Влияние ребер на ускорение плавления фазопереходного материала в сферическом накопителе тепловой энергии

Хранение солнечного тепла на потом

Современная жизнь требует стабильной энергии, тогда как солнечный свет появляется только по погоде. В этом исследовании рассмотрен простой способ сохранить дневное солнечное тепло для использования через несколько часов — с помощью специального воска, плавящегося и затвердевающего внутри металлических шаров. Добавляя тонкие металлические «ребра» в нужных местах, исследователи показывают, что можно значительно ускорить заряд и разряд такого воска, что является ключевым шагом к более надежным солнечным системам отопления и горячего водоснабжения.

Почему важно хранить тепло

Солнечные коллекторы способны нагревать воду до комфортных температур, но облака, закат и суточный спрос не совпадают по расписанию. Накопление тепловой энергии выступает буфером: оно поглощает тепло в пиковые часы солнца и отдаёт его, когда это требуется. Популярный подход использует материалы с фазовым переходом — вещества вроде парафина, которые при плавлении поглощают много энергии и отдают её при кристализации, причём при почти постоянной температуре. Проблема в том, что такие воски плохо проводят тепло, поэтому без помощи они плавятся и застывают медленно, ограничивая объём полезного тепла, который можно переместить за день.

Сферическая ёмкость с воском

Авторы построили лабораторную систему теплового накопления, моделирующую то, что может находиться внутри солнечного водонагревателя. В её основе — стальные сферы размером примерно с маленькую дыню, каждая заполненная одним килограммом парафинового воска, плавление которого происходит около 60 °C — хорошее совпадение с температурой солнечно нагретой воды. Горячая вода, выступающая в роли теплоносителя, циркулирует вокруг этих сфер при двух температурах — 70 °C и 75 °C, а датчики фиксируют температуры вверху, внизу, в центре и по бокам внутри воска. Сравнивая скорость плавления и повторного затвердевания воска и количество тепла, входящего и выходящего из системы, исследователи оценивают различные варианты конструкции сфер.

Четыре способа установки металлических ребер

Чтобы помочь в обмене теплом, сферы можно оснастить медными ребрами — тонкими лопастями, которые проводят тепло от горячей воды через стальную оболочку и глубже в воск. В работе сравниваются четыре варианта: гладкая сфера без ребер; сфера с двумя ребрами, входящими сверху; с двумя ребрами, входящими снизу; и вариант с четырьмя ребрами — по два сверху и снизу. Во всех случаях ребра проходят и снаружи, и внутри сферы, так что они касаются одновременно проточной воды и воска. Такая конструкция позволяет ребрам действовать как тепловые магистрали, уменьшая холодные зоны твердого воска, которые в противном случае долго сохранялись бы вдали от нагретой поверхности.

Что происходит внутри при плавлении и застывании воска

По мере нагрева воск у внешней стенки сферы тает первым. Образующаяся тёплая жидкая фракция легче и поднимается к верху, в то время как более холодный, тяжёлый твёрдый воск опускается вниз, создавая медленную циркуляцию, которая дополнительно распространяет тепло. При охлаждении процесс меняется местами: воск кристаллизуется у стенки, и более плотная твердая фаза оседает вниз. Исследователи отмечают, что этой естественной конвекции недостаточно; без ребер большие области воска остаются твердыми или жидкими длительное время. Ребра, установленные сверху, ускоряют плавление в области накопления жидкого воска, тогда как ребра снизу воздействуют на толстый твердой слой, оседающий внизу. При размещении ребер и сверху, и снизу тепло достигает всех ключевых зон, и доля расплавленного воска растёт и затем падает гораздо более круто во времени, что указывает на более быстрое заряд и разряд.

Быстрейший заряд и разряд

Детальные измерения показывают, что конструкция с ребрами и сверху, и снизу явно превосходит остальные. По сравнению с гладкой сферой она сокращает время плавления примерно на треть и время кристаллизации почти наполовину, сохраняя при этом схожую суммарную теплоёмкость, поскольку используется одинаковое количество воска. Она также обеспечивает наивысшую эффективность и действенность, то есть большую долю входящего тепла удаётся сохранить в воске и затем восстановить. Повышение температуры воды с 70 °C до 75 °C дополнительно ускоряет плавление, но расположение ребер остаётся доминирующим фактором производительности.

Что это значит для повседневных систем

Для неспециалистов главный вывод таков: небольшие изменения в конструкции теплового капсулы могут дать большое практическое преимущество. Простая установка нескольких металлических ребер одновременно в верхней и нижней частях сферического сосуда с воском позволяет инженерам создать тепловые батареи, которые заряжаются и разряжаются гораздо быстрее без потери ёмкости. Такие улучшенные капсулы можно упаковывать в солнечные водонагреватели, системы отопления зданий или промышленные установки по утилизации тепла, помогая сгладить перепады солнечной энергии и сделать возобновляемое тепло более надёжным.

Цитирование: Swami Punniakodi, B.M., Veeramanikandan, M., Manickam, M. et al. Effect of fins in enhancing phase change material fusion in a spherical thermal energy storage container. Sci Rep 16, 8440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38262-8

Ключевые слова: накопление тепловой энергии, материал с фазовым переходом, солнечное нагревание воды, теплообменные ребра, парафиновый воск