新型热能存储组件：开发、性能及相变诊断

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Novel thermal energy storage component: Development, performance, and phase transition diagnosis

本研究开发了铝制外壳的模块化砖型和叶片型相变材料（PCM）储热器，通过嵌入蛇形管实现主动或被动热交换，并利用低成本金属网增强PCM热导率。实验表明叶片型储热器厚度与长度比达0.03，结构紧凑，热性能优化，并首创便携内窥镜实时观测PCM相变过程，为储能系统设计提供新方法。

　　这项研究聚焦于热能存储（Thermal Energy Storage, TES）技术，尤其是利用相变材料（Phase Change Materials, PCMs）的潜热存储（Latent Heat Storage, LHS）系统。随着全球能源需求的不断增长，特别是在新兴经济体和人工智能等高科技领域的发展推动下，传统能源系统的效率和可持续性面临严峻挑战。因此，探索创新的能源存储解决方案显得尤为重要。TES技术作为其中的一种，能够有效捕获和存储多余的热能，并在需要时释放，从而提高能源利用效率，促进可再生能源的整合，并增强基础设施的韧性。

目前，TES系统主要分为三种类型：显热存储（Sensible Heat Storage, SHS）、热化学存储（Thermochemical Heat Storage, THS）和潜热存储（Latent Heat Storage, LHS）。SHS通过提高固体或液体存储材料的温度来储存热能，如水、熔盐或岩石。虽然这种技术操作简单且成本较低，但其能量密度相对较低，需要较大的存储体积才能达到所需的能量容量。相比之下，THS利用热化学材料通过可逆的吸热和放热化学反应来存储和释放热能。THS的优势在于其更高的能量密度和更低的体积需求，但目前仍处于研究初期，其商业化面临复杂性和高成本的双重障碍。

LHS则是一种更具前景的技术，它通过相变材料在相变过程中吸收或释放大量热能。PCMs具有较高的能量密度，系统设计相对简单，并且在相变过程中能够保持恒定的温度，这些特性使其在建筑供暖、制冷、工业废热回收以及食品和药品冷链运输等领域具有广泛的应用潜力。然而，现有LHS系统普遍存在的问题是体积庞大、非模块化设计，这不仅限制了其可扩展性，也影响了商业化的可行性。

研究团队指出，当前LHS系统中，相变材料的热导率通常较低，例如液态石蜡的热导率仅为0.148–0.210 W/(m·K)，远低于金属如铝（237 W/(m·K)）和铜（401 W/(m·K)）。这种低热导率导致热能传递效率低下，进而需要更大的热交换器（Heat Exchanger, HX），这进一步增加了系统的体积和成本。为了解决这一问题，研究人员尝试了多种方法，如添加高导热性纳米颗粒、使用多孔材料以及将PCM封装在导热容器中。尽管这些方法在一定程度上提高了热传导效率，但纳米颗粒容易聚集，影响其效果；多孔材料成本较高，难以大规模应用；而封装技术虽然能提升性能，却也增加了系统的重量和制造成本。

基于上述问题，本研究提出了一种新的模块化TES设计，包括砖型和片型两种结构。这两种设计均采用铝制外壳，内部嵌入蛇形管作为主动或被动热交换装置，并通过低成本的金属网来增强PCM的热传导能力。片型TES是砖型TES的延伸版本，其厚度与长度的比例为0.03，厚度与宽度的比例为0.08，这使得片型TES在结构上更加紧凑，适用于空间受限的应用场景。研究团队还指出，砖型和片型TES组件可以灵活地组合成大型多层TES系统，以满足不同应用领域的需求。

通过一系列参数研究和测试，研究团队对这两种TES模块的性能进行了详细评估。测试涵盖了冷却剂温度、放热空间温度以及风扇运行状态等因素对TES充放热过程的影响。结果表明，这两种模块在紧凑性、模块化和热能传输效率方面均有显著提升。特别是片型TES，其几何效率较高，能够在有限的空间内实现高效的热能存储和释放。此外，研究还引入了一种新的诊断技术——便携式内窥镜，用于实时观察TES内部PCM的相变过程。这种方法不仅能够直观地展示PCM在充放热过程中的行为，还能帮助研究人员识别潜在问题，为TES设计的优化和控制算法的开发提供重要支持。

在实际应用方面，砖型和片型TES模块展现出广泛的适用性。例如，在建筑领域，它们可以用于空间和水的供暖，以及室内温度调节。在工业领域，这些模块可用于高温热泵系统，以提高能源利用效率。而在冷链运输中，它们可以作为高效的保温装置，确保食品和药品在运输过程中保持稳定的低温环境。此外，研究团队还提到，这些模块的设计有助于提升TES在不同应用场景下的灵活性和适应性，使其成为未来能源高效系统的重要组成部分。

值得注意的是，尽管现有LHS系统在多个领域已有应用，但大多数仍存在体积大、结构复杂和成本高的问题。这使得它们在大规模商业化过程中面临诸多挑战。而本研究提出的砖型和片型TES模块，通过优化结构设计和材料选择，显著提高了系统的紧凑性和模块化水平，同时降低了制造和维护成本。这种设计不仅适用于住宅、商业和工业场景，还具备良好的可扩展性，能够满足不同规模的应用需求。

此外，研究团队还强调了对PCM相变过程的可视化研究的重要性。通过内窥镜技术，研究人员能够实时观察PCM在充放热过程中的变化，从而更深入地理解其内部热传递机制。这种可视化手段为TES系统的优化提供了宝贵的实证数据，有助于进一步改进设计和提升性能。同时，它也为未来开发更智能的控制算法提供了支持，使TES系统能够根据实际需求动态调整充放热过程，提高整体效率。

综上所述，这项研究为热能存储技术的发展提供了新的思路和解决方案。通过引入模块化设计、优化热传导性能以及开发新型诊断技术，研究人员成功克服了传统TES系统在紧凑性、成本和可扩展性方面的局限。这些创新不仅有助于推动TES技术在更多领域的应用，也为实现更加可持续和高效的能源管理系统奠定了基础。未来，随着相关技术的进一步完善和推广，TES有望在更多实际场景中发挥重要作用，为全球能源转型和节能减排目标贡献力量。