鳍片在球形蓄热容器中增强相变材料熔化的效果

把阳光存起来以备后用

现代生活依赖稳定的能量供应，而阳光只有在天气配合时才出现。本文研究了一种简便的方法，将白天的太阳热能存储起来以便数小时后使用——在金属球体内放入一种在熔化和凝固时能吸放大量热量的特殊石蜡。通过在恰当位置加入薄金属“鳍片”，研究人员表明可以显著加快这种石蜡的充放热速度，这是实现更可靠太阳能供热和热水的关键一步。

为何热能储存很重要

太阳能集热器能将水加热到舒适温度，但云层、日落和用能需求的时间并不总是同步。热能储存提供了缓冲：在太阳强烈时吸收热量，需要时再释放。一种常见做法是使用相变材料——如在熔化时吸收大量能量、在凝固时释放能量且温度基本恒定的石蜡。问题在于这类石蜡导热性差，若无辅助，它们融化和凝固的速度都很慢，从而限制了每天可进出能量的量。

装有石蜡的球形容器

研究团队搭建了一个实验室蓄热系统，模拟可能放在太阳能热水器内的配置。核心是直径约像小甜瓜大小的钢球，每个球内装有一千克熔点约为60 °C的石蜡，这与太阳加热的热水温度相匹配。热水作为传热流体在球体周围循环，两种供水温度分别为70 °C和75 °C，同时传感器记录石蜡内部顶部、底部、中心和侧面的温度。通过比较石蜡熔化与再凝固的速度以及进出热量多少，研究人员评估球体的不同设计方案。

四种加鳍片的方式

为了加快石蜡的换热，可以在球体上装铜鳍片——将热水通过钢壳传到石蜡深处的薄片。研究比较了四种情况：无鳍的光滑球体；从顶部插入两片鳍；从底部插入两片鳍；以及最后的版本，在顶部和底部各插两片共四片鳍。在所有情况下，鳍片既伸入球外也延伸到球内，因此同时与流动的水和石蜡接触。这种布置使鳍片像热量高速公路，减少本来会在远离温暖表面的地方滞留的冷固体石蜡区域。

石蜡熔化与凝固时内部发生了什么

加热开始时，靠近球壳的石蜡先熔化。熔化后的温暖液态石蜡密度较小，会向上升，而较冷且更重的固态石蜡下沉，形成缓慢的对流，进一步扩散热量。冷却时，过程反向：石蜡先在壳壁处凝固，更致密的固体沉向底部。研究者发现单靠这种自然流动不足以充分换热；没有鳍片时，大块石蜡会长时间保持固态或液态。顶部置鳍可加速泡状液体汇集区域附近的熔化，而底部置鳍则能侵蚀倾向沉积的固体层。当在顶部和底部同时布置鳍片时，热量能到达所有关键区域，熔化比例上升和下降的斜率显著增大，表明充放热速度更快。

更快的充放热

详细测量显示，顶部与底部同时布置鳍片的设计明显优于其他方案。与光滑球体相比，该设计将熔化时间缩短约三分之一、凝固时间缩短近一半，同时由于石蜡用量相同，总热容量保持相近。它还表现出最高的效率和效果，意味着更多进入的热量被存入石蜡并随后回收。将水温从70 °C提高到75 °C可进一步加快熔化速度，但鳍片的布置仍是决定性能的主要因素。

对日常系统的意义

对非专业读者来说，关键结论是：在蓄热胶囊内部做一些小的设计调整可以带来显著的实际效果。仅通过在充满石蜡的球形容器的顶部和底部放置几片金属鳍片，工程师就能制造出充放电更快且不牺牲蓄热能力的热能电池。这类改进后的胶囊可以装入太阳能热水器、建筑供暖系统或工业余热回收装置，帮助平滑阳光带来的波动，使可再生热能更可靠。

引用: 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

关键词: 热能储存, 相变材料, 太阳能热水, 传热鳍片, 石蜡