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摘 要 太阳能集热器固有的间歇性和季节性特征，使其运行稳定性常受到挑战，而相变材料(PCM)凭借其出色的储热密度和恒温相变特性，被视为一种极具潜力的能源载体，为加强集热器稳定性开辟了新的研究路径。本文介绍了相变储热技术与太阳能集热器集成的能量分析方法和㶲分析方法，得出集成式集热器性能评价指标和经济性分析指标，同时概述了集成式集热器中PCM的两种主要封装方式，几何封装和整体封装，而且不同类型集热器所采用的封装方式不同。接着详细探讨了集成PCM对平板集热器、真空管集热器及光伏/热(PV/T)集热器性能和经济性的影响，并针对PCM导热性不佳的问题，综述了当前优化集成式集热器性能的主要技术，包括添加翅片以增大换热面积、提升PCM自身的导热性及应用微热管技术以提高传热效率三种强化传热技术。最后，综合评估了集成PCM对太阳能集热器综合性能及经济性的影响，并对集成式集热器的优化方向和研究重点进行了展望，旨在进一步提升其实用性，为促进可再生能源的高效、广泛应用贡献力量。
关键词 太阳能集热器；相变储热；集热器效率；强化传热
在太阳能利用方式中，光热利用凭借其绿色环保、节能高效的优势，在生活中得到了多方面的广泛应用。作为光热利用的核心装置，太阳能集热器的效率和运行时间受限于太阳辐射间歇性和季节性，这往往导致集热器出口温度大幅波动，并且系统供能与需求在时间和空间上存在不匹配的问题。因此，科研人员持续致力于集热器的优化与改进，其中集成相变储热技术是集热器优化研究的一个主要方向。
相变储热技术是利用物质相态改变时吸收或释放大量热能的特性来储、放热量，具有储能密度大(是显热储能的2~10倍)、恒温相变和热能存取简单等优点，用于这类储热技术的材料称为相变材料(phase change material，PCM)。
通过引入PCM的太阳能集热器，实现了集热与储热功能一体化，这一创新设计显著提高了对太阳能的综合利用效率，并减少了太阳能热系统对额外储热设施的需求。近年来，太阳能集热器与相变储热技术集成的研究成果备受关注，Khan等深入探讨了集热器与PCM的集成设计原理，发现增大PCM与吸热板间的接触面积能显著提高出口温度，还总结了集成式集热器的发展趋势；Sadeghi等对相关的实验研究进展进行了全面梳理，发现PCM的选择与集热器的工作温度相关，且集成PCM能显著提高集热器的热效率。然而，目前关于集成式集热器性能表现和经济性评估方面的综述较少。为弥补这一研究空白，本文系统地回顾并总结了PCM与平板集热器、真空管集热器及PV/T集热器集成的研究进展，以期为相关领域未来的研究工作提供参考和指导。
1 集成式太阳能集热器理论分析
集成式太阳能集热器的理论分析常用的方法有能量分析法、㶲分析法以及经济性分析。图1 为能量和㶲分析示意图。
图1 能量和㶲分析示意图
1.1 能量分析法
1.1.1 数学模型
能量分析法是基于热力学第一定律，从能量的数量角度对集热器能量转化效率进行评估，详细分析能量在集热器中的输入、输出、转换和损失情况，其核心目标是量化评估集热器的能量效率，为提高集热器能效提供理论支持。
在稳态条件下，集成式集热器的能量平衡关系用式(1)表示。
式中，QA、Qu、Ql、Qst分别为单位时间内投射到集热器上的太阳总辐能、获得的有用能、损失的能量、PCM储存的能量，W。
投射到集热器上的太阳总辐射能，可用式(2)表示。
式中，A为集热器采光面积，m2；J为太阳辐照度，W/m2。
集热器获得的有用能为传热工质吸收的能量，可用式(3)计算。
式中，m为流体质量流量，kg/s；cp为流体比热容，J/(kg·K)；Tin、Tout分别为工质进、出口温度，K。
与普通集热器不同的是集成式集热器可以在PCM中储存热量，储热量用式(4)表示。
式中，MPCM为相变材料质量，kg；CPCM,s、CPCM,l分别为相变材料固态、液态比热容，J/(kg·K)；Tm、TPCM,i、TPCM,f分别为相变材料熔点温度、初始温度、最终温度，K；Hf为相变材料潜热值，kJ/kg。
