综述：用于太阳能热水系统的微胶囊和纳米胶囊相变材料的进展：技术进步与未来研究方向的全面综述

《Journal of Energy Storage》：Advances in micro- and nano-encapsulated phase change materials for solar water applications: A comprehensive review of technological progress and future research directions

系统综述了微纳米封装相变材料（M/N-ePCMs）在太阳能水系统中的应用，分析物理、化学及混合封装技术，探讨其对热效率、稳定性和环境耐久性的提升，并讨论挑战与未来方向。

　　微小和纳米封装相变材料（M/N-ePCMs）在提升太阳能水系统热效率与稳定性方面展现出巨大潜力。这类材料通过其独特的热能储存与释放机制，有效解决了传统太阳能系统中因太阳辐射间歇性而导致的能量供应不稳定问题。同时，它们在防止相变材料泄漏、提高热传导效率以及增强系统耐用性方面也发挥了重要作用。本文旨在全面评估M/N-ePCMs在太阳能水系统中的应用进展，探讨其封装技术、材料特性、实际应用以及面临的挑战，从而为未来相关技术的优化与推广提供科学依据。

太阳能水系统是可再生能源利用的重要组成部分，其核心功能在于将太阳能转化为可用的热能，以满足水加热、淡水制备、农业灌溉等多种需求。然而，太阳能的间歇性与不稳定性给系统的持续运行带来了诸多困难。在白天，太阳辐射强度较高，系统可以高效地吸收热量；但在夜晚或阴雨天气，太阳辐射减弱，系统热能供应不足。为了克服这一限制，研究者们致力于开发能够有效储存和释放热能的材料，其中M/N-ePCMs因其优异的性能而受到广泛关注。这些材料能够在相变过程中吸收和释放大量潜热，从而实现对热能的高效储存和释放，使太阳能水系统在非日照条件下仍能维持稳定的热能供应。

M/N-ePCMs的封装技术是其性能提升的关键因素之一。封装不仅可以防止相变材料在使用过程中发生泄漏，还能提高其热传导能力，使其在太阳能系统中更好地发挥作用。目前，常见的封装方法包括物理封装、化学封装、混合封装以及工业可扩展的封装技术。物理封装通常采用聚合物或金属作为外壳，将相变材料包裹其中，从而提高其机械强度与热稳定性。化学封装则通过化学反应在相变材料表面形成保护层，增强其抗腐蚀能力。混合封装结合了物理与化学封装的优点，能够在保持材料原有性能的同时，提高其耐久性。而工业可扩展的封装技术则注重生产过程的规模化与成本控制，为M/N-ePCMs的广泛应用提供了可能。

除了封装技术，M/N-ePCMs的材料选择也至关重要。理想的相变材料应具备较高的潜热储存能力、良好的热传导性能以及优异的循环稳定性。常见的相变材料包括石蜡、脂肪酸、水合盐等，它们在不同的温度范围内具有不同的相变特性。例如，石蜡在中低温范围内表现出良好的相变性能，适用于太阳能热水器等应用；而水合盐则在较高温度下具有更高的潜热储存能力，适用于太阳能池等系统。通过选择合适的相变材料，并结合高效的封装技术，可以进一步提升太阳能水系统的整体性能。

在实际应用中，M/N-ePCMs被广泛应用于太阳能热水器、太阳能蒸馏装置、太阳能池以及太阳能储水罐等多种系统中。太阳能热水器利用M/N-ePCMs在白天储存多余的热量，并在夜晚或阴天时释放，从而确保用户能够获得稳定的热水供应。太阳能蒸馏装置则通过M/N-ePCMs在夜间维持较高的蒸发池温度，提高淡水产量。太阳能池利用M/N-ePCMs实现温度分层，提高热能储存能力，使系统在非日照条件下仍能提供稳定的热能输出。太阳能储水罐则通过将M/N-ePCMs集成在储水结构中，增强储水系统的热能储存与释放能力，提高系统的运行效率与使用寿命。

M/N-ePCMs的应用不仅限于单一的热能储存功能，还能够提升系统的整体热管理能力。例如，在太阳能热水器中，M/N-ePCMs可以优化热能的吸收与释放过程，减少热损失，提高系统的热效率。在太阳能蒸馏装置中，M/N-ePCMs能够维持蒸发池的高温环境，促进水分的蒸发与冷凝，从而提高淡水产量。在太阳能池中，M/N-ePCMs能够维持温度分层，减少对流热损失，提高热能的储存与释放效率。在太阳能储水罐中，M/N-ePCMs可以增强储水系统的热能储存能力，使其在非日照条件下仍能维持较高的水温，提高系统的热稳定性与可靠性。

尽管M/N-ePCMs在太阳能水系统中展现出诸多优势，但其实际应用仍面临一些挑战。首先，长期热稳定性是一个关键问题。在反复的热循环过程中，相变材料可能会发生降解，影响其性能与寿命。因此，研究者们需要开发具有更高耐久性的封装材料，以确保M/N-ePCMs在长时间使用中保持良好的热储存与释放能力。其次，材料在水环境中的兼容性也是一个重要考量因素。由于太阳能水系统通常涉及水的加热与蒸发，因此相变材料需要具备良好的水溶性与抗腐蚀性，以防止对系统组件造成损害。此外，M/N-ePCMs的生产成本也是一个不可忽视的问题。为了实现大规模应用，研究者们需要探索更具成本效益的封装技术与材料，以降低生产成本并提高经济可行性。

针对上述挑战，研究者们提出了多种解决方案。例如，通过选择更耐久的封装材料，如硅树脂、聚合物、金属等，可以提高M/N-ePCMs的长期热稳定性。同时，利用纳米增强技术，如在封装材料中加入纳米颗粒，可以进一步提高其热传导性能，减少热损失，提高系统的整体效率。此外，开发可大规模生产的封装工艺，如喷雾干燥、乳化法、溶胶-凝胶法等，有助于降低生产成本，提高M/N-ePCMs的经济可行性。这些技术的进步不仅能够推动M/N-ePCMs在太阳能水系统中的应用，还能够为其他热能储存与转换技术提供借鉴。

未来，M/N-ePCMs在太阳能水系统中的应用将更加广泛。随着材料科学与封装技术的不断发展，M/N-ePCMs的性能将进一步提升，其在不同应用场景中的适应性也将增强。例如，在水资源匮乏的地区，M/N-ePCMs可以用于太阳能蒸馏装置，提高淡水产量，满足居民的基本用水需求。在偏远地区，M/N-ePCMs可以用于太阳能热水器和储水罐，提供稳定的热水供应，改善居民的生活条件。此外，M/N-ePCMs还可以与其他可再生能源技术相结合，如太阳能光伏系统，实现更高效的能源利用与管理。

总之，M/N-ePCMs在太阳能水系统中的应用具有广阔的前景。通过不断优化封装技术、选择合适的相变材料以及探索更经济的生产方法，可以进一步提升其热效率与稳定性，使其在实际应用中发挥更大的作用。未来的研究应更加注重材料的长期性能、环境适应性以及经济可行性，以推动M/N-ePCMs在太阳能水系统中的广泛应用。这不仅有助于提高太阳能水系统的整体性能，还能够为实现可持续发展与能源转型提供有力支持。