用于数据中心冷能存储与传输的微囊化相变材料浆料的研发

《Journal of Energy Storage》：Development of microencapsulated phase change material slurry for cold energy storage and transportation in data center

　　

摘要

随着数据中心对冷却需求的不断增长，必须保持严格的温度控制以实现持续制冷。虽然液化天然气（LNG）再气化过程能释放大量低温冷能量，但下游负载的波动会导致冷源供应不连续，进而影响系统稳定性。为了解决这一问题，本研究开发了以正癸烷@聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基料的微囊化相变材料（MEPCMs），用于在-70至-32℃的浅低温环境下为数据中心回收利用冷能量。研究系统地分析了核壳比对该材料的化学结构、封装效率以及潜热储存性能的影响。结果表明，核壳比为6:4的微囊具有最佳性能，其封装效率可达80.8%，能量储存效率可达77.5%。随后，这些微囊被分散在乙二醇水溶液中，形成可泵送的MEPCMs浆料。为满足典型数据中心的24兆瓦恒定冷却需求，研究了一种结合反馈控制与温控-流量级联控制的动态冷能量回收与储存方案。在该方案下，系统运行时99.91%的时间内供温都能保持在±1℃范围内，从而实现负荷削峰填谷。与纯乙二醇显热储存方式相比，使用20%重量的该浆料时，可在达到相同峰值储存量（238.62兆瓦时）的情况下，使单位质量的冷却能力提高56.8%，同时罐体体积减少33%-35%。这项研究为数据中心的冷能量储存提供了新思路，实现了高能量密度与优异动态响应性的结合。

章节摘录

术语表

缩写词
AIBN	2,2′-偶氮二异丁腈
CES	冷能量储存
DSC	差示扫描量热法
FT-IR	傅里叶变换红外光谱
LAES	液态空气能量储存
LHS	潜热储存
LNG	液化天然气
MEPCMs	微囊化相变材料
MMA	甲基丙烯酸甲酯
OM	光学显微镜
O/W	油包水型
PCMs	相变材料
PETRA	季戊四醇四丙烯酸酯
PMMA	聚甲基丙烯酸甲酯
PTES	泵式热电储存
PVA	聚乙烯醇
SEM	扫描电子显微镜
SHS	显热

材料

这些低温相变材料是通过乳液聚合方法制备的，其中正癸烷作为相变核心材料，PMMA则作为外壳材料。所有材料的规格及生产商信息均列于表1中。

AIBN的纯化处理

首先，将45克无水乙醇与5克去离子水混合，配制出50克的95%乙醇水溶液以备后续使用。接着将5克AIBN放入圆底烧瓶中，置于80℃的水浴中加热直至其完全溶解。在加热过程中进行真空过滤操作。

热物理性质模型

为描述MEPCMs浆料的热物理行为，研究者建立了密度、比热容、热导率以及粘度等方面的理论模型。这些模型为后续的系统模拟与性能评估提供了基础。

MEPCMs的物理性质分析

为研究核壳比对正癸烷@PMMA型MEPCMs性能的影响，研究人员制备了一系列不同核壳比的样品。相关配方信息见表6。所选的核壳比涵盖了外壳占比高、比例适中以及核心占比高的几种情况，以此来分析外壳完整性、封装稳定性与潜热储存性能之间的关系。

结论与展望

本研究针对数据中心冷却需求，开发了用于浅低温环境下冷能量储存与传输的正癸烷@PMMA型MEPCMs浆料。该系统解决了LNG再气化过程的不连续性与其连续制冷需求之间的矛盾，为传统显热储存方式提供了一种高能量密度的替代方案。通过实验合成、热物理特性分析以及动态系统模拟，本研究得出的结论如下：

• (1)
  核壳比

CRediT作者贡献说明

吴勇：实验研究。洪强：实验研究。张亚辉：数据整理。司浩：实验研究。刘永杰：实验研究。邱立明：实验研究。蒋亮：项目管理工作。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关联关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U24B2066）、中央高校基本科研业务费（项目编号：226-2025-00076）、中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFE0108600）以及浙江省科技计划（项目编号：2024C03117）的支持。

吴勇|洪强|张亚辉|司浩|刘永杰|邱立明|蒋亮

中国浙江杭州，浙江大学能源工程学院，浙江省制冷与低温技术重点实验室，邮编310027