相变材料增强型太阳能空气加热器的实验研究

作者及发表信息

本研究由土耳其Erciyes University航空与航天工程系的Ismail Ata和Yunus Erkam Ozselcuk合作完成，发表于Engineering Science and Technology, an International Journal（2025年8月）。

学术背景

研究领域与背景

太阳能空气加热器（Solar Air Heater, SAH）是一种将太阳能转化为热能的热交换器，广泛应用于农产品干燥、空间供暖等领域。然而，在阴天或夜间，由于缺乏实时太阳能输入，其热性能显著下降。为解决这一问题，研究者提出利用相变材料（Phase Change Material, PCM）存储热能，以弥补太阳能供应的不稳定性。

研究动机与目标

本研究旨在通过实验分析一种新型太阳能空气加热器的热性能，该加热器在吸热板下方集成了带有矩形翅片的相变材料（商用石蜡）储热单元（Thermal Energy Storage Unit, TESU）。研究目标包括：
1. 比较使用与不使用PCM的SAH在两种辐照强度（800 W/m²和1000 W/m²）及两种质量流量（0.002 kg/s和0.003 kg/s）下的热存储能力；
2. 评估PCM对热恢复时间的影响；
3. 量化系统的储能量，并分析翅片结构对热传导的增强作用。

研究方法与流程

实验装置设计

研究团队设计了一种新型太阳能空气加热器，主要组件包括：
1. 吸热板：铜制材料，表面涂覆黑色哑光漆以增强吸热效率，并集成矩形翅片（25 mm × 110 mm）以扩大热交换面积。
2. 储热单元（TESU）：位于吸热板下方，填充商用石蜡（熔程52–68°C），周围采用聚氨酯泡沫隔热以减少热损失。
3. 人工辐射源：使用3盏150 W红外灯模拟太阳辐射，辐照强度通过太阳辐射计校准为800 W/m²和1000 W/m²。
4. 流体控制系统：通过直流风扇调节空气流量（0.002 kg/s和0.003 kg/s），风速由数字风速计测量。

实验流程

实验分为两个阶段：热存储（充电）和热恢复（放电）。
1. 无PCM的实验：
- 热存储阶段：红外灯持续照射40分钟，直至吸热板表面温度达到石蜡熔点。
- 热恢复阶段：关闭红外灯，记录流体进出口温差降至3°C所需时间。
2. 含PCM的实验：
- 热存储阶段：持续加热直至TESU底部热电偶显示温度达到60°C（石蜡平均熔点）。
- 热恢复阶段：同样以温差3°C为终止条件。

数据采集与分析

• 温度测量：使用K型热电偶监测吸热板表面、TESU底部及流体进出口温度，数据通过Pico TC-08数据记录仪采集。
  
• 储能量计算：基于热力学第一定律，分别计算吸热板的显热存储（公式6）和石蜡的显热与潜热存储（公式8-11）。
  
• 不确定性分析：采用Kline-McClintock方法评估测量误差，确保温度、流速和辐射强度的数据可靠性。
  

主要研究结果

温度动态变化

1. 无PCM的SAH：
   
   • 最高吸热板温度达75.2°C（1000 W/m²，0.002 kg/s），最低为62°C（800 W/m²，0.003 kg/s）。
     
   • 质量流量增加导致表面温度降低（如1000 W/m²下，流量从0.002 kg/s增至0.003 kg/s时，温度下降8.8%）。
     
2. 含PCM的SAH：
   
   • 吸热板温度稳定在63.7–65.6°C，接近石蜡熔点，表明PCM通过相变吸收多余热量，维持温度均匀性。
     

热恢复时间

• 无PCM时，热恢复时间最短为24分钟（800 W/m²，0.003 kg/s）；而使用PCM后，最长恢复时间达325分钟（1000 W/m²，0.002 kg/s），延长了7.74倍。
  
• 高流量（0.003 kg/s）下，热恢复时间平均减少22.4%，因流体更快带走热量。
  

储能量比较

• 无PCM的SAH仅通过吸热板存储显热，最大储能量为15.4 kJ；
  
• 含PCM的SAH结合显热与潜热存储，最大储能量达477.4 kJ（1000 W/m²，0.002 kg/s），提升约34.6倍。
  

结论与价值

科学意义

1. PCM的储热优势：石蜡的相变潜热显著延长了SAH的热能供应时间，解决了间歇性太阳能供应的瓶颈问题。
   
2. 翅片结构的作用：矩形翅片增强了热传导效率，使PCM的热能分布更均匀。
   
3. 参数优化指导：实验表明，低流量（0.002 kg/s）和高辐照（1000 W/m²）组合可实现最佳储热性能。
   

应用价值

该设计可推广至农业干燥、建筑供暖等需稳定热源的领域，尤其在太阳能波动较大的地区具有实用潜力。

研究亮点

1. 创新设计：首次将矩形翅片与PCM结合于SAH，并量化其对热恢复时间的改善效果。
   
2. 实验方法：采用人工辐射模拟真实环境，确保数据可比性；通过DSC（差示扫描量热法）精确测定石蜡熔融热（149 kJ/kg）。
   
3. 未解决问题：长期热循环稳定性、不同PCM类型的影响等仍需进一步研究。
   

其他有价值内容

• 研究者对比了文献中多种PCM应用方案（如铝吸热板、蜂窝结构等），凸显了本研究的独特性。
  
• 未来可探索纳米颗粒或金属泡沫与PCM的复合使用，以进一步提升热导率（如文献24中提及的熔融时间减少89.68%的案例）。