《Journal of Energy Storage》：Macro-encapsulated phase change materials for latent heat storage: Design innovations, performance enhancement, and application insights
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潜热热能存储技术通过集成宏观封装策略，优化胶囊几何、嵌入导电结构、复合热增强材料和级联包装设计，显著提升热传导性、降低泄漏率并增强系统稳定性，同时探索机器学习在材料性能优化中的应用，提出标准化研究建议。
Marwa Khaleel Rashid | Aizat Abas | Afrah Turki Awad
马来西亚森美兰州Nibong Tebal大学工程校区机械工程学院，14300，槟城，马来西亚
摘要
基于相变材料（PCMs）的潜热热能存储（LHTES）为提高可再生能源利用率和改善建筑物、太阳能热系统、工业废热回收以及冷链物流中的热管理提供了极具潜力的途径。然而，由于其大多数PCMs的低热导率、相变过程中的泄漏问题以及实验室概念难以转化为可扩展的系统设计，其广泛应用仍受到限制。本文通过提出一种混合宏观封装策略，将传热增强与结构约束和封装级性能工程相结合，为该领域带来了新的视角。与以往孤立讨论各种增强方法的综述不同，我们从一致的热物理和建模角度，系统地评估了四个相互关联的设计层面：(a) 囊体及流道几何优化（包括仿生学和流动导向的概念），(b) 嵌入式导电结构（散热片、销钉和拓扑优化插件），(c) 热性能提升的PCM复合材料（例如膨胀石墨和碳基添加剂），以及(d) 适用于储罐规模集成的分级填充架构。通过整合实验和数值研究的结果，并进行跨方法比较，本文表明，适当组合的优化设计可使熔化/固化时间减少约60%，充电效率提高30%以上，热能存储密度相比传统宏观封装方案提高35%以上；同时指出了实际应用中需要权衡的关键因素。我们还评估了用于PCM性能预测和设计优化的新兴数据驱动和机器学习方法，并指出了在基准测试协议、耐久性和循环验证、规模放大以及技术经济性报告方面的不足之处。本文最后提出了加速标准化、可工业应用的宏观封装LHTES系统发展的路线图和建议。
引言
随着可变可再生能源渗透率的增加，供需之间的时间差距正在扩大。热能存储（TES）技术通过转移多余的或所需的热量，为解决这一不平衡提供了有效途径。TES大致可分为显热存储（SHTES）、潜热存储（LHTES）和化学/热化学存储（CHTES）[1]、[2]、[3]。SHTES通过改变物质温度来存储能量；LHTES利用相变材料（PCMs）在接近恒定温度下储存和释放能量（这两种方法都存在与相变相关的体积膨胀问题）；CHTES则通过可逆反应实现非常高的（理论上无限的）热力学存储密度，但动力学过程较为复杂，且长期稳定性较差。
与SHTES和CHTES相比，LHTES在紧凑性、近似等温运行以及材料稳定性方面具有潜在优势[4]、[5]、[6]。LHTES系统基于有机PCM，例如石蜡、脂肪酸和糖醇，这些材料通过在特定温度下熔化和固化来存储热能。它们通常具有较高的能量存储密度（大约150–340 J/g，其中石蜡较低，为170–270 J/g，糖醇较高，为340 J/g），并且具有高热稳定性、宽泛的相变温度范围以及良好的循环性能。这些特性使得有机PCM成为LHTES系统的理想选择，适用于中温和低温存储应用。
无机PCM（如盐类水合物）也被广泛使用，其能量存储密度与之相当（大约120–330 J/g），而共晶PCM（由两种或多种材料组成）则可通过调节热性能，在特定应用中实现100–310 J/g的能量存储密度[7]、[8]、[9]。这些特性使得LHTES在成本效益、紧凑性和可靠性方面具有优势，使其成为可行的储能技术。
近年来，宏观封装技术的进步显著提高了PCM的热导率，减少了泄漏并增强了循环稳定性。尽管文献中广泛讨论了PCM封装技术，但大多数研究仅关注几何优化或单一的纳米材料。然而，实际应用中越来越倾向于结合多种增强方式的混合宏观封装。本文首次系统地整合了这些方法，将胶囊几何形状、内部导电结构和纳米级添加剂结合起来，从而在多个温度范围和应用领域提升性能。我们的贡献包括：(a) 明确有效的设计组合及其性能权衡；(b) 提出可扩展的实践方案以改善热响应、减少泄漏并保持稳定性；(c) 指出未来研究方向，旨在开发紧凑、稳健且可工业应用的基于PCM的TES系统。
基于PCM的TES技术
基于PCM的潜热存储利用固液相变（熔化吸收能量、固化释放能量）的过程，尽管PCM本身的热导率较低[10]。最近的研究趋势是从单独的材料改进转向综合的增强策略，即结合结构导电网络（如金属散热片或多孔泡沫）以实现更高效的能量传输。
封装技术
封装是PCM热能存储应用中的关键技术之一。该方法通过将PCM置于保护性容器中，确保固态和液态相的隔离，从而提高系统完整性和性能。该技术最初由Barrett K. Green在20世纪40年代提出[26]，此后得到了广泛研究[27]、[28]、[29]、[30]。如图2(a)所示，PCM被填充在储热装置（TES）和传热流体（HTF）之间。
传热增强策略
在LHTES系统中，提高传热效率对于加快充放电过程至关重要。一种有效方法是使用散热片来增加传热面积，从而显著提升PCM与传热流体之间的接触效果。散热片材料的选择至关重要，因为热导率、密度、成本和耐腐蚀性等因素都会影响性能。
建筑应用
PCM被视为提高建筑墙体热惯性的有效手段，有助于负荷平衡、减少峰值需求和提升居住舒适度。在建筑应用中，关键挑战在于防止PCM在相变过程中的泄漏，尤其是在高热导率和结构稳定性要求较高的情况下。一种解决方案是将PCM封装在壳体或结构元素中，使其成为墙体、屋顶等部分的一部分。
结论
宏观封装的相变材料（PCMs）仍然是实现潜热热能存储（LHTES）的最实用方法之一，因为它们同时解决了泄漏控制、模块化集成和传热限制等问题。本文综述的文献表明，性能的提升不再依赖于单一的改进措施，而是通过结合胶囊几何优化、内部导电结构等多种方法的混合封装来实现。
未来研究方向
- 1. 具有热-流体耦合优化的下一代胶囊几何结构
应使用共同指标（如传热加速时间、填充床/系统性能损失等）来比较仿生学和非球形胶囊的设计。
- 同样重要的是开发混合纳米增强型PCM，结合多种添加剂（如膨胀石墨和碳纤维）以实现更好的性能。
CRediT作者贡献声明
Marwa Khaleel Rashid： 资料撰写、原始草稿编写、软件开发、方法论设计、数据整理及概念构建。
Aizat Abas： 项目监督及管理。
Afrah Turki Awad： 文章审阅与编辑、监督工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