1.1.2 性能评价指标
集热器热效率和日平均热效率计算公式如式(5)和式(6)所示。
PV板电效率和日平均电效率计算公式如式(7)和式(8)所示。
式中，Pm 为光伏组件最大功率，W；G为光伏组件表面入射光的辐照度，W/m2；APV为光伏组件面积，m2。
PV/T集热器的整体效率为电效率与热效率之和，计算公式如式(9)所示。
式中，r为封装系数，定义为光伏面积与集热器采光面积之比。
1.2 㶲分析法
1.2.1 数学模型
㶲分析方法是融合热力学第一和第二定律，从能量的“质”和“量”两个维度来全面评价集热器的效率。与能量分析方法相比，这种方法更注重能量的质量，强调能量的有用性和做功潜力。通过㶲分析能发现集热器中㶲损产生部位、大小和影响因素，为集热器设计优化提供精确且有针对性的指导。
在稳态条件下，集成式集热器的㶲平衡方程用式(10)表示。
1.2.2 性能评价指标
㶲效率和日平均㶲效率计算公式如式(15)和式(16)所示。
1.3 经济性分析
集成式集热器的核心目标是提升集热量，降低产热成本。为深入了解这一技术的应用潜力和发展趋势，需对集热器的投资回报与成本效益进行详细分析。
集成式集热器年化成本(AAC)由式(17)计算。
2 集成式太阳能集热器中PCM封装
利用PCM进行储放热时材料会发生固-液相态转换，易发生泄漏问题。因此，在太阳能集热器中集成PCM时需采用合适的封装技术，以确保集热器的稳定性和安全性。目前，集成式集热器中常用的封装方式有几何封装和整体封装，不同的封装形式对集成式集热器性能有一定影响。
2.1 几何封装
几何封装是把PCM封装在金属或塑料的圆柱管、长方体、球体等容器中作为储热单元，由多个相变储热单元组成集热器的储热系统。这种封装方式储热单元与传热介质可充分接触，有助于PCM的熔化和凝固，提升储放热效率。Krishnananth 等把石蜡封装在圆柱形铝容器中作为储热单元，研究了储热单元在双通道太阳能集热器中放置位置对集热器性能的影响。结果表明，储热单元放在吸收板上面的设计性能最好。Arfaoui等设计了一款具有储热功能的紧凑型太阳能空气集热器，储热系统由两层封装有PCM的球形储热单元组成。华维三等把复合三水乙酸钠封装在球形容器中作为储热单元，基于相变储热球体设计了一种新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器。Raj等通过数值模拟研究了集热器参数对矩形封装石蜡相变特性的影响。Sudhakar等提出在吸热板表面球形容器中封装PCM的设计，以扩大传热面积，实验结果表明，集成球形封装PCM可以提高集热器的出口空气温度和热效率，图2是PCM球形封装示意图。
图2 PCM球形封装示意图
2.2 整体封装
整体封装是根据集热器结构把PCM作为一个整体集成在集热器中，这种封装方式能够提升集热组件与储热单元间的传热效率，减少热损失、提高热利用率。Yang等研究了光伏板底部整体封装PCM对PV/T性能的影响，结果表明，集成PCM使PVT的热效率提高了11.49%，电效率提高了1.18%。Bazri等提出把PCM整体封装在真空管集热器公共歧管中的紧凑型设计，通过数值研究发现，该集热器比普通集热器的热性能更好。Pawar等提出一种在热管式真空管集热器的真空内管中充满PCM的设计，能够延长集热器的运行时间。Verma等根据平板双通道太阳能空气集热器结构把PCM整体封装在吸热板下方，并通过数值模拟分析发现，质量流量为0.05 kg/s时集热器热效率最大，PCM整体封装结构如图3所示。Brahma等提出在太阳能空气集热器吸热板底部整体封装PCM的设计，并研究了不同种类PCM对集热器热性能的影响，结果表明，集成PCM提高了集热器出口空气温度，且集成石蜡的集热器热效率最高。
图3 PCM整体封装示意图
3 集成式太阳能集热器研究进展
基于相变储热的集成式太阳能集热器是在太阳能集热器中集成PCM，利用PCM恒温相变、高储热密度的特性优化集热器性能。本节主要讨论平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器和PV/T太阳能集热器与PCM集成的性能和经济性。
