南方科技大学林蒙与天津大学邓帅合作论文Thermo-X：波动太阳辐照下透明二氧化硅气凝胶的瞬态热响应与调控

转自 Thermo-X 热科学前沿

【文章信息】

作者及机构:

李士腾^1,2,3,4，杨宁馨^1,2，李富杰^1,2，刘尚^1,2，黎春^1,2，邓帅^3,4_*，林蒙^1,2*

^1. 南方科技大学机械与能源工程系

^2. 南方科技大学碳中和能源研究院

^3. 先进内燃动力全国重点实验室（天津大学）

^4. 国家储能技术产教融合创新平台（天津大学）

文章题目：Transient thermal response and regulation of transparent silica aerogels under fluctuating solar irradiance

DOI：10.70401/tx.2026.0039

导读

透明二氧化硅气凝胶兼具高太阳光透过率、低热导率和强红外辐射吸收能力，可用于减少太阳能集热系统的顶部热损失。然而，太阳辐照的波动如何影响气凝胶内部的导热与辐射耦合，以及集热系统的动态运行，仍有待阐明。本研究构建瞬态传热模型，分析导热与辐射的耦合作用及流速对出口温升和响应速度的影响，并基于实测辐照数据评估动态流量调控的效果，为透明气凝胶集热系统的设计与运行提供依据。

正文解读

01

波动太阳辐照下的传热与调控问题

太阳辐照受云层遮挡和天气变化影响而波动，进而改变集热器的热损失和温度分布，使出口温度难以维持稳定。透明二氧化硅气凝胶具有高太阳光透过率、低热导率和长波辐射吸收能力，可在透过太阳辐射的同时减少集热器顶部热损失。气凝胶对热辐射的吸收具有波长依赖性，辐射与导热过程共同决定其内部温度场及传热特征。现有研究主要关注稳态性能和结构优化，对波动辐照下的耦合传热、系统瞬态响应及流量调控仍缺乏系统认识。基于此，本研究构建透明气凝胶覆盖式太阳能集热系统的瞬态模型，分析气凝胶内部的导热与辐射耦合，研究流速对出口温升和响应时间的影响，并利用实测辐照数据评估动态流量调控对出口温度及集热性能的影响。系统结构与主要传热过程如图1所示。

图1 透明气凝胶覆盖式太阳能集热系统的结构与传热过程

02

模型构建与实验验证

构建了考虑固体导热、非灰热辐射、蓄热以及固体与流体之间换热的二维瞬态有限元模型。几何模型由透明二氧化硅气凝胶、太阳能吸收器、保温层和流体通道组成。采用溶胶-凝胶及超临界干燥等工艺制备透明二氧化硅气凝胶。测试结果表明，气凝胶的太阳加权总透过率为90%，热导率为0.015Wm^⁻¹K^⁻¹，吸收器的太阳光吸收率为98%。上述实测参数用于模型中的太阳辐射吸收与导热计算。基于Lorenz-Mie理论计算气凝胶的红外光谱吸收系数。不同波长下的吸收系数相差多个数量级，表明气凝胶具有非灰辐射特性。为兼顾计算精度与效率，将红外光谱划分为五个波段，并采用各波段的平均吸收系数进行辐射传热计算（图2）。

为验证模型，在无流体取热的滞止工况下，对比测量和模拟得到的吸收器及气凝胶外表面温度。气凝胶厚度为12.6mm、太阳辐照度为1000Wm^⁻²时，吸收器的实测稳态温度为218℃，模拟值为220℃，气凝胶外表面的实测稳态温度为41℃，模拟值为42℃。吸收器升温过程中的最大温度偏差为7℃，稳态偏差为2℃。模型较好地再现了该滞止工况下两个测温位置的温度响应，为后续传热分析提供了依据。

图2 气凝胶与吸收器的光谱特性及滞止温度实验验证

03

导热 — 辐射耦合的非加和传热机制

为分析导热与辐射的相互作用，对比了气凝胶内仅考虑导热、仅考虑热辐射以及两者完全耦合的三种工况，并研究太阳辐照度由1000Wm^⁻²阶跃降至600Wm^⁻²时的温度和热流密度响应（图3）。在1000Wm^⁻²下，完全耦合工况的吸收器稳态温度为220℃，低于仅导热工况的252℃和仅辐射工况的268℃，而气凝胶外表面温度更高。在吸收器与气凝胶的界面处，独立计算的导热与辐射热流密度之和为650Wm^⁻²，完全耦合时为445Wm^⁻²，比前者低31%，在600Wm^⁻²下，两者分别为325和250Wm^⁻²，耦合值低23%。这说明由于导热与辐射共同影响温度场，不同温度场下独立计算的两种热流密度不能直接相加。

