科学家们正在寻找替代化石燃料的方案，以减少污染和缓解气候变化，因为基于燃烧的系统的排放对人类健康和环境都有害[1],[2]。因此，可再生能源和储能技术在可持续满足能源需求方面发挥着至关重要的作用[3],[4]。据报告，目前可再生能源占全球能源总量的10.3%，而传统生物质能源占16.4%，主要用于供暖[5],[6]。在较寒冷的地区，家庭供暖仍然严重依赖电力和燃料燃烧，这进一步恶化了环境状况[7]。太阳能辅助热能储存（TES）通过储存多余的太阳能以供后续空间供暖使用，提供了一种清洁的解决方案[8]。在可用的热源中，显热储存（SE）是最适用于TES的[9]。TES可以通过潜热储存或显热储存实现；虽然潜热储存涉及相变材料[10],[11],[12],[13],[14]，但存在安全风险，不太适合家庭应用[15],[16],[17]。相比之下，显热储存虽然需要更大的储存空间，但更安全、更稳定、成本更低，更适合长期家庭供暖[18],[19]。因此，本研究提出了一种适用于极端寒冷条件下的太阳能驱动显热TES系统，以芝加哥作为案例研究地点，使用抛物面槽式集热器捕获热量，并采用低碳钢作为储存材料，通过多层绝缘材料来最小化热量损失[20],[21]。
此前已有许多研究人员研究过基于太阳能的TES系统在家庭供暖中的应用。
Ma等人[22]开发了大规模的电网级储能系统，以整合风能和太阳能，提高系统的韧性，以应对化石燃料基础负荷能力的下降。Ismaeel和Yumrutaş[23]使用热泵和地下太阳能充电TES罐对小麦干燥系统进行了建模。他们的分析模型考虑了储罐周围的瞬态热传递，并展示了其为供暖系统提供热能的潜力。Bhogilla[24]研究了用于聚光太阳能发电厂的热化学TES系统，该系统采用两个填充合金的反应器，重量轻且环保，但由于运行不稳定需要进行瞬态分析。Di Florio等人[25]对两种基于SOFC的热电联产系统进行了生命周期评估，其中一个使用氢气储存，另一个使用天然气，两者都与太阳能集成。Gong等人[26]提出了一种混合储能系统（HESS），结合电池和智能电热水器来稳定净零能耗住宅的电力流动。现场数据验证了该系统在保持性能的同时减少了电池体积。Soni等人[27]开发了一种基于太阳能抛物面集热器的潜热TES系统，使用压缩CO2为埋设在地下、用隔热材料包裹的低碳钢储存块充电。最后，Yu等人[28]研究了在中国城镇中将空气源热泵与传统系统结合的应用，并通过数学建模对四种供暖方法进行了技术经济比较。表1展示了所提出的TES模型与现有模型的对比。
尽管已有大量研究致力于减少对传统能源的依赖以应对污染和气候变化，但现有的基于太阳能的系统仍因能源供应的间歇性和高安装成本而存在显著限制。现有的TES技术（包括钻孔储能、潜热储存和热化学储存）虽然具有良好的热性能，但由于其复杂性和昂贵材料，通常不适用于家庭使用。此外，家用太阳能热系统通常提供的功率输出有限，且需要大量投资。这些缺点促使我们开展了这项研究。
为克服上述挑战，本研究开发了一种简化且经济高效的基于太阳能的TES系统，采用抛物面槽式集热器、埋设在地下的低碳钢块和多层绝缘材料。该系统结合了显热储存、基于CO2的充电方式，并通过MATLAB/Simulink进行了10年的性能评估，为实际寒冷气候应用提供了关于绝缘材料、埋设深度和季节性影响的见解。抛物面槽式集热器（PTC）使用压缩CO2为埋设在地下的低碳钢热能储存系统充电。储存的能量以显热形式保存，随后用于家庭供暖，系统性能通过能量和熵平衡方程及多孔介质建模进行评估。这种基于太阳能的TES配置在全球范围内得到广泛应用，以应对季节性变化并提高长期能源效率。
本研究的重要贡献总结如下：
•开发了一种低成本、基于太阳能的显热TES系统，使用埋设在地下的低碳钢块和标准绝缘材料，作为复杂或昂贵方法的实用替代方案。
•使用MATLAB/Simulink在不同绝缘材料、埋设深度和季节条件下评估了10年的TES效率。
•结合PTC和基于CO2的充电方式，以及统一的建模框架，实现了高效的储能和性能优化。
本文的结构如下：第2部分阐述了用于家庭供暖的太阳能TES系统的配置，第3部分展示了结果和讨论，第4部分总结了全文。
