尽管太阳能平板集热器（SFPCs）广泛应用于热能系统，但间歇且不均匀的太阳辐射仍然限制了其效能。因此，为了优化可再生能源的有效利用，必须提高太阳能平板集热器的热性能（TP）。本研究提出了两种创新的翅片吸热板拓扑结构，并将其与传统平板集热器进行对比，旨在提升太阳能平板集热器的热效率（TE）。该方法涉及在吸热板中整合波浪形翅片或纵向翅片。先前的研究已对翅片集热器进行了探讨，而引入波浪形翅片（模型 II）通过扩大传热表面积并促进更强的流体混合，提供了额外的增强途径。研究人员利用 ANSYS Fluent 软件对两种改进型太阳能平板集热器配置进行了数值分析：模型 I 包含四个纵向翅片，模型 II 包含四个波浪形翅片。模拟在自然波动的瞬态太阳辐射条件下运行，并将数值模型与现有实验数据进行对比验证以确保准确性。研究采用出口工质温度、储水箱水温以及总热效率（TE）作为性能评估指标。在热响应方面，两种提议的方案均优于基准太阳能平板集热器。与传统设计相比，模型 II（带波浪形翅片的 SFPC）产生了最大的改进，使出口工质温度提高了 12.11%，水箱水温提高了 12.9%。此外，模型 II 通过将整体热效率提高 13.21%，证明了在实际辐照波动条件下整合波浪形翅片对提升 SFPC 性能的优势。
随着全球能源需求的急剧增加，优化能源系统及实施可持续管理策略已成为当务之急。在众多被动式能源中，太阳能因其绿色、经济及高效等特性备受关注。太阳能平板集热器（SFPC）作为将太阳辐照转化为热能的关键设备，广泛应用于住宅、医疗及工业等领域。然而，传统 SFPC 在应对间歇性和不均匀的太阳辐射时，其热性能（TP）和热效率（TE）仍受局限。既往研究多集中于稳态条件下的主动增强策略或改变管道几何形状，针对吸热板几何形态在动态太阳辐射条件下的被动增强效应研究相对匮乏。为此，研究人员开展了一项结合数值模拟与实验验证的研究，旨在通过改进吸热板几何结构来提升 SFPC 在瞬态辐照下的热性能。该研究发表于《Results in Engineering》期刊，其核心贡献在于提出了两种新型吸热板设计，并证实了其在真实波动光照条件下的优越性，为优化集热器设计提供了新的理论依据和数据支持。
为开展此项研究，研究人员主要采用了计算流体动力学（CFD）数值模拟与户外实验验证相结合的技术路线。数值模拟方面，利用 ANSYS Fluent 软件构建了三维物理模型，对比了传统平板、带四个纵向翅片（模型 I）及带四个波浪形翅片（模型 II）三种构型。模拟过程采用了结构化非均匀网格以确保边界层解析精度，并进行了网格独立性测试以消除网格数量对结果的影响。边界条件设定基于伊拉克巴格达地区的实际气象数据，通过用户自定义函数（UDF）加载瞬态太阳辐射热通量，模拟自然循环（热虹吸效应）下的流体动力学与传热过程。实验验证方面，研究人员在冬季构建了包含集热器、储水箱及循环管路的标准测试台，使用 K 型热电偶测量关键点温度，并利用太阳辐射计记录辐照度，通过对比实验数据与模拟结果验证了数值模型的可靠性，平均温度偏差控制在 8.4% 以内，确保了后续分析的可信度。
研究结果与分析 吸热板几何形状对热响应的影响 研究人员对比了三种模型在瞬态辐射下的温度分布。结果显示，增加吸热表面积能显著提升热通量。在下午 1:13 左右，传统模型、模型 I 和模型 II 的出口工质温度分别为 60.98°C、64.11°C 和更高值（注：原文此处数据逻辑需结合上下文，模型 II 表现最优）。经过 7 小时的瞬态辐射作用，模型 II（波浪形翅片）表现出最佳的热响应，其出口工质温度较传统模型提升了约 45.89°C（温升值），而传统模型仅为 39.97°C。储水箱内的水温变化趋势与之吻合，模型 II 使水箱温度提升了 30.56°C，显著高于传统模型的 26.7°C。这表明波浪形翅片不仅增加了受热面积，还通过增强流体扰动促进了热交换。
瞬态辐射下的流量与效率特性 研究进一步分析了自然循环下的质量流量与热效率变化。结果表明，流体流量与太阳辐射强度呈正相关，并在中午 1:00 左右达到峰值。由于模型 II 具有更大的有效表面积和更优的热传递特性，其驱动的自然循环流量最大，达到 1.385 g/s，高于传统模型的 1.28 g/s。在热效率方面，模型 II 同样表现卓越，其瞬时热效率峰值达到 75.4%，整体热效率为 68.8%，相较于传统模型的 55.1% 提升了 13.21%。相比之下，模型 I（纵向翅片）的整体效率为 64.4%，虽优于传统设计但不及模型 II。数据证实，波浪形翅片结构在应对实际光照波动时具有更佳的性能稳定性与能量捕获能力。
讨论与结论 本研究通过数值模拟与实验验证，系统评估了新型翅片吸热板对太阳能平板集热器热性能的增强效果。研究结论表明，改变吸热板几何形状是一种有效的被动式增强手段。具体而言，带有四个纵向翅片的模型 I 使容器内流体温度和出口水温分别提高了 6.5% 和 5.9%；而带有四个波浪形翅片的模型 II 效果更为显著，分别提升了 12.9% 和 12.11%。在流量方面，模型 I 和模型 II 的质量流量分别增加了约 2.89% 和 6.22%。最重要的是，与传统模型相比，模型 I 和模型 II 的整体热效率分别提高了 5.17% 和 13.21%。这些数据有力地证明了波浪形翅片设计在提升 SFPC 热响应速度、增加储热温度及提高系统整体效率方面的巨大潜力，为解决太阳能利用中的间歇性问题提供了可行的技术路径。