图3 辐照度由1000Wm^⁻²降至600 Wm^⁻²时的温度与热流密度响应

04

波动太阳辐照下的动态流量调控与热性能

在此基础上，研究利用深圳实测的水平面总辐照度（GHI）数据，模拟波动辐照下的动态流量调控。调控以50℃为目标出口温度，根据辐照度、入口流速与稳态出口温度的对应关系调整流量，并比较60、120、180、240和300s五种调整间隔在中等波动、强间歇及以晴天为主的三类辐照工况下的表现（图4）。在以晴天为主、伴有短时云遮挡的工况下，调整间隔为60s时，出口温度大部分时间处于45-55℃。间隔增至300s后，强波动时段的温度范围扩大至35-80℃。缩短调整间隔可减小辐照变化与流量更新之间的滞后，改善短时温度稳定性。在所研究的流速范围内，当GHI低于262.5W·m^⁻²、无法维持目标温度时，系统停止流动取热。强间歇工况下，停流期间的辐照使集热器及静止流体蓄热，恢复流动后，蓄积的热量难以及时排出，出口区域温度可达100-110℃。该温度超调与停流蓄热及重启时的温度状态有关，难以仅通过缩短调整间隔消除。

积分光热效率定义为所考察时段内流体获得的有用热量与入射太阳能之比；停流时有用热输出计为零，且计算未扣除泵功。中等波动、强间歇及以晴天为主的三类工况下，积分光热效率分别为77.2%-77.5%、69.0%-69.4%和80.9%-81.4%。对于同一辐照工况，不同调整间隔引起的效率差异不超过0.5个百分点，相比之下，三类工况之间的最大差异超过12个百分点。这表明在所考察的范围内，调整间隔主要影响短时出口温度稳定性，对积分光热效率的影响较小。动态运行策略除维持目标温度外，还需考虑系统响应时间及停流期间的蓄热。

图4 实测水平面总辐照度（GHI）驱动下的流量调控与出口温度响应

研究总结和展望

本研究构建了透明气凝胶集热系统的瞬态模型，阐明导热与辐射耦合对温度场和热流密度的影响，并揭示流速增大时出口温升降低、系统响应加快的关系。实测辐照数据驱动的模拟表明，在所考察工况下，流量调整间隔主要影响短时出口温度稳定性，对积分光热效率的影响较小，停流蓄热导致的温度超调难以仅通过提高流量更新频率消除。未来可结合出口温度反馈与蓄热状态估计，优化流量调整、停流及重启策略，并通过流动取热实验验证调控效果。

基金支持

本研究得到国家自然科学基金（52376191）、国家重点研发计划（2024YFF0500207）、天津大学研究生文理拔尖奖励计划重点项目（C1-2024-002）、深圳市科技创新委员会（GJHZ20210705141808026）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515011595）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000002）及高水平专项资金（G03034K001）资助。

第一作者介绍

李士腾

李士腾，天津大学-南方科技大学联合培养博士研究生。主要从事太阳能界面蒸发及二氧化硅气凝胶光谱辐射特性调控研究。攻读博士学位期间，以第一/共同第一作者在Energy & Environmental Science（2篇）、Advanced Functional Materials、Thermo-X 等期刊发表学术论文。获天津大学优秀博士学位论文培育基金、研究生文理拔尖奖励计划重点项目资助，以及德芳太阳能热利用一等奖学金、光热调控材料与技术研讨会最佳墙报奖等荣誉。现担任Carbon Neutrality、Advanced Energy Conversion期刊青年编委。

邮箱: list_2023@tju.edu.cn

通讯作者介绍

林蒙

林蒙，南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授、博士生导师。主要研究方向包括聚光太阳能高温燃料制备、太阳能-热化学-高温电化学能量转换、二氧化碳捕集与资源化利用，以及多尺度多物理场数值模拟与高效器件系统优化。目前已在 Joule、Nature Communications、Energy & Environmental Science 等国际权威期刊发表SCI论文100余篇。

邮箱: linm@sustech.edu.cn

邓帅

邓帅，天津大学教授，博士生导师，副院长。主要研究方向包括二氧化碳吸附捕集、移动载体直接空气捕集及中低温热能转换与利用。已在Nature Communications、Energy & Environmental Science、Matter、Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters等国际权威期刊发表SCI论文300余篇，获中美专利授权10余项，相关论文入选Energy期刊40周年优秀论文。2021-2026年连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。

邮箱: SDeng@tju.edu.cn