形翅片使熔化时间缩短43%，均匀化温度分布（提升34.72%），与文献[27-28]结论一致。
级联系统优势：
- 双PCM设计利用温度梯度，总储能比单PCM系统提高15–25%，验证了级联TES的可行性。
结论与价值
科学价值：
- 证实铜封装+环形翅片是提升PCM热传递的最优方案；
- 提出级联TES系统的工程化设计参数，为太阳能储能提供新思路。
应用价值：
- 可替代传统能源用于学校厨房、工业干燥等场景，降低碳排放；
- 不锈钢封装方案兼顾性能与成本，适合发展中国家推广。
研究亮点
- 创新方法：首次系统比较三种金属封装+环形翅片对PCM性能的影响；
- 跨学科结合：融合材料科学（PCM选择）、热力学（翅片设计）及能源工程（级联系统）；
- 数据全面性：50次重复实验确保结果可靠性，并公开成本分析模型。
其他有价值内容
- 研究引用多篇前沿文献（如Li et al. 2024的翅片优化、Ghasemi et al.的级联系统经济性分析），体现学术严谨性；
- 实验细节公开（如HTF属性、热电偶布局），便于同行复现。
（报告总字数：约1500字）