3.1 平板集热器
平板集热器因其结构简单、稳定性好而应用最广，但存在热损失大、效率低的问题，而集成PCM可以降低热损失，提高集热效率和稳定性，图4是集成式平板集热器示意图。El Khadraoui等研究了集成PCM对集热器热性能的影响，结果表明，集成PCM使集热器出口空气温度提高了3~7 ℃，日平均热效率提高了16%。Muthukumaran等研究了集成螺旋管封装的相变储热单元对太阳能空气集热器热性能的影响。实验结果表明，集成螺旋形储热单元使集热器日平均热效率和㶲效率分别提高了28.13%和0.9%。Vengadesan等对比分析集成圆柱形封装PCM的太阳能集热器与普通集热器的热性能。结果表明，集成式集热器的总有效集热量增加了60.5%，顶部热损失减少了37.7%。Tuncer等通过数值模拟和实验方法分析了集成相变储热单元的集热器与普通集热器的热性能。集成PCM使集热器平均热效率最大提高了39.23%，平均㶲效率提高了3.42%。
图4 集成式平板集热器示意图
研究人员针对PCM种类、封装形式、集热器结构和流量等参数对集热器性能的影响进行了研究。Koca等提出一种在平板集热器底部充满CaCl2·6H2O、两侧装有反射面的新型设计，并对该集热器进行了热性能分析。Bouadila等研究了集成球形封装PCM填充床的太阳能空气集热器热性能，该集热器具有很好的稳定性，受太阳辐射波动的影响较小。Ghiami等研究了不同流量下集成式太阳能空气集热器的热性能。结果表明，在0.017 kg/s的流量下，集热器的日平均热效率和㶲效率最高。Raj等对比分析了PCM矩形封装和圆柱形封装对太阳能空气集热器热性能的影响。结果表明，圆柱形封装的储放热效果更好，集热器的热效率更高。Ahmadi等通过数值模拟研究了相变储热单元放置位置对集热器热性能的影响，结果表明，储热单元最佳放置位置是集热器末端，且间距为15 cm时，平均热效率最高。Brahma等研究了集成石蜡、硬脂酸和乙酰胺的集热器热性能，在相同条件下测试发现，集成硬脂酸的集热器热效率最高，集成乙酰胺的集热器㶲效率最高。
除了对集成式集热器的热性能进行研究外，研究人员还对集成PCM的经济性进行了研究，主要关注的经济指标是投资回收期和平准化供热成本(LCOH)。研究结果表明，集成式集热器的LCOH为0.018~0.035 USD/kWh，比普通集热器低；投资回收期通常为0.22~2.17 a。图5是太阳能空气集热器(A-Ⅰ)与集成式太阳能空气集热器(A-Ⅱ)的LCOH和投资回收期对比。
图5 A-Ⅰ与A-Ⅱ的LCOH和投资回收期对比
3.2 真空管集热器
真空管集热器热效率较高，但存在过热、热分层及用能不匹配的问题，而集成PCM可以进一步提高集热器热效率，消除过热问题，延长有效运行时间，图6是集成式真空管集热器示意图。
图6 集成式真空管集热器示意图
Papadimitratos等提出一种将PCM集成在真空管中的创新设计，并在相同条件下进行实际测试，发现该集热器热效率比传统集热器高26%。Naghavi等提出了一种在真空管集热器歧管中封装PCM的设计，在不同流速和天气条件下进行了实验测试发现，该集热器热效率波动范围约为8%，稳定性较好，且消除了热管过热和歧管中热分层的问题。Chopra等研究了集成PCM对真空管集热器热性能的影响。结果表明，集成SA-67作为储热材料，使真空管集热器的日平均热效率(DTHE)提高了32%~37%。Chopra等对比分析了集成式真空管集热器(PA-ETC)与真空管集热器(WS-ETC)的热性能。结果表明，在流量为0.4 L/h时，PA-ETC的日平均热效率最高，比WS-ETC的高24.82%；在流量为0.13 L/h时，PA-ETC的日平均㶲效率(DEXE)最高，比WS-ETC的高6.33%，图7是WS-ETC与PA-ETC的热效率和㶲效率对比图。
图7 WS-ETC与PA-ETC的热效率和㶲效率对比图
PCM种类、集热器设计参数及流量是影响集成式真空管集热器性能的主要参数。刘艳峰等研究了PCM熔点和工质质量流速对真空管集热器热性能的影响。结果表明，集成式集热器出口温度峰值最大降低了10.6 K，有效运行时间延长了1.0~3.7 h。Olfian等研究了真空管直径对集热器出口温度和PCM熔化/凝固的影响，结果表明，直径为6 mm时，PCM液体分数和流体出口温度分别提高了25%和13.5%，且日平均热效率最高提高了48.5%。Pathak等研究了流量对集成式真空管集热器热性能的影响，测试期间日累计太阳辐射量为26.93~28.50 MJ/m2，日平均温度为30.14~32.22 ℃。结果表明，集热器流量为0.50 L/min时能量效率最大，达到了86.71%；流量为0.17 L/min时㶲效率最大，达到了24.01%。Wu等研究了PCM物性参数对集成式真空管集热器的影响，结果表明，随着PCM密度、比热容和熔化温度的增加，降低了集热器的流体出口温度峰值，增加了有效集热时间。
在集成式真空管集热器的经济分析中，研究人员主要关注平准化能源成本、热水生产成本和投资回收期等经济指标。研究结果表明，集成式真空管集热器生产1 L热水的成本为0.08~0.38 USC，比普通真空管集热器(热水成本0.48~0.56 USC/L)低；投资回收期通常为3.26~6 a；平准化能源成本为2.55 INR/kWh。
3.3 光伏/热集热器
集成式PV/T集热器中，在光伏电池下方填充了PCM，利用PCM恒温相变的特性，使PV电池温度保持在最佳发电效率区间内，以提升发电效率和集热效率，图8是集成式PV/T集热器示意图。Preet等研究了集成石蜡对PV/T集热器性能的影响，结果表明，集成PCM使光伏板的表面温度降低了53%，最大电效率提高了1.94%。Gaur等通过数值模拟研究了集成PCM对PV/T性能的影响。结果表明，集成PCM对PV/T集热器的有用热能、电效率和热效率都有一定提升。Hosseinzadeh等研究了集成PCM对纳米流体基PV/T集热器(NPV/T)性能的影响。结果表明，集成PCM使NPV/T的平均电、热和整体能量效率分别提高了0.61%、11.8%和12.41%，平均热能㶲和电能㶲效率分别提高了0.71%和0.53%。Prakash等通过实验方法对比PV/T和PV/T-PCM集热器的性能。结果表明，集成PCM使集热器的平均电效率、热效率、整体能量效率和㶲效率分别提高了2.58%、20.05%、14.69%和1.57%，光伏板平均温度降低了18.29%。
图8 集成式PV/T集热器示意图
通过文献分析发现，PCM种类及厚度、PV/T流道设计和环境参数是影响集成式PV/T集热器性能的主要参数。Hossain等提出一种双侧蛇形流道设计的集成式PVT集热器，通过能量和㶲分析发现，该集热器流量为4 L/min时电效率最大，2 L/min时热效率最大，0.5 L/min时平均㶲效率最大。Su等研究了PCM熔点和厚度对集成式PV/T集热器性能的影响。结果表明，集成厚度为3.4 cm、熔点为40 ℃的PCM层使PV/T的总输出能量最大。Fayaz等研究了工况对集成式PV/T集热器性能的影响，结果表明，随着体积流量的增加，集热器的电效率和热效率均有一定程度的提升。Taqi、Al-Najjar等提出一种相关性建模的方法，并对PCM-PV/T集热器进行分析发现，发电量主要取决于太阳辐照度；热能和热㶲对环境温度和风速非常敏感；随着辐照度的升高，热能的上升效率是电能的4.5倍。
在集成式PV/T集热器的经济分析中，研究人员主要关注发电成本、生命周期转化率和投资回收期等经济指标。研究结果表明，PCM-PV/T的初期投资成本很高，但投资回收期较短，长期来看经济性较好，投资回收期通常为2.1~6 a；发电成本通常为0.026~0.53 USD/kWh，生命周期转化率通常为0.028~0.14。图9所示是PV/T与PCM-PV/T发电成本的对比。
图9 PV/T与PCM-PV/T发电成本对比
4 集成式集热器性能优化
集成PCM对太阳能集热器性能有显著提升，但也存在一些明显缺陷，最为突出的是PCM热导率较低，不利于热量储存和释放。因此，研究人员为进一步提升集成式集热器性能，在强化传热方面进行了大量研究，目前强化传热技术主要有增加翅片、提升PCM导热性能及应用微热管。
4.1 增加翅片
增加翅片能为集热组件与PCM之间的热传递提供额外表面积和热导率，有助于提高PCM储放热效率。Abokersh等研究了翅片和PCM对真空管集热器热性能的影响，结果表明，翅片对改善PCM传热特性、增强系统稳定性具有重要作用。Essa等为提高石蜡的导热性，在真空管中增加了翅片结构，研究了翅片对集热器效率和储放热速率的影响。Essa等还研究了螺旋铜翅片和传统铝翅片对集成式真空管集热器热性能的影响，结果表明，添加螺旋翅片的集热器中PCM的温度均匀性更好，集热器效率更高。Badiei等通过数值模拟研究了集成PCM和翅片对集热器热性能的影响，结果表明，翅片对集热效率的提升取决于PCM熔化温度，选择合适熔点的相变材料后，再添加翅片能够有效提升集热器热效率，结构示意图如图10所示。Singh等提出在吸热板底部加装66个圆管状翅片的设计，并对不同配置的集热器进行了对比分析。结果表明，与集成式集热器相比，带翅片集成式集热器的空气出口温度提高了5 ℃，日平均热效率提高了10%，运行时间增加了0.7 h/d。
图10 带翅片的集成式集热器示意图
4.2 提升PCM导热性
提升PCM导热性是在PCM中添加高导热性材料(如：碳基材料、金属泡沫材料和纳米材料等)，制备出具有高导热性的复合PCM，通过提高PCM的储放热效率来提升集热器性能，表1统计了3种集热器中集成高导热性复合PCM的研究进展。
表1 高导热性复合PCM的集成研究
4.3 应用微热管
微热管是一种高效的传热元件，具有良好的热传递性和温度均匀性，应用在集成式集热器中可以提升相变储热单元的储放热效率。Wang等提出一种在集成式太阳能空气集热器中应用扁平微热管阵列作为核心传热元件的设计。Wang等研究了应用扁平微热管阵列的集成式集热器的热性能，结果表明，该集热器的储放热效率分别为67.5%和98.5%，且具有很好的经济效益和环境效益。Wang等对应用扁平微热管阵列(FMHPA)的集成式太阳能空气集热器进行了实验研究。结果表明，在平均太阳辐照度为810 W/m2，平均气温为30.3 ℃时，该集热器的集热效率达到了80.59%。Tamuli等提出在集成式真空管集热器中应用微热管阵列的设计，通过瞬态数值研究发现，该设计提高了集热器的出口温度，延长了运行时间。Zhang等通过数值模拟研究了基于搭接式扁平微热管阵列的集成式太阳能空气集热器的热性能。结果表明，该集热器具有优异的热性能和良好的储放热效率。
5 结论与展望
集成相变储热技术是提升太阳能集热器性能的重要方向之一。目前基于相变储热的集成式太阳能集热器主要以平板集热器、真空管集热器及PV/T集热器等中低温集热器为研究对象。本文从理论分析方法、封装技术、性能、经济性和强化传热五个方面对集成式太阳能集热器的研究进展进行了综述，结论如下：
（1）在集成式太阳能集热器的理论分析中，最常用的是能量分析、㶲分析和经济性分析方法，关于评估环境影响方面的研究较少；
（2）PCM的选择对集热器性能有直接影响，通常选择储热密度大、体积变化小、无腐蚀性和成本低等特性的PCM，且必须进行封装，目前集成式集热器中常用的封装方式是几何封装和整体封装；
（3）平板集热器中集成PCM能降低吸热板温度，减少热损失，使热效率和㶲效率最高提高了39.23%和3.42%，并降低了平准化供热成本；
（4）真空管集热器中集成PCM能延长有效运行时间，提升热性能，热和㶲效率最高提高了37%和6.33%，并缩短了投资回收期，降低了产热成本；
（5）PV/T集热器中集成PCM使集热器平均电和热效率分别最高提高了2.58%和20.05%、平均整体能量和㶲效率分别最高提高了14.69%和1.57%，其中热效率提升较大，并能延长PV/T的使用寿命，降低发电成本；
（6）针对PCM低热导率问题，研究人员通常采用增加翅片、提升PCM导热性能及应用微热管的强化传热技术。
总之，集成PCM有利于提升太阳能集热器的性能及经济性，但受限于PCM的安全性和高成本问题，推广应用仍然较少，未来可以从开发低成本、安全的新型复合PCM、封装材料与技术等方面进行深入探索。